【HETA】换热器表面的析湿与积灰模拟

2016年6月13-14日，CD-adapco China（西递安科）在杭州举行了“STAR 2016 中国用户大会”。在本次会议上，丁国良理事长受邀作了题为《换热器表面的析湿与积灰模拟》的主题报告。以下是本次报告的部分内容：

一、背景与目标

▌1、应用背景

●（1）析湿现象对于换热器翅片设计带来的困扰

1. 析湿凝水是房间空调器蒸发器中一种常见的现象。

2. 析湿可能会阻塞空气流道；对于通过增加翅片开缝及缩小翅片间距来提高换热能力的换热器，析湿会严重影响换热器的性能。

3. 翅片的结构优化，难以依赖于大量的模具制作、翅片制作、产品实验这一流程，更需要可以模拟实际析湿性能的CFD工具。

●（2）积灰现象对于换热器设计带来的困扰

1. 大气及空调器面临的状况：城市大气中的总悬浮颗粒物浓度普遍超标，导致家用空调器使用若干年后，室内外机换热器表面积聚大量的灰尘。

2. 对空调器性能的影响：灰尘是影响换热器性能衰减最典型且最重要的因素，体现在增大空气侧压降并恶化传热。

3. 政府标准要检测产品的长效性能了：政府标准已经要检测积灰相关的性能衰减了，但是设计上并没有可以预测积灰性能的手段。

▌2、目标

1. 建立可以反映析湿和积灰机理的数学模型。

2. 设计专门的实验方法来获得必要的数据，用于建立其中的部分模型。

3. 借用商业CFD平台，编程实验析湿与积灰过程的模拟。

4. 实验验证模拟的精度。

二、换热器表面析湿的模拟与实验

▌1、析湿物理过程分析

空调器析湿过程

▌2、析湿模型研究思路

▌3、翅片表面单水滴/水桥运动的模拟

物理过程描述

1. 单个水滴/水桥在平翅片或铜管表面运动；

2. 三维、非稳态、多相多组分问题；

3. 根据水滴运动速度将水滴分为低毛细数(Ca<2×10-6)和高毛细数(Ca>2×10-6)两种情况。

▌4、翅片表面多水滴运动的模拟

●（1）理论分析

1. 多水滴运动的模拟需要在单水滴接触角模型基础上增加区分水滴并存储每一个水滴接触角的算法；

2. 三维、非稳态、多相多组分问题；

3. 每个水滴运动均受到重力、风力和表面张力影响。

●（2）多水滴接触角模型

区分水滴并存储每一个水滴接触角的算法

▌5、析湿过程传质传热的模拟

●（1）理论分析

1. 湿空气中水蒸气发生相变传质形成水滴——需要建立传质模型

2. 水蒸气相变传质带来潜热热量传递——需要建立潜热传热模型

3. 三维、非稳态、多相多组分问题

4. 形成的水滴均受到重力、风力和表面张力影响

●（2）几何结构建立

●（3）模型计算结果——亲水强化翅片

• 对于亲水强化翅片，冷凝水形成过程与平翅片不同。冷凝水更容易在强化结构处（例如波纹、开缝和百叶窗）形成，并沿重力方向流出翅片表面。

▌6、析湿过程的实验研究

●（1）单水滴在翅片平表面运动模拟结果的实验验证

水滴接触角的实验验证

水滴速度的实验验证

●（2）单水滴由翅片流至铜管壁面模拟结果的实验验证

水滴轮廓的实验验证

结论：水滴轮廓的模拟结果与实验结果能够较好的吻合。

●（3）水桥轮廓模拟结果的实验验证

结论：水桥轮廓的模拟结果与实验结果能够较好的吻合。

●（4）翅片表面液滴形成和生长特性的数值模型的实验验证

翅片表面液滴形成和生长过程的可视化验证结果

三、换热器表面积灰的模拟与实验

▌1、目标

1. 长远的研究目标：对翅片及换热器的结构设计能够同时满足高效换热和长效节能，在提高换热能力的同时还需要提高防积灰能力。

2. 当前的研究目标：提出一种换热器翅片表面积灰过程的模拟方法，该模拟方法能够预测颗粒物在翅片表面的沉积行为。

▌2、技术路线

▌3、表面积灰过程的建模分析

●（1）积灰过程的物理分析

●（2）颗粒物传输子模型

●（3）颗粒物——翅片碰撞模型——碰撞过程分析

●（4）颗粒物——污垢层碰撞模型——碰撞过程分析

▌4、换热器表面积灰过程的模拟

●（1）几何结构及网格划分

●（2）模型计算结果

▌5、换热器表面积灰过程的可视化实验

●（1）实验原理

●（2）实验结果

百叶窗片换热器积灰过程

波纹片换热器积灰过程

平翅片换热器积灰过程

颗粒物沉积厚度对比

四、结论

1. 空调器析湿过程模拟可以通过理论与实验建模的方法，利用现有的CFD软件来实现。需要建立的三个关键模型为：水滴形成长大过程的传质速率模型、潜热传热速率模型和水滴运动过程的接触角模型。

2. 对于模型计算得出的传热系数和传质系数验证结果显示：对于传热系数，模型计算结果与实验数据平均误差为6.93%，模型对于96%的实验数据点预测误差在±15%以内；对于传质系数，模型计算结果与实验平均误差为12.10%，模型对于91%的实验数据点预测误差在±20%以内。

3. 对于模型计算得出的水滴接触角和运动速度验证结果显示：对于单个水滴的最小接触角，模型计算结果与实验平均误差为2.11%，最大误差不超过2.51%；对于单个水滴的运动速度，模型计算结果与实验平均误差为6.81%，最大误差不超过10.13%。

4. 通过实验研究了翅片间形成的水桥，得到了水桥接触角的描述公式，该公式可以在± 20%的误差范围内描述95%的点，平均误差为7.9%。
   

5. 对于模型得出的水滴动态分布的验证结果显示：对于翅片表面水滴形成、分布和运动过程，模型计算结果与可视化实验结果基本相符。
   

6. 开发换热器表面的积灰模拟方法，需要包括积灰理论分析、基于CFD软件平台的积灰模型开发、实验修正三个基本过程。
   

7. 通过分析积灰的物理过程，可以依次从颗粒物运动轨迹过程、颗粒物-翅片碰撞过程、颗粒物-污垢层碰撞过程三个方面来建模。
   

8. 基于CFD软件平台(Star-CCM+等)，通过建立描述积灰机制的Field Functions 可以实现对换热器翅片表面积灰过程的模拟。
   

9. 通过搭建积灰可视化实验台并开展积灰实验，能够为积灰模型开发提供实验数据修正，从而提供模型预测精度。
   

10. 通过上述技术手段所开发的积灰模拟方法，能够为优化换热器结构、提高换热器防积灰能力提供仿真工具。
    

（注：本文根据丁国良理事长在“STAR 2016 中国用户大会”期间演讲节选、翻译整理而成，未经本人审阅。）