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风机盘 管机组风道优化设计的数值研究

时间:2018-01-15 13:41:34; 来源:1.广东西 屋康达空调有限公司,广东 佛山 528000;2.清华大学,北京 100084 作者:赖凤麟 梁晖 张华强 彭惠生

 要:为积极 响应国家节能减排的号召,进一步 降低中央空调能耗,利用数值模拟的方法,构建了 实际风机盘管机组计算模型,探究了 不同盘管倾斜角度下机组出风口流场的均匀性。通过对 比不同工况下的流场分布,找到了 盘管的最佳倾斜角度为30°。另外也 发现了现有双风机送风风道结构的不足,建议将 风机送风口上下表面均设计成渐扩流道,以及在 入口位置添加导流装置以改善入口空间流场的不均匀性。

关键词:风道优化设计;节能减排;风机盘管;数值模拟;流场均匀性

 

0  引言

随着环 境问题的日益突出,保护环境、节约资 源的呼声越来越高,中央空 调就是日常生活中的耗电大户。由于中 央空调的整体能耗较常用分体式空调低,越来越 多的家庭住宅也开始安装中央空调。风机盘 管作为中央空调系统在民用住宅中常用的末端设备[1-3],在国内 空调市场被广泛使用,但是长 期以来却没有得到很大的改进[4]。风机盘管具有体型小、布置安装方便、控制灵活、噪声小等诸多优点[5]。但是国 内的风机盘管机组的风场均匀性问题却一直未能很好地得到解决[6]。改善机 组内部流场的均匀性,既能降低能耗,又能提 高盘管的换热效率,从而提 高风机盘管机组的整体性能。研究表明[7],提高盘 管迎面风速的均匀性能可以提高系统的效率。通过对 单风机盘管结构的数值模拟[8]发现,渐扩风道结构、添加导 流板均能在一定程度上提高来流场的均匀性,而对于 使用较普遍的双风机盘管的风场研究几乎没有。本文将 通过数值模拟的方法,对双风 机盘管机组内部流场进行计算,并且观 察盘管不同倾斜角度下的流场均匀性变化,从而指导结构设计,降低盘管机组能耗,提升盘 管机组整体性能。

 

1  数值计算方法

1.1  模型构建

本文所 选的研究对象是如图1所示的 双风机离心式风机盘管机组。由于实 际模型当中很多结构均是为了安装方便而设计,尤其是机组外部结构,对于内 部流场是没有影响的,因此在构建计算域时,考虑把 风机送风出口作为计算域的入口;机箱内 部风场流道结构保留,与实际模型一致;实际盘 管是由成百上千片的换热铝翅片组成的,这部分 结构如果不做简化,计算成本会很高,综合考 虑将盘管简化为细长条的狭缝,这样既 能尽可能地保留实际盘管的结构特点,又能满 足实际计算能力。最终简 化得到的实际风机盘管机组的计算模型如图2所示。

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此次研 究选取的盘管倾斜角度有0°、30°40°45°四种工况,如图3所示。各个工 况下的流场分布计算结果详见下文。

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1.2  求解方法

从风机 进入的空气在机组内的流动属于三维湍流流动,在计算 时需作如下假设:(1)空气特 性参数均为常数;(2)空气流 动为不可压低速稳态流;(3)整个风场无换热,为恒温场。风机入 口设为质量流量入口,设定为0.244 kg/s;出口设 置为自由流边界,其余均 默认为绝热固体边界条件。根据计 算模型和风场流动特点,在计算 时采用了湍流计算中应用最广泛的K-epsilon两方程模型,该模型具有稳定性、经济性 和相对较高的计算精度等特点。该模型 的适用于本次计算的数学控制方程的张量式如下所示:

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2  结果与分析

 

为方便 展示盘管机组内部流场分布,截取了z=0 mm(俯视图,中间截面)、y=200 mm(侧视图,右侧风 机入口中间截面)、x=0 mm(主视图,中间截面)三个方向的截面,绘制了 各个工况下的截面的速度云图和流线图。

4所示为z=0 mm截面4模拟工况下的速度云图和流线图。从图4a)可以看出,由于双 风机入口结构的特点,两个送 风口之间是安装电机的位置,导致中 间没有空气直接输入,需要两 侧的空气扩散填充,从而形 成了中间的低速回流区。入口两 侧也有低速回流区,主要是 送风入口属于突扩流道,气流从 较小的流道进入时很容易在两侧形成回流。正是由于这种结构,导致盘 管迎面风速均匀性较差,表现出两侧流速高,中间流 速低的不均匀现象。但是随 着盘管倾斜角度的不断增大,可以看 到中间低速区的平均速度大小是不断增大的。从图6b)也可以发现,入口位 置无论是中间的回流还是两侧的回流,均会随 着盘管倾斜角度的增大而减弱,但当倾斜角为45°时,出口位 置中间和两侧出现了较明显的回流现象,这会影 响机组出口流场的均匀性。再观察 盘管位置的流场分布可以看到,正是由 于送风口流场的不均匀性,导致在 中间位置的翅片间空气流速较低,而两侧 的翅片间风速较高,使得中 间位置的翅片利用率较低,在实际 使用时换热效果较差,而这种 换热不均匀的现象也会影响换热翅片的使用寿命,降低盘管的整体性能。另外,随着盘 管倾斜角度的增加,中间位 置的翅片间流速是逐渐增大的,流场的 均匀性是逐渐得到改善的。总体来看,随着盘 管倾斜角度的增加,整个横 向流场的高速区范围越来越大,低速区范围越来越小,但是角 度太大时出风口会出现回流降低均匀度,角度太 小时整体横向流场的不均匀性较大,平均速度也较低。

