適用于結(jié)霜工況下的翅片管式制冷換熱器用橢圓穿孔翅片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種適用于結(jié)霜工況下的翅片管式制冷換熱器用橢圓穿孔翅片，所述翅片在沿高度方向的中心軸線上均勻布置有數(shù)個(gè)制冷基管孔，在翅片表面開有若干橢圓孔，沿翅片高度方向，全部橢圓孔成三列布置，橢圓孔幾何尺寸相同，其中兩列橢圓孔分別位于翅片表面空氣來流側(cè)與出流側(cè)，來流側(cè)橢圓孔的長軸與氣流流向平行，并與氣流出流側(cè)橢圓孔的長軸方向相垂直；另一列橢圓孔位于制冷基管孔之間，這一列橢圓孔的長軸方向與空氣出流側(cè)橢圓孔的長軸方向相平行。本發(fā)明強(qiáng)化了結(jié)霜工況下翅片管式制冷換熱器的換熱性能，與傳統(tǒng)翅片結(jié)構(gòu)的制冷換熱器相比，在同等制冷量的情況下，可達(dá)到節(jié)能、空氣側(cè)流動(dòng)阻力減小、節(jié)省翅片金屬材料及縮小制冷換熱器體積的目的。
【專利說明】適用于結(jié)霜工況下的翅片管式制冷換熱器用橢圓穿孔翅片
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及制冷換熱器，具體涉及制冷換熱器的翅片結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，長期工作于結(jié)霜工況下的翅片管式制冷換熱器基本上采用平翅片，部分采用波紋片。平翅片的主要作用是擴(kuò)大傳熱面，對(duì)促進(jìn)流體擾動(dòng)的作用很小，換熱效果不理想。強(qiáng)化型翅片如條縫形翅片、百葉窗翅片在結(jié)霜工況下，霜層的形成會(huì)堵塞翅片上狹小的空隙，從而使其喪失強(qiáng)化傳熱的能力，而且翅片表面空氣的流動(dòng)阻力也會(huì)增大。長期工作于結(jié)霜工況下的翅片管式制冷換熱器必須進(jìn)行頻繁的融霜，而多次融霜又會(huì)增加能耗。因此，傳統(tǒng)的翅片無法滿足結(jié)霜工況下強(qiáng)化換熱和節(jié)能運(yùn)行的要求。
[0003]中國專利文獻(xiàn)CN201293596Y公開了 “制冷換熱器用三對(duì)稱大直徑圓孔翅片及制冷換熱器”，其主要方案為:“在每一翅片上，以基管中心為軸，沿氣流流動(dòng)方向，基管前后各開設(shè)兩個(gè)直徑相同的圓通孔；兩基管軸線中心處開設(shè)與前述二孔直徑相同的圓通孔?！迸c平翅片及圓孔翅片相比，該翅片提高了制冷換熱器換熱效果，且有流動(dòng)阻力小，易加工等特點(diǎn)。
[0004]但是，該結(jié)構(gòu)仍存在以下不足:對(duì)翅片表面對(duì)流換熱的薄弱區(qū)域進(jìn)行分析后，直接確定了翅片表面開孔的大小、位置、形狀，并未對(duì)開孔的形狀、擾流的效果等影響換熱效果的因素進(jìn)行深入廣泛優(yōu)化分析。因此，該翅片形式雖然能在一定程度上改善換熱效果，但是在強(qiáng)化換熱能力、減少流動(dòng)阻力等方面仍有進(jìn)一步提升的空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出一種適用于結(jié)霜工況下的翅片管式制冷換熱器用翅片，在平翅片表面開若干個(gè)橢圓孔，橢圓孔按一定規(guī)律布置，間隔分布于翅片表面，通過該結(jié)構(gòu)強(qiáng)化結(jié)霜工況下翅片管式制冷換熱器的換熱性能，與傳統(tǒng)翅片結(jié)構(gòu)的制冷換熱器相比，在同等制冷量的情況下，可達(dá)到節(jié)能、空氣側(cè)流動(dòng)阻力減小、節(jié)省翅片金屬材料及縮小制冷換熱器體積的目的。