CN112066776A - 一种用于空调换热器的仿生开缝波纹翅片 - Google Patents
一种用于空调换热器的仿生开缝波纹翅片 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于空调换热器的仿生开缝波纹翅片,包括翅片基体,翅片基体上设置有中心开设换热管管孔的凹面结构,位于换热管侧前方的仿生三棱锥开缝结构以及位于换热管后方的仿生环形锥台开缝结构,仿生三棱锥开缝结构和仿生环形锥台开缝结构均位于凹面结构之外,构成管孔结构。本发明优点是:换热效率高、抑霜效果明显、易于加工、成本低。本发明对仿生开缝翅片进行了优化设计,有效地强化了流体对管壁面的冲刷作用,延缓了波纹面流固分离现象,抑制了换热管后尾涡的发展,提高了翅片的换热能力;仿生开缝结构的设计,加速了凝结水的滑落脱离,延缓了霜的形成。
Description
技术领域
本发明属于强化换热技术领域,特别涉及一种用于空调换热器的仿生开缝波纹翅片。
背景技术
换热器翅片管换热器在空调器、暖通设备、制冷装置等中有着广泛的应用,我国对换热器的需求持续稳定增长。翅片管换热器的热阻主要集中于管外的空气侧,管外热阻可以占到总热阻的80%~90%,优化翅片结构可以有效改善换热器的传热性能。
换热器翅片形式多样,其中连续翅片有平直翅片、波纹翅片,间断翅片,如百叶窗翅片、开缝翅片,以及纵向涡发生器翅片。平直翅片换热性能较差;传统开缝翅片能够打断边界层的发展,减薄边界层,从而强化换热。但开缝结构往往导致翅片间的通流间隙减小,从而使得翅片在结霜工况下容易被霜层堵塞,从而降低翅片在结霜工况下的换热能力;百叶窗翅片换热性能较好,很容易被霜侧堵塞,使得性能下降。纵向涡发生器翅片是在管壁附近增加一些凸起结构,一方面增大流体对管壁的冲刷作用,延缓流固分离,从而增强换热,另一方面,减小尾涡区的影响,减小阻力。但目前而言,在管壁附近加工,会造成常规空调用铝制翅片的强度,因此纵向涡发生器翅片在工艺上难以实现。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种用于空调换热器的仿生开缝波纹翅片,考虑增强换热和抑霜的效果,通过波纹翅片和开缝翅片的结合,提高翅片的换热效率;通过仿生仙人掌和猪笼草的开缝结构的设计,提高凝水的脱落和排除速度,降低结霜问题对翅片换热能力的影响,保证干湿工况下翅片的换热能力。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种用于空调换热器的仿生开缝波纹翅片,包括翅片基体1,翅片基体1上设置有中心开设换热管管孔的凹面结构3,位于换热管侧前方的仿生三棱锥开缝结构4以及位于换热管后方的仿生环形锥台开缝结构5,仿生三棱锥开缝结构4和仿生环形锥台开缝结构5均位于凹面结构3之外,构成管孔结构2。
所述翅片基体1为对称人字波纹翅片,翅片厚度t为0.1~0.2mm,波节长度L1/L2的比值为1.5~1.7,波纹高度h1与翅片间距H的比值h1/H为0.64~0.68。
所述凹面结构3呈圆盘状,盘状凹面与换热管同心,形成换热管外延的结构。
所述凹面结构3的盘底圆直径d1与换热管外径D的比值d1/D为1.5~1.8。
所述凹面结构3圆盘在垂直于来流方向上与波纹小面a相切,沿流体流动方向上与波纹大面b锥面相接,锥面母线与换热管轴向夹角θ为45°。
所述仿生三棱锥开缝结构4置于换热管侧前方波纹小面a上,且坡度方向朝向波谷,其底面三角形高度l1与换热管外径D之比l1/D为0.32~0.4,底面三角形底边长w1与换热管外径D的比值为w1/D为0.15~0.20,仿生三棱锥开缝结构4高度h2与翅片间距H的比值h2/H为0.35~0.45。
所述仿生三棱锥开缝结构4在来流方向上为对称结构,其底面三角形上顶点与换热管中心沿来流方向的距离为p1,p1与换热管外径D的比值p1/D为0.30~0.34;垂直方向上,其与波纹小面边界的最小距离p2为0.2~0.8mm。
