一种平翅片换热器空气侧层流状态下换热与阻力计算方法技术

本发明专利技术公开了一种平翅片换热器空气侧层流状态下的换热与阻力计算公式，包括以下步骤：第一步：建立翅片管模型，并将翅片的间距、厚度、管间距、管排数及入口风速、管壁温度作为变量因素，设计正交试验工况。对不同工况进行流动与传热的数值计算，得到换热量和流动阻力的变化规律。第二步：在对模型计算结果进行验证的基础上，给出关于雷诺数、普朗特数及翅片间距与特征长度比值为自变量，以换热量的努塞尔数与流动阻力的阻力因子为应变量的幂函数表达；第三步：采用最小二乘法，拟合出函数关系中的各系数取值。通过这套计算公式可用于计算平翅片换热器在层流状态下的换热及阻力，并确定翅片间距对平翅片换热器的性能影响。

A Method for Calculating Heat Transfer and Resistance of Flat Fin Heat Exchanger in Air Side Laminar Flow

【技术实现步骤摘要】
一种平翅片换热器空气侧层流状态下换热与阻力计算方法
本专利技术涉及热能工程领域，具体而言，是一种平翅片换热器空气侧层流状态下的换热与阻力计算方法。
技术介绍
目前平翅片式换热器由于结构简单、易于加工，已广泛应用于空调、热泵各种领域。对于其传热和流动阻力特性，也有各式各样的换热关联式，现有的换热关联式都是努塞尔数与雷诺数、普朗特数的关系；阻力因子与雷诺数的关系。由于应用场合多在室外或是空气流态在紊流的场合下，这些公式适用于空气侧流速处在紊流状态下的计算。目前随着电子工业的发展，各种电子设备呈现出高集成化和小型化的趋势，作为高集成度计算机等电子设备的散热装置，适用场合多在室内，空气侧流动速度明显下降；同时翅片间距对传热器的影响尤为突出。目前还没有在层流状态下翅片间距对换热器性能影响的计算公式。基于此，本专利技术专利提出一种平翅片换热器空气侧层流状态下换热与阻力的计算公式，给出了努塞尔数和阻力因子表征的换热、压降关联式，以及公式的适用范围。通过该公式，可确定不同翅片间距下的换热器换热与阻力性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种适用于空气侧流动状态为层流的平翅片换热器性能的确定方法。这种方法可以替代传统的实验方法。考虑到空气层流状态在实验室难以实现的情况，通过数值计算方法，分析这种换热器性能的变化特征，通过数据整理，给出这类换热器的换热系数和流动阻力因子的计算公式，供实际选型设计使用。为实现上述目的，本专利技术包括以下步骤：1、确定换热器结构参数（翅片间距、翅片厚度、管间距、管排数），在结构参数确定的基础上，通过数值仿真实验，建立数值模拟模型；2、调试流动与传热三大守恒方程（质量守恒方程，动量守恒方程、能量守恒方程）的数值计算程序，模拟换热器在各种运行参数（入口风速、管壁温度）下的流动与传热特征；3、对影响上述数值仿真结果的参数做影响敏感性分析，找出影响换热器传热与流动性能的最重要结构参数为翅片间距、最重要的运行参数为入口风速，并将换热量和流动阻力表达成无量纲表达形式（见公式1和公式2）：（1）（2）—努塞尔数；—常数系数：—公式（1）中的常数系数，—公式（2）中的常数系数；—雷诺数；—普朗特数；—翅片间距；—特征长度；，—的指数系数：，—的指数系数。4、数据进行编程处理，进行数据拟合，确定出公式1和公式2中的常数系数C和幂指数系数和。拟合后的结果见公式3和公式4：（3）（4）公式3和公式4的适用范围为：444≤Re≤3405；普朗特数Pr约为0.701。5、根据该计算关联式，可分析不同翅片间距下的换热器换热与阻力性能，为该类换热器的选型设计提供依据。附图说明下面结合附图对本专利技术做进一步说明。图1为本专利技术一种平翅片换热器空气侧的换热与阻力计算方法的实施步骤。图2为本专利技术的模型结构图。图3为本专利技术模拟的入口风速对努塞尔数的变化曲线。图4为本专利技术模拟的入口风速对阻力因子的变化曲线。图5为本专利技术模拟的翅片间距对努塞尔数的变化曲线。图6为本专利技术模拟的翅片间距对阻力因子的变化曲线。图7为本专利技术给出该换热器传热性能的变化特征。图8为本专利技术给出该换热器流动阻力性能的变化特征。具体实施方式本专利技术提出了一种平翅片换热器空气侧层流状态下换热与阻力计算方法，为了使本专利技术的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本专利技术做详细说明。