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0007]—種適用于結(jié)霜工況下的翅片管式制冷換熱器用橢圓穿孔翅片，翅片中間開有一列制冷基管孔。其改進(jìn)在于，在翅片表面開有若干橢圓孔，沿平翅片高度方向，全部橢圓孔成三列布置，橢圓孔幾何尺寸相同，其中兩列橢圓孔分別位于翅片表面空氣來流側(cè)與出流偵牝來流側(cè)橢圓孔的長軸與氣流流向平行，并與氣流出流側(cè)橢圓孔的長軸方向相垂直；另一列橢圓孔位于制冷基管孔之間，這一列橢圓孔的長軸方向與空氣出流側(cè)橢圓孔的長軸方向相平行；所述橢圓孔長軸為r，短軸為t，制冷基管孔直徑為D。
[0008]優(yōu)選地，本翅片的設(shè)計(jì)是圍繞每一個(gè)制冷基管孔的中心，在氣體來流側(cè)和出流側(cè)各開設(shè)有兩個(gè)橢圓孔，橢圓孔中心與相鄰制冷基管孔中心在翅片高度方向上的距離為B1,與相鄰制冷基管孔中心在翅片寬度方向上的距離B2[0009]進(jìn)一步，所述位于翅片表面空氣來流側(cè)與出流側(cè)的二列橢圓孔的數(shù)目相同，制冷基管孔直徑為D，橢圓孔長軸的尺寸為r，短軸為t，r/D=0.68-0.76，t/r=0.68-0.83。
[0010]更優(yōu)選，橢圓穿孔翅片高度為H，寬度為B，厚度W，制冷基管孔孔徑為D，各制冷基管孔之間中心距為Y，制冷基管孔之間的橢圓孔與相鄰制冷基管孔的中心點(diǎn)間距為Y/2。所述翅片中各尺寸之間的相對(duì)關(guān)系為=VB1=0.45-0.56，r/B2=l.00-1.22，D/Y=0.39-0.43，D/B=0.31-0.35，B1ZB=0.32-0.39，W=0.1-0.5mm ；
[0011]本 申請(qǐng)人:對(duì)翅片表面開橢圓孔的翅片管式制冷換熱器進(jìn)行了強(qiáng)化換熱的優(yōu)化分析。首先采用采用正交試驗(yàn)方法對(duì)表面開孔的孔型、孔徑、位置參數(shù)等影響流動(dòng)和換熱的因素進(jìn)行方案組合，采用數(shù)值模擬軟件對(duì)各組合方案進(jìn)行了模擬研究，獲得了各組合方案的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和努謝爾特?cái)?shù)分布，確定了各組合方案的流動(dòng)和換熱特征，量化比較了各方案翅片表面上換熱的薄弱部位，獲得了最優(yōu)的組合方案。在此基礎(chǔ)上，對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行試件加工，以平翅片管式制冷換熱器試件做為比較基準(zhǔn)，利用制冷實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞開展了結(jié)露工況下空氣外掠翅片管式換熱器的對(duì)比性實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果證實(shí):橢圓穿孔翅片管式制冷換熱器在干工況、尤其是結(jié)霜工況下具有換熱效率高，節(jié)能效果顯著、空氣側(cè)流動(dòng)阻力小、節(jié)省金屬材料的優(yōu)點(diǎn)。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下:
[0013]1、與平翅片、條縫形翅片及圓孔翅片相比，從傳熱機(jī)理的角度，翅片表面橢圓孔長、短軸的存在增強(qiáng)了氣流對(duì)流動(dòng)邊界層的擾動(dòng)，尤其是增強(qiáng)了對(duì)尾流區(qū)氣體的擾動(dòng)，減薄了熱邊界層的厚度，改善了翅片后部和基管尾部換熱薄弱部位的換熱效果，強(qiáng)化了翅片傳熱性能。
