列管式辐射对流冷热交换器供热性能模拟与提升

摘要

列管式辐射对流冷热交换器是一种可以同时满足夏季供冷和冬季供热的建筑用空调末端设备。该末端设备与室内环境的主要传热方式为辐射与自然对流。与传统散热器相比，辐射供热方式具有较好的舒适性和节能性。有研究者对该末端设备的供热性能进行了实验研究，在室内环境温度为18℃时，表面温度为30～45℃范围内，列管式辐射对流冷热交换器的总供热量为533.2～862.1W，单位散热面积供热量为157.2～254.2W/m2，与传统散热器相比，供热能力仍存在提升空间。本文拟在理论分析的基础上，运用CFD模拟，建立不同工况下列管式辐射对流冷热交换器的供热模型，对系统换热性能进行了模拟，在此基础上提出设备供热性能提升方案，并研究其提升效果。
　　列管式辐射对流冷热交换器的换热主体为带纵肋的换热管，肋片高度为0.3mm，肋片属于肋高在毫米数量级以下的微肋范畴。为研究肋片高度与带肋管的自然对流传热效果之间的关系，建立了与该换热器换热管的基管管径和高度相同的，带纵肋的单管管外自然对流传热的数值计算(CFD)模型，并对光管和肋片高度取0.3～20mm的带肋管进行了管外自然对流传热模拟和分析。研究发现，当肋片属于微肋范畴时，其对换热管换热能力的增强效果并不明显:当肋高为1.2mm时，带肋管的换热性能（η）相比于光管仅增大了1.8％;在肋高达到5mm时，带肋管的η与光管相比提升了16.1％。可以据此特点简化列管式辐射对流冷热交换器的计算模型。
　　通过对设备传热特点的分析和空气流动状态的计算，以CFD为工具，基于RNG k-ε湍流模型和DO辐射模型，建立了列管式辐射对流冷热交换器在房间内供热工况下传热模型。为了对上述模型进行验证，本文搭建了试验系统进行了同工况实测，结合测试结果对设备供热量进行了分析。对比了三种典型供热工况下的实测与模拟计算结果，结果显示各工况中总换热量和辐射换热量的模拟值与实测值吻合度较好，最大相对误差不超过10％。
　　为了提高设备的单位投影面积换热量，本文提出了两种增强设备的供热性能的改进方案:其一为采用单位体积内结构更加紧凑的双排管形式，其二为在设备表面增加气流扰动，进而增强对流传热。基于上述策略，在原设备相应数值传热模型的基础上，分别建立了双排管结构换热器和增设风管后的设备的数值模型，并对设备改进后的换热性能进行了模拟。方案一相应模拟结果显示，双排管结构相对于现有单排管结构换热器的总换热量和单位投影面积换热量都有明显增加，相对增长率分别为53.5％和33.8％。本文在方案二中研究了设备表面扰动气流的流速大小和方向对设备换热增强效果的影响，得到了在风速满足室内舒适性要求的前提下，合适的扰流风速。针对单侧气流扰动方式，风口风速取0.8～8m/s时，换热器换热量增加率为2.2～53.9％。若综合考虑扰流风速的衰减和保证距设备0.5m以外室内人员舒适性两因素，风口风速宜控制在2m/s。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状及分析

1．2．1 辐射供暖

1．2．2 辐射供冷

1．2．3 微肋管

1．2．4 存在问题

1．3 列管式辐射对流冷热交换器

1．4 本文的主要研究内容

2 带竖肋换热管的自然对流换热数值模拟

2．1 研究对象

2．1．1 物理模型

2．1．2 流态确定

2．2 数学模型的选择

2．3 数学模型验证

2．4 模拟结果分析

2．5 本章小结

3 列管式辐射对流冷热交换器供热实验研究

3．1 实验系统介绍

3．1．1 实验台和实验原理

3．1．2 测点布置、测试仪器和测试工况

3．2 实验数据处理

3．2．1 对流换热量计算

3．2．2 辐射换热量计算

3．3 计算结果分析

3．4 本章小结

4 列管式辐射对流冷热交换器的供热数值模型与验证

4．1 研究问题描述

4．1．1 研究对象几何模型

4．1．2 传热热平衡分析

4．1．3 求解热边界条件

4．2 数值模型和参数设置

4．2．1 研究问题的假设条件

4．2．2 网格划分

4．2．3 求解模型选取和参数设置

4．3 数值模型验证

4．4 模拟结果分析

4．5 本章小结

5 基于数值模型的设备供热性能提升研究

5．1 设备供热性能提升研究方法

5．2 双排换热管供热性能研究

5．3 设备表面增加气流扰动的供热性能研究

5．3．1 单向气流扰动

5．3．2 双向气流扰动

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