凹坑翅片换热器在单轨列车空调机组的应用

2022-11-17魏秀琴路晓鹏

西部交通科技 2022年9期

魏秀琴，金星，路晓鹏

(柳州铁道职业技术学院，广西柳州 545416)

0 引言

随着城市轨道交通的快速发展，单轨交通与地铁相比较，具有振动噪声小、投资省、对环境影响小、曲线半径小、爬坡能力强等优势，多在国内重庆、芜湖等城市应用。单轨列车空调系统是保证乘客乘坐舒适性的一个重要系统，能够使车厢内保持合适的温度和湿度，为乘客营造良好、舒适的环境。近年来，城轨列车空调机组消耗功率占列车牵引动力能耗的40%左右[1]，降低空调机组能耗对列车空调系统有着重要的现实意义[2]。列车空调机组通常设置在车顶上，空调机组的体积和质量会受到一定的限制，因此，如何实现空调机组小型化、轻量化也是需要考虑的现实问题。蒸发器和冷凝器是空调机系统的换热装置，其换热性能的好坏将影响到制冷剂与外部热源的换热效率，在提高空调能效方面起着非常重要的作用[3]。改进空调换热器的结构和提高其换热效率，对空调系统轻量化和节能有着重大意义。

目前单轨车辆空调的冷凝器和蒸发器基本上都采用管翅式换热器。研究表明，对于管翅式换热器，空气侧的热阻约占整个换热器热阻的80%左右，因此减小空气侧热阻，提高空气侧的换热系数对于改善换热器整体性能非常重要[4]。为了使换热器空气侧的换热性能强化，可以通过改变翅片表面的几何形状来实现。主要形状有百叶窗型翅片、纵向涡翅片、波纹型翅片[5-7]等。近年来，学者们研究提出了一种新型凹坑或球突翅片，在保证不破坏翅片完整性的条件下，在平直翅片表面上冲压形成凹坑或球突，这些凹坑或球突能使流体流过时对流体产生扰动，产生涡流，使流体的掺混程度增强，达到强化换热的作用。目前，对于凹坑翅片在列车空调换热器上的应用研究非常少，所以本文基于半球状凹坑翅片应用在列车空调机组换热器上的实际，研究了在翅片表面冲压凹坑后，分析不同工况下，圆管与凹坑翅片空气侧的流动及换热影响，为空调换热器设计及实际应用提供参考。

1 凹坑翅片结构模型

1.1 凹坑翅片描述

图1为本文物理研究模型。翅片管为四排管，翅片管材料为铜，采用错排方式布置；翅片为矩形翅片，材料为铝；在其表面冲压有凹坑，在每个圆管周围按照一定规律冲压有六个半球状的凹坑。

图1 圆管凹坑翅片模型示意图

1.2 凹坑翅片结构参数

如下页图2所示，图2给出了换热器圆管和凹坑的布置位置。凹坑的主要几何参数为：翅片长度L1、翅片厚度δf、管间距(横向S1、纵向S2)，圆管外径D、圆管厚度δt、翅片厚度δf、翅片间距Tp、凹坑半径rd、凹坑中心距圆管中心间距Ld、凹坑圆心夹角α。基本结构参数如表1所示。

表1 基本结构参数表(mm)

(a)带凹坑翅片圆管换热器翅片单元

(b)凹坑的参数和位置

2 数学模型及边界条件

2.1 控制方程

计算所采用的计算方程如下[8]：

连续性方程：

∂(ρui)/∂xi

(1)

动量守恒方程：

∂(ρuiuj)/∂xi=-∂ρ/∂xi+∂(η∂ui/∂xi)/∂xi

(2)

能量守恒方程：

∂(ρcpuiT)/∂xi=∂(λ∂T/∂xi)/∂xi

(3)