[0014]2、本發(fā)明強(qiáng)化了結(jié)霜工況下翅片管式制冷換熱器空氣側(cè)的換熱，降低了翅片表面的結(jié)霜速率，減小了空氣側(cè)的流動(dòng)阻力，大幅度節(jié)省了制冷能耗。
[0015]3、在制冷量相等的情況下，本發(fā)明減少了翅片金屬材料的用量，縮小了制冷換熱器的體積。
[0016]本發(fā)明可應(yīng)用于冰箱、冷庫、冷藏柜等長期工作于結(jié)霜工況下的翅片管式制冷換熱器及風(fēng)冷熱泵，特別適用于“高風(fēng)速下快速制冷”的制冷換熱器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是橢圓穿孔翅片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是A-A剖面圖；
[0019]圖3是橢圓孔結(jié)構(gòu)；
[0020]圖4是SK-E-B型捕圓穿孔翅片；
[0021]圖5是橢圓孔尺寸
[0022]圖6橢圓孔型翅片管式制冷換熱器平面圖
[0023]圖7是四種翅片實(shí)物圖；

Φ
[0024]圖8是換熱器單位面積換熱量= 一隨風(fēng)速的變化曲線；


A
[0025]圖9是翅片平均表面對(duì)流換熱系數(shù)隨風(fēng)速的變化曲線；
[0026]圖10是不同風(fēng)速下蒸發(fā)器阻力Λρ隨風(fēng)速的變化曲線；[0027]圖11是不同風(fēng)速下三種實(shí)驗(yàn)片型壓縮機(jī)能效比(COP)與平翅片壓縮機(jī)能效比值之比 η U = COP/COPp/ )；
[0028]圖中:1-制冷基管孔；2_第一列橢圓孔,3-第二列橢圓孔,4-第三列橢圓孔,5-翅片。
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及優(yōu)點(diǎn):
[0030]1、翅片管式制冷換熱器用橢圓穿孔翅片的幾何結(jié)構(gòu):
[0031]參見圖1，、圖2和圖3，翅片5中間開有一列制冷基管孔1，使橢圓穿孔翅片采用脹管工藝可以緊密聯(lián)接于管外徑為D的制冷基管上。翅片表面開有橢圓孔，沿翅片高度方向，全部橢圓孔排成三列布置:氣體來流側(cè)為第一列橢圓孔2 ;制冷基管中間布置第二列橢圓孔3 ;氣體出流側(cè)布置第三列橢圓孔4。所有橢圓孔的幾何尺寸相同。
[0032]氣體來流側(cè)的第一列橢圓孔2的長軸與氣體出流側(cè)的第三列橢圓孔4長軸之間相互垂直，第二列橢圓孔3與第三列橢圓孔4的長軸相平行。第一列橢圓孔2與第三列橢圓孔4的數(shù)目相同，每相鄰制冷基管孔之間布置有與來流側(cè)橢圓孔長軸方向相垂直的橢圓孔，形成第二列橢圓孔3。
[0033]2、橢圓穿孔翅片尺寸
[0034]參見圖1，、圖2和圖3，橢圓穿孔翅片高度為H，寬度為B，厚度W。沿翅片高度方向的中心軸線上均勻布置有數(shù)個(gè)制冷基管孔1，其孔徑為D，各制冷基管孔之間中心距為Y。制冷基管孔之間的橢圓孔與相鄰制冷基管孔的中心點(diǎn)間距為Y/2，翅片表面所有橢圓孔的長軸尺寸為r，短軸尺寸為t，二者關(guān)系為t/r=0.68-0.83。
[0035]相鄰制冷基管孔之間布置的第二列橢圓孔3其長軸位于翅片的縱向中心軸線上，與來流側(cè)橢圓孔的長軸垂直。
[0036]在翅片表面上，圍繞每一個(gè)制冷基管孔的中心，在氣體來流側(cè)與出流側(cè)各開設(shè)有2個(gè)橢圓孔，橢圓孔中心與相鄰制冷基管孔中心在翅片高度方向上的距離為B1，與相鄰制冷基管孔中心在翅片寬度方向上的距離B2，來流側(cè)橢圓孔的長軸與氣流流向平行，與出流側(cè)橢圓孔的長軸方向相垂直；橢圓穿孔翅片高度為H，寬度為B，厚度W，制冷基管孔孔徑為D，各制冷基管孔之間中心距為Y，制冷基管孔之間的橢圓孔與相鄰制冷基管孔的中心點(diǎn)間距為 Y/2。
