水-空气翅片管换热器变工况、变结构特性模型分析

　　制冷领域中，尤其在空气调节方面，水-空气翅片管换热器的应用非常广泛。传统的翅片管换热器设计即是在标准工况和额定负荷下，进行翅片管束的结构设计。随着节能环保的要求越来越高，这种传统设计法的缺点和局限性日益显著：1)运行在非标准工况时，换热器的实际性能与设计值不符，基于标准工况下的最优设计往往达不到预期效果;2)管束的结构改进及优化需要大量反复的试验，耗材费时，代价昂贵;3)作为表冷器，随着室内负荷变化，翅片管外空气侧参数变化较大，空气品质得不到保证[1-5]。因此，为了适应现代化工业生产，可以用数学建模的方法，建立一个功能全面，使用方便快捷的翅片管换热器的数字化研发平台。在这个平台上，首先进行高效精确的产品设计;然后模拟预测该产品在变工况下的性能，研究各结构参数如管径、翅片间距、管排数等[6-8]，对管束换热传质效率的影响，评估变负荷时换热器在不同调节方式下的运行状态;最后进一步应用分析结构，实现产品的最终优化。在建立了翅片管换热器数字化设计中的重要基础—变工况、变结构特性的分析模型之后，进一步分析了模型对换热器性能的模拟值，并将分析结果应用在产品的设计、选型、运行管理等方面中，从而体现了数字化设计的优势。

　　1 模型概述

　　1.1 理论基础

　　翅片管换热器运行时大多数处于稳态或亚稳态，所以对管束建立稳态集中参数模型，可方便准确的预测其变工况、变结构条件下的宏观性能。为了简化研究，做出以下假设：

　　1) 空气、管外翅片和工质三部分的各热力状态在整个空间内均为集总参数;

　　2) 管壁面沿周界外侧均匀的吸热或放热;

　　3) 不考虑管壁和水的轴向导热;

　　4) 忽略换热器的辐射换热。

　　模型的输入参数为：1)流体的工况参数：进风干球温度t1、进风湿球温度ts1、进水温度tw1、循环风量Va、水流量W;2)管束的结构参数：换热管有效长度Le、管外径do、管壁厚δt、垂直气流方向管间距s1、沿气流方向管间距s2、翅片间距sf、翅片厚度δf、沿气流方向管排数np、垂直气流方向管排数nv及水路数ndis;

　　换热器的运行状况分为两种：等湿冷却工况(简称干工况)，如图2所示，空气温度减小，而含湿量不变，湿负荷由新风处理;减湿冷却工况(简称湿工况)，如图3所示，空气温度下降，含湿量也减小，有凝结水生成，翅片管换热器起到冷却干燥的作用，这是常见运行工况。鉴于两者的传热传质规律差异明显，所以对管束进行模型分析前需判明其运行状态。而干湿工况主要由机器露点温度与进风露点温度的关系确定。机器露点(即图3中点3)即从数值上可以认为等于管外壁温度。