所述仿生环形锥台开缝结构5对称分布于换热管后方,且坡度方向朝向波谷,底部环形结构与换热管中心轴的夹角α1和α2分别为15°和45°;顶部环形结构与换热管中心轴的夹角α3和α4分别为25°和35°。
所述仿生环形锥台开缝结构5中,构成环形的底部两段弧线对应的直径d2、d3与换热管外径之比d2/D、d3/D分别为1.75~1.85和1.82~1.87;构成环形的顶部两段弧线对应的直径d4、d5与换热管外径之比d4/D、d5/D分别为1.78~1.84和1.80~1.85。
所述仿生环形锥台开缝结构5环形凸台的高度h3与翅片间距H之比h3/H为0.35~0.45。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:换热效率高、抑霜效果明显、易于加工、成本低。本发明对仿生开缝翅片进行了优化设计,有效地强化了流体对管壁面的冲刷作用,延缓了波纹面流固分离现象,抑制了换热管后尾涡的发展,提高了翅片的换热能力;仿生开缝结构的设计,加速了凝结水的滑落脱离,延缓了霜的形成。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为仙人掌结构示意图。
图3为猪笼草叶片结构示意图。
图4为仿生结构基础单元示意图。
图5为本发明实施例的仿生开缝结构翅片俯视图。
图6为本发明实施例的A-A剖视图。
图7为本发明实施例的B-B剖视图。
图8为本发明实施例的C局部视图。
图9为本发明实施例的D局部视图。
图10为本发明实施例与波纹翅片速度与温度场对比结果。其中(a)为常规人字波纹翅片,(b)为本发明实施例的仿生开缝波纹翅片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示,本发明一种用于空调换热器的仿生开缝波纹翅片,包括翅片基体1,翅片基体1上设置有凹面结构3,凹面结构3中心开设换热管管孔,在翅片基体1上位于换热管侧前方设置有仿生三棱锥开缝结构4,位于换热管后方设置有仿生环形锥台开缝结构5,仿生三棱锥开缝结构4和仿生环形锥台开缝结构5均位于凹面结构3之外,构成管孔结构2。
仿生三棱锥开缝结构4的作用主要是增加扰动,延缓固液分离,增强换热;仿生环形锥台开缝结构5的作用主要是减小尾涡区影响,减小阻力。为了充分保证换热效果,开缝结构的位置通过场协同原理优化得到。为了保证抑霜的效果,开缝结构参考图2、图3以及图4所示的仿生结构基础单元。该单元取意于仙人掌和猪笼草叶片结构的特殊性,使得液滴能够快速凝结脱落,并通过了实验验证。
结合图5、图6、图7、图8、图9,本实施例中,翅片基体1为对称人字波纹翅片,换热管外径D为7mm,翅片厚度t为0.105mm,翅片宽度W为11mm,翅片长度L为19.05mm,翅片间距s为1.4mm;翅片厚度波节长度L1为5.975mm,L2为3.55mm,波纹高度h1为0.95mm。
管外延的凹面结构3呈现圆盘状,盘状凹面与换热管同心,且盘底圆直径与换热管外径的比值d1为11.6mm。管外延的凹面结构3圆盘在垂直于来流方向上与波纹小面a相切,沿流体流动方向上与波纹大面b锥面相接,锥面母线与换热管轴向夹角θ为45°。
仿生三棱锥开缝结构4置于换热管侧前方波纹小面a上,三棱锥开缝底面三角形高度l1为2.4mm,底面三角形底边长w1为1.2mm;在来流方向上,三棱锥开缝结构4为对称结构,三棱锥开缝底面三角形上顶点与换热管中心沿来流方向的距离p1为0.6mm,垂直方向上,三棱锥开缝结构与波纹小面边界的最小距离p2为0.3mm。
环形开缝结构5对称分布于换热管后方,底部环形结构与换热管中心轴的夹角α1和α2分别为15°和45°;顶部环形结构与换热管中心轴的夹角α3和α4分别为25°和35°。构成环形的底部两段弧线对应的直径d2、d3分别为13mm、13.3mm;构成环形的顶部两段弧线对应的直径d4、d5分别为13.1mm、13.2mm;环形开缝的高度h3为0.65mm。