[0037]各尺寸之間的相互關(guān)系為=VB1=0.45-0.56，r/B2=l.00-1.22，D/Y=0.39-0.43，D/B=0.31-0.35，B1ZB=0.32-0.39，W=0.1-0.5mm ；
[0038]圖中的布置方式可以讓第一列橢圓孔2長軸引起的擾動(dòng)“干擾”到距離基管位置更近的流場(chǎng)區(qū)域，對(duì)流動(dòng)邊界層產(chǎn)生較大的擾動(dòng)效果，尤其是增加了尾流區(qū)氣體的擾動(dòng)，減薄了邊界層的厚度，強(qiáng)化了翅片傳熱性能，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)化傳熱的效果。
[0039]3、試件制作
[0040]按上述所述制作具體的橢圓孔穿孔翅片，型號(hào)為SK-E-B，如圖4和圖5所示。翅片材質(zhì)為鋁，高度為296mm，寬度為61mm，厚度為0.5mm。沿翅片高度方向中心軸線上布置有6個(gè)直徑為20mm的制冷基管孔，制冷基管孔之間的中心距為49mm，沿翅片高度方向中心軸線均勻布置，翅片二端的制冷基管孔中心距翅片的上、下邊緣分別為26mm、25mm。每相鄰制冷基管孔之間的中心點(diǎn)連線中間位置布置有I個(gè)橢圓孔，其與制冷基管孔之間的中心點(diǎn)間距為24.5mm,共計(jì)5個(gè)橢圓孔并排成一列布置。
[0041]以每一個(gè)制冷基管中心孔為軸，在氣體來流側(cè)與出流側(cè)各開設(shè)有2個(gè)橢圓孔，橢圓孔中心與相鄰制冷基管孔中心在翅片高度方向上的距離&=21.5mm，橢圓孔中心與相鄰制冷基管孔中心在翅片寬度方向上的距離B2=13mm，來流側(cè)橢圓孔長軸與氣流方向相平行，與出流側(cè)橢圓孔的長軸方向相垂直；翅片表面所有橢圓孔的長軸尺寸為14.4_，短軸為10.8mmο
[0042]將橢圓穿孔翅片SK-E-B經(jīng)脹管工藝與直徑為20mm的制冷基管緊密聯(lián)接，翅片與翅片之間間距為10mm，共有28片，即可加工成為橢圓穿孔翅片管式制冷換熱器，如圖6所
/Jn ο
[0043]4、對(duì)比實(shí)驗(yàn)
[0044]為進(jìn)行對(duì)比性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，按照已公開的專利文獻(xiàn)CN201293596Y的結(jié)構(gòu)特征描述，加工了對(duì)應(yīng)的圓孔翅片，命名為SK-C-6翅片；為對(duì)比橢圓孔布置方式不同對(duì)換熱的影響，在SK-E-B的基礎(chǔ)上將來流側(cè)的12個(gè)橢圓孔進(jìn)行了 90度旋轉(zhuǎn)，稱其為SK-E-A翅片。同時(shí)，以平翅片PF做為基礎(chǔ)對(duì)比片型，分別將上述翅片片型:PF、SK-C-6、SK-E-A, SK-E-B片型用于翅片管式制冷換熱器，進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，研究這四種翅片形式的單位面積制冷量、翅片平均表面對(duì)流換熱系數(shù)、制冷換熱器的流動(dòng)阻力值、蒸發(fā)器能效比。圖7為翅片形狀的實(shí)物圖形及型號(hào)，為方便表述，對(duì)應(yīng)的片型型號(hào)也即制冷換熱器的型號(hào)為:PF型、SK-C-6型、SK-E-A型、SK-E-B 型。
[0045]5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