1、模型结构参数。如图1所示，本专利技术一种平翅片换热器空气侧层流状态下的换热与阻力计算方法，首先设计出翅片式换热器的结构参数（以额定换热量为5.0kW说明），主要是翅片间距、厚度、管间距、管排数等参数的确定，结构参数见表1：表1结构参数数值大小单位外管径12.5mm内管径10mm壁厚2.5mm翅片间距2mm翅片厚度1mm管纵向间距12.5（1倍外管径）mm管排数1排管横向间距32.476（1.5倍外管径，当管排数>1时）mm2、运行参数及相关热力学数据。根据数值仿真模拟，设置热力学及物性数据，见表2：表2入口风速（m/s）1进口压力（Pa）6.79出口压力（Pa）-1.2进口温度（K）303出口温度（K）320.65质量流率（kg/s）0.0003786空气比热（kJ/(kg*K)）1.005最小截面速度（m/s）3.48特征长度（m）0.00476运动粘度（m2/s）0.000016空气密度（kg/m3）1.165区域长度（m）0.053.相关结果。根据数值仿真实验，得到相关计算结果，见表3：表3压降△P（Pa）7.99换热量Q（W）6.7157雷诺数Re1035.3努塞尔数Nu6.612阻力因子f0.1078改变平翅片换热器的结构参数及运行参数，模拟不同条件下的流动与传热变化特征，得到压降、换热量、努塞尔数、阻力因子等与入口风速、翅片间距、翅片厚度等关系曲线，见图3、图4、图5、图6。4、模型验证与敏感性分析。将模拟所得数据与相关实验数据进行对比，在对模拟结果的正确性进行验证的基础上，对计算结果进行影响参数的敏感性分析。根据敏感性分析判定，得出影响翅片换热与阻力性能最主要的结构参数为翅片间距，最主要的运行参数是入口风速。5、确定关联式形式。选择翅片间距的影响表征成与特征长度比值组成为一个无量纲（），选择入口风速的表征参数为。确定关联式形式如下：（1）（2）—努塞尔数；—常数系数：—公式（1）中的常数系数，—公式（2）中的常数系数；—雷诺数；—普朗特数；—翅片间距；—特征长度；，—的指数系数：，—的指数系数。6、拟合公式。在处理公式（1）、（2）时，采用双对数形式。即等式两边同时取对数，将幂函数转化为一次函数（见公式3和公式4）。其中在拟合努塞尔数时，普朗特数在空气不高于在30℃时，可确定为0.701，其指数取经验值为，的对数值为-0.1184，这样每个公式都只有三个待定数值。（3）（4）。编写数据拟合程序，确定公式3和公式4中的各系数。得到表征换热量的公式5和表征流动阻力的公式6。（5）（6）。7、使用范围说明。根据Nu、Re、的计算数值，给出公式5和公式6的适用范围为：雷诺数的范围为：444≤Re≤3405；普朗特数Pr为空气侧温度不高于30℃时的数值，可取为0.701。根据公式适用范围，图7和图8分别给出了在适用条件下努塞尔数和阻力因子变化特征。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种平翅片换热器空气侧层流状态下的换热与阻力计算方法，其特征在于依次包括以下步骤：（1） 确定平翅片换热器结构参数，如入口风速、管壁温度、翅片间距、翅片厚度、管间距、管排数，并建立物理模型；（2）调试流动与传热计算仿真程序，并将仿真模拟所得的数据进行敏感性分析，得出影响翅片换热与阻力因子的最大影响因素为：入口风速与翅片间距；（3）进行数据拟合，得出关于雷诺数、普朗特数、翅片间距与特征长度比值表达的努塞尔数和阻力因子的计算关联式；（4）根据所得关联式，分析不同翅片间距下换热器的换热与阻力性能。

【技术特征摘要】
1.一种平翅片换热器空气侧层流状态下的换热与阻力计算方法，其特征在于依次包括以下步骤：（1）确定平翅片换热器结构参数，如入口风速、管壁温度、翅片间距、翅片厚度、管间距、管排数，并建立物理模型；（2）调试流动与传热计算仿真程序，并将仿真模拟所得的数据进行敏感性分析，得出影响翅片换热与阻力因子的最大影响因素为：入口风速与翅片间距；（3）进行数据拟合，得出关于雷诺数、普朗特数、翅片间距与特征长度比值表达的努塞尔数和阻力因子的计算关联式；（4）根据所得关联式，分析不...

【专利技术属性】
技术研发人员：丛晓春，倪鹏飞，范秀文，董玉林，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37