仿真计算结果表明:利用ANSYS FLUENT软件模拟计算,在壁温50℃,进口温度35℃,进口风速2m/s的情况下,结果显示:仿生开缝结构翅片相比于无开缝的人字波纹翅片,换热量提高了7.2%,阻力增加10.6%。参考图10,(a)和(b)的流线分布显示,仿生开缝翅片的流固分离滞后,尾涡区减小;温度分布显示,开缝结构周围流体扰动更剧烈,冷热流体混合更剧烈。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或者使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中多定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或者范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种用于空调换热器的仿生开缝波纹翅片,包括翅片基体(1),其特征在于,翅片基体(1)上设置有中心开设换热管管孔的凹面结构(3),位于换热管侧前方的仿生三棱锥开缝结构(4)以及位于换热管后方的仿生环形锥台开缝结构(5),仿生三棱锥开缝结构(4)和仿生环形锥台开缝结构(5)均位于凹面结构(3)之外,构成翅片基体(1)的管孔结构(2)。
2.根据权利要求1所述用于空调换热器的仿生开缝波纹翅片,其特征在于,所述翅片基体(1)为对称人字波纹翅片,翅片厚度t为0.1~0.2mm,波节长度L1/L2的比值为1.5~1.7,波纹高度h1与翅片间距H的比值h1/H为0.64~0.68。
3.根据权利要求1所述用于空调换热器的仿生开缝波纹翅片,其特征在于,所述凹面结构(3)呈圆盘状,盘状凹面与换热管同心,形成换热管外延的结构。
4.根据权利要求3所述用于空调换热器的仿生开缝波纹翅片,其特征在于,所述凹面结构(3)的盘底圆直径d1与换热管外径D的比值d1/D为1.5~1.8。
5.根据权利要求3所述用于空调换热器的仿生开缝波纹翅片,其特征在于,所述凹面结构(3)圆盘在垂直于来流方向上与波纹小面a相切,沿流体流动方向上与波纹大面b锥面相接,锥面母线与换热管轴向夹角θ为45°。
6.根据权利要求1所述用于空调换热器的仿生开缝波纹翅片,其特征在于,所述仿生三棱锥开缝结构(4)置于换热管侧前方波纹小面a上,且坡度方向朝向波谷,其底面三角形高度l1与换热管外径D之比l1/D为0.32~0.4,底面三角形底边长w1与换热管外径D的比值为w1/D为0.15~0.20,高度h2与翅片间距H的比值h2/H为0.35~0.45。
7.根据权利要求1所述用于空调换热器的仿生开缝波纹翅片,其特征在于,所述仿生三棱锥开缝结构(4)在来流方向上为对称结构,其底面三角形上顶点与换热管中心沿来流方向的距离为p1,p1与换热管外径D的比值p1/D为0.30~0.34;垂直方向上,其与波纹小面边界的最小距离p2为0.2~0.8mm。
8.根据权利要求1所述用于空调换热器的仿生开缝波纹翅片,其特征在于,所述仿生环形锥台开缝结构(5)对称分布于换热管后方,且坡度方向朝向波谷,底部环形结构与换热管中心轴的夹角α1和α2分别为15°和45°;顶部环形结构与换热管中心轴的夹角α3和α4分别为25°和35°。
9.根据权利要求1所述用于空调换热器的仿生开缝波纹翅片,其特征在于,所述仿生环形锥台开缝结构(5)中,构成环形的底部两段弧线对应的直径d2、d3与换热管外径之比d2/D、d3/D分别为1.75~1.85和1.82~1.87;构成环形的顶部两段弧线对应的直径d4、d5与换热管外径之比d4/D、d5/D分别为1.78~1.84和1.80~1.85。
10.根据权利要求1所述用于空调换热器的异形凸环管结构翅片,其特征在于,所述仿生环形锥台开缝结构(5)环形锥台的高度h3与翅片间距H之比h3/H为0.35~0.45。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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