[0046]①參見圖8，風(fēng)速1.5m/s-5.2m/s范圍內(nèi)，SK-E-B型橢圓穿孔翅片比SK-C-6型圓孔翅片管式制冷換熱器的單位面積制冷量提高2%-17%，比平翅片PF型管式制冷換熱器的單位面積制冷量提高38%-46%。
[0047]②參見圖9，在前述風(fēng)速范圍內(nèi)，SK-E-B型橢圓穿孔翅片平均表面對(duì)流換熱系數(shù)比SK-C-6型圓孔翅片提高了 8%-31%，說明相比專利文獻(xiàn)“CN201293596Y”，本發(fā)明片型SK-E-B換熱性能更好。
[0048]③參見圖10，不同風(fēng)速下制冷換熱器的流動(dòng)阻力值，SK-E-B型橢圓穿孔翅片制冷換熱器比平翅片平均降低了 26.29%，比圓孔翅片制冷換熱器平均降低28.8%。④參見圖11，蒸發(fā)器能效比(COP)方面，三種新片型的壓縮機(jī)COP與平翅片型的比值的平均值從高到低依次為=SK-E-B型> SK-E-A型> SK-C-6型；SK_E_B型橢圓穿孔翅片在實(shí)驗(yàn)風(fēng)速范圍內(nèi)的能效比的范圍在1.27-1.33之間，平均為1.29，而圓孔翅片“SK-C-6”在實(shí)驗(yàn)風(fēng)速下制冷換熱器的能效比范圍在1.19-1.34之間，平均為1.23 ;在高風(fēng)速下，橢圓穿孔翅片制冷換熱器的能效比在三種翅片形式中最高，證明其高風(fēng)速下?lián)Q熱效果最好。
[0049]可見，SK-E-B型橢圓穿翅片管式制冷換熱器具有更高的強(qiáng)化換熱性能，尤其是在結(jié)霜工況下的換熱性能，可以滿足冷風(fēng)機(jī)、冰箱、冷藏柜及風(fēng)冷熱泵等長期工作于結(jié)霜工況下的翅片管式制冷換熱器的需要。
[0050]6、對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:
[0051 ] 6.1數(shù)值模擬及正交試驗(yàn)分析
[0052]數(shù)值模擬的目的在于對(duì)翅片表面空氣側(cè)的流動(dòng)和換熱情況進(jìn)行分析，確定換熱的薄弱部位。針對(duì)翅片管式制冷換熱器建立三維數(shù)值模型，結(jié)合壁面函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)邊界層的精確求解。計(jì)算求解利用模擬軟件FLUENT完成，模型為k-ε兩方程模型，壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)的耦合計(jì)算采用SMPLC算法，控制方程的求解采用QUICK方式離散，物理模型的建立、網(wǎng)格劃分及邊界條件類型的指定依靠專用前處理軟件GAMBIT2.4實(shí)現(xiàn)。邊界條件設(shè)置如下:
[0053]①空氣為常物性不可壓縮流體；忽略基管與翅片之間的接觸熱阻，忽略輻射換熱。
[0054]②基管設(shè)為恒壁溫邊界，溫度為347.4K ;采用翅片導(dǎo)熱、翅片表面與空氣間的對(duì)流傳熱耦合求解翅片表面溫度；
[0055]③速度型入口指定迎面風(fēng)速和空氣溫度，入口溫度297.8K，風(fēng)速范圍
[0056]lm/s-4m/s ;出口段設(shè)為自由出流邊界；
[0057]④翅片邊緣及中剖面采用絕熱邊界條件，空氣流道為對(duì)稱邊界條件。
[0058]模型的模擬結(jié)果與同樣邊界條件下的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比以驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，如表1所示。
[0059]表1.平翅片平均表面對(duì)流換熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)值hz’與模擬值對(duì)比(單位W/m2K)
