高校浴池新型废气蒸发器设计

杨云龙，朱晨宇，秦玉华，陈博

(沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168)

1 引言

换热器在各行各业里有着广泛的使用，对于热泵系统而言，它由蒸发器、冷凝器、压缩机三大核心部件构成。蒸发器与冷凝器都属于换热器的一种，若系统中采用结构紧密、换热高效的换热器，不仅能够使装置体积和重量减小，并且减少了系统耗功量。高效的换热器也能更好回收浴室废热，对浴池运营产生巨大经济效益。本章主要通过对换热理论的进一步分析，结合废热蒸发器设计的主要技术问题，设计适用于高校浴池高温废气热回收的空气蒸发器。通过调整双折式换热器翅片角度、翅片间距等设计参数，使得空气与蒸发器之间接触充分，减少流动阻力。运用Fluent数值模拟研究不同参数的翅片状况，进行对比分析得到最优结构。

2 数学模型

通过对换热器强化换热分析，提高蒸发器换热的有效途径主要是：一、加大蒸发器对空气能的吸收；二、尽可能减少蒸发器损失。一定尺寸的蒸发器，不同的翅片角度、翅片间距、翅片高度等因素都制约着蒸发器对废气热的吸收量。翅片间距越小，翅片密度越高，翅片相对表面积增大，有利用水蒸气与管内制冷剂的换热，相应的蒸发器的成本提高，流动阻力增加。若翅片间距过大，空气与翅片接触效果不好，大量余热未利用就直接排放到室外，翅片间的换热情况降低。翅片管物理模型，如图1所示，其中L为两个翅片之间的距离，α为翅片角度。

图1 翅片结构

相关研究表明换热器的管排数一般为n=2～6排，换热器设计结合浴室排出废气的方式与窗口的大小以及墙体的厚度，选择管排数为n=1，单排管不但合理的适应了浴室使用状况而且减少了加工的难度，节省了材料。针对翅片高度也需要在一定合理的范围内，并不是越高越好。翅片高度增加，翅片面积随之增加，翅片传热效果却降低。因此翅片管蒸发器高度应该有一个比较合理的范围，当翅片高度在12.7-19.05mm时，各项综合指标最优。翅片结构如图2所示

图2 废气蒸发器整体模型结构

3 模拟结果

选择翅片角度为60度、翅片间距为6.5mm的模拟工况，对翅片管速度矢量进行分析，研究翅片管换热器结构对空气的阻力的影响，如图3.16所示：(速度v=2m/s，环境温度T=22℃)由速度矢量图分析得出，空间域最左侧入口速度大小和方向各点相同，但随着空间域内的变化，速度出现了方向不一致现象，但整体仍然为向右流动状态。当空气到达翅片正前方，由于受到翅片阻挡作用，使得速度方向发生改变。上部翅片通道与空气流动方向协同，空气较为平缓的流过翅片通道，而下部翅片方位与空气来流方向几乎垂直，空气流动受阻严重，空气流向产生大的转折。流体沿着翅片间的流体通道流入，在翅片“Z”字形折弯处对流动起到阻挡作用，使得下部翅片最下方产生了旋涡区发生了逆流作用，提高了翅片对流换热作用，增加了换热的努赛尔数。衡量换热器表面换热效果好坏的指标不仅是努谢尔数和换热器结构阻力两方面，更多为场协同作用，即减小速度矢量与温度梯度之间的夹角是强化换热的有效措施。在相同的速度和温度边界条件下，它们的协同程度越好，换热效果也越明显。

4 结论

高校浴池废气均直接排放到室外，大量废热不仅没有得到回收，而且造成环境热污染。通过分析浴池废气排放特性，结合换热器强化换热技术手段，提出了适合高校浴池废气蒸发器结构-“Z”字形双折式蒸发器。运用数值模拟技术手段，改变了翅片角度和间距，发现翅片角度为45°，翅片间距为6.5mm时，翅片管努赛尔数最高，其速度场与温度场协同作用最强。

参考文献：

[1] 兰州石油机械研究所.换热器[M].烃加工出版社,1986.

[2] 刘雪玲.螺旋翅片管换热器换热性能试验及计算机辅助试验[D].浙江大学,2003.