式中：ui——三个方向速度；

p——流体压力；

T——流体温度；

cp——流体定压比热容；

λ——流体的导热系数；

ρ——流体密度；

η——流体的动力黏性系数。

2.2 计算模型

由于整个换热器中圆管和翅片数量较多，如果要对完整的换热器模型进行计算是非常困难的，因此对模型进行简化，选取上下两层翅片和圆管外壁所形成的通道作为数值计算的区域，如图3所示。为保证在实际应用中入口流体温度和速度均匀，将计算区域入口上游延长1倍圆管管径；为保证出口无回流影响，出口向下游延长5倍圆管管径。

图3 计算区域示意图

2.3 计算边界条件设定

在本计算中，为了简化计算，假设圆管管壁为等温边界条件，设定管壁的温度Tw=40 ℃，速度为无滑移边界条件。本计算中，由于翅片的厚度只有0.2 mm，翅片和管外壁的接触热阻以及翅片本身的导热温差均被忽略，设定翅片温度恒定为40 ℃，圆管管壁温度恒定为常数设置为40 ℃。入口边界给定均匀速度和均匀温度，空气进口速度uin为1.5～4 m/s，空气进口平均温度Tin为30 ℃，出口边界设为自由压力出口。上下面边界采用对称性边界条件，左右面边界采用对称性边界条件。

2.4 网格无关性验证

在进行数值计算时，若网格数目较少，计算收敛性得不到保障，但是计算数目太多，增加计算机的负荷。因此，在划分网格时，不但要考虑求解的精度，还要考虑计算机配置的限制，缩短数值计算的时间。为了保证计算结果的准确性和网格的独立性，对网格独立性考核。网格划分如图4所示。

图4 网格划分示意图

当在Re=893、R=1 mm、α=70°、TP=2.4 mm条件下，对3种不同网格下的计算结果进行无关性验证的数据处理，结果如表2所示。

表2 网格独立性考核结果表

从表2可以得出，增加网格数，平均努塞尔数变化逐渐减小，网格数为1 120 082时对应的平均努塞尔数与网格数为1 280 082时对应的均努塞尔数相比相差0.02%，阻力系数相差0.07%。当网格数为1 120 082以后，继续增加网格的数目，平均努塞尔数和阻力系数变化非常小，因此，可认为数值模型在网格数为1 120 082时计算结果具有独立性。

3 计算结果与分析

3.1 凹坑翅片的换热特性分析

图5是在rd=0.9 mm、α=70°、TP=2.45 mm时，两种翅片模型平均努塞尔数Num和阻力系数f随雷诺数Re的变化曲线。图5(a)表明，当Re从893逐渐增加到2 382时，两种翅片平均努塞尔数Num变化趋势相同，平均努塞尔数Num都随着Re的增加而增大，并且平均努塞尔数的增长速率随着Re的增加逐步平缓。这是由于随着空气的流速增加，使空气流动边界层厚度变薄，提升了换热能力，但是这种靠增大流体速度提升换热的能力是有限的。在雷诺数Re相同的条件下，凹坑翅片的Num明显高于平直翅片的，在Re=893～2 382范围内，凹坑翅片的平均努塞尔数Num与平直翅片相比，提升了21.8%～38.7%，凹坑翅片的换热能力相比平直翅片得到了明显提升。这是由于凹坑增强了对空气的扰动作用，流体边界层厚度被减薄，极大地提高了换热器的换热能力。由图5(b)分析发现，两种翅片的阻力系数f随雷诺数Re的变化趋势基本相同，都是先快速下降后逐渐平缓下降，与平直翅片相比，凹坑翅片的阻力系数提升了20.9%～37%。阻力系数反映了管翅式换热器翅片的阻力特性，阻力系数越大，耗功越多。产生阻力损失的原因主要有：空气在流动过程中，由于自身黏度会造成摩擦阻力损失，冲刷翅片和换热管表面而产生压差阻力，以及翅片上的凹坑对流体产生扰动，形成纵向和横向涡流造成阻力损失。