[0060]
【權(quán)利要求】
1.適用于結(jié)霜工況下的翅片管式制冷換熱器用橢圓穿孔翅片，沿翅片高度方向的中心軸線上均勻布置有數(shù)個(gè)制冷基管孔；其特征在于，在翅片表面開有若干橢圓孔，沿翅片高度方向，全部橢圓孔成三列布置，橢圓孔幾何尺寸相同，其中兩列橢圓孔分別位于翅片表面空氣來流側(cè)與出流側(cè)，來流側(cè)橢圓孔的長軸與氣流流向平行，并與氣流出流側(cè)橢圓孔的長軸方向相垂直；另一列橢圓孔位于制冷基管孔之間，這一列橢圓孔的長軸方向與空氣出流側(cè)橢圓孔的長軸方向相平行；所述橢圓孔長軸為r，短軸為t，制冷基管孔直徑為D。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于結(jié)霜工況下的翅片管式制冷換熱器用橢圓穿孔翅片，其特征在于:圍繞每一個(gè)制冷基管孔的中心，在氣體來流側(cè)和出流側(cè)各開設(shè)有兩個(gè)橢圓孔，橢圓孔的中心與相鄰制冷基管孔中心在翅片高度方向上的距離為B1，與相鄰制冷基管孔中心在翅片寬度方向上的距離B2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于結(jié)霜工況下的翅片管式制冷換熱器用橢圓穿孔翅片，其特征在于:每相鄰二個(gè)制冷基管孔之間等距離設(shè)一個(gè)橢圓孔，形成中間一列橢圓孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于結(jié)霜工況下的翅片管式制冷換熱器用橢圓穿孔翅片，其特征在于:所述橢圓孔的尺寸特征為:r/D=0.68-0.76，t/r=0.68-0.83。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4之任一項(xiàng)所述的適用于結(jié)霜工況下的翅片管式制冷換熱器用橢圓穿孔翅片，其特征在于:橢圓穿孔翅片高度為H，寬度為B，厚度W，制冷基管孔孔徑為D，各制冷基管孔之間中心距為Y，制冷基管孔之間的橢圓孔與相鄰制冷基管孔的中心點(diǎn)間距為Y/2 ;各幾何尺寸之間的相對(duì)關(guān)系為=VB1=0.45-0.56，r/B2=l.00-1.22，D/Y=0.39-0.43，D/B=0.31-0.35，B1ZB=0.32-0.39，W=0.1-0.5mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的適用于結(jié)霜工況下的翅片管式制冷換熱器用橢圓穿孔翅片，其特征在于，制冷基管孔孔徑D=20mm，橢圓孔中心與相鄰制冷基管孔中心在翅片高度方向上的距離Bpl.5臟，與相鄰制冷基管孔中心在翅片寬度方向上的距離B2=13mm，Y=49mm，橢圓孔長軸r=14.4mm,短軸t=10.4mm,翅片高度H=296mm,寬度W=61mm,翅片厚度0.5mm。
7.根據(jù)權(quán)利6所述的適用于結(jié)霜工況下的翅片管式制冷換熱器用橢圓穿孔翅片，，翅片的幾何尺寸特征為:r/D=0.72，t/r=0.75，VB1=0.5，r/B2=l.1，D/Y=2.45，D/B=0.33，B1/B=0.35，W=0.5mm。
【文檔編號(hào)】F28F1/24GK103884220SQ201410150467
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年4月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月15日
【發(fā)明者】王厚華, 吳偉偉, 李大偉, 季文慧, 劉洪磊 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)