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5所示为y=200 mm截面的4种模拟 工况下的速度云图和流线图。与入口横向结构不同,纵向结 构上表面是一个突扩流道,而下表面是渐扩流道,这就导 致了上下流场的不均匀性。从图中可以看到,当盘管倾斜角度为0°时,由于上 下结构具有较好的对称性,从而流 场也表现出较好的均匀性;随着盘 管倾斜角度的不断增大,上下结 构的不对称性增大,纵向流 场无论是入口位置、盘管位 置还是出口位置均表现出较大的不均匀性。特别是 当盘管角度达到40°和45°时(图5b)),由于下 表面的凹腔结构,逐渐出 现低速回流现象,严重影 响了机组出口流场的均匀性;另外,上表面 出口位置也会出现小范围的低速区。随着盘 管倾斜角度的增大,机组内 部流场纵向的不均匀性会逐渐增大。

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6所示为x=0 mm截面的速度云图。该位置 是盘管所在的截面,可以直 观地观察到盘管位置的流场分布。从结果可以看到,当盘管倾斜角度为0°时,除了中间部分的流场,整个盘 管迎面风场的均匀性较好;30°时整个 流场也依然呈现出较高的均匀性,并且中 间低速区范围减小;当角度达到40°和45°时,上下位 置流场不均匀性较严重。与侧视(y=200 mm截面)结果类似,盘管倾 斜角度的变化会严重影响机组内部纵向流场的均匀性,为保证 纵向流场的均匀性,盘管倾 斜角度不宜过大。

 

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为进一 步对比盘管不同倾斜角度下的流场的均匀性,机组出 口截面的横向速度和纵向速度的均值进行对比分析,结果如图7所示。从图7a)很明显地可以看到,横向流 场确实表现出中间流速低、两侧流 速高的不均匀现象。这是由 于双风机盘管机组送风入口结构导致的,在后续 结构设计中需要重点考虑改善这部分缺陷,可以在 风机送风口位置加导流板或者对送风口进行改造。当盘管倾斜角度为0°时,出口截 面整体流速较低,并且中 间低速区的范围也较大;随着盘 管倾斜角度的增大,出口截 面的整体流速在增大,中间低 速区的范围则不断减小,但是从40°45°的区域 变化不是很明显,特别是45°时中间 低速区的最小速度较其他3种工况更低,最大最 小速度间相差甚大,流场均匀性较差。而盘管倾斜角度为30°和40°时,两者的 最小速度相差不大,低速区的范围40°的相对较小,但是最 大速度两者相差很明显,从均匀性角度来说,30°的流场均匀性较40°的好。另外对 比出口截面纵向流场的分布图7b),当盘管倾斜角度为0°时,纵向流场均匀性较高,但因为 入口位置上下表面结构不对称,导致此 时速度分布也并不完全对称;而随着角度的增加,在出口上半部分(0.040.08 m)开始出 现不同程度的低速区;其中45°工况由 于下表面也出现了回流,导致在-0.08-0.055 m位置也出现了低速区,流场的 纵向不均匀程度更高;30°较40°的低速区范围更小,整体的均匀性更高。

 

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综上,在分析对比了4种不同 盘管倾斜角度后发现,角度为30°时为较理想的结构。同时也 发现了双风机盘管机组的结构缺陷,尤其是 在两个风机送风口间安装电机存在的空白区,使得入 口位置流场出现中间流速低、两侧流 速高的不均匀现象,在后续 结构设计中需要重点考虑改善这部分缺陷。另外,就是入 口位置上下表面的不对称性,下表面为渐扩流道,没有回流现象,而上表面为突扩流道,有较强的回流,因此考 虑将上表面设计成与下表面对称的渐扩流道,对流场重新计算,得到的 出口截面横向和纵向平均速度与改造前的对比可见图8。从结果可以看到,将入口 上表面设计为渐扩流道是能够起到改善出口截面的流场均匀性的,无论是横向(a)还是纵向(b),特别是 纵向的流场均匀性提高较明显。

 

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3  结语

 

本文选 取了广泛使用的双风机盘管机组作为研究对象,利用计 算流体力学的数值计算方法,探究了 盘管倾斜角度为0°、30°40°45°的风场均匀度。在对比 完不同方向的流场分布结果后发现,当盘管倾斜角度为30°时,整个风 场的均匀度较高,整体流速也不低,可在后 续盘管结构设计中参考。另外也 发现了双风机盘管机组的结构缺陷,尤其是 风机两个送风口间安装电机的位置,导致风 场入口中间流速较低、盘管中 间位置的换热翅片利用效率很低,造成了资源的浪费,建议在 后续结构设计当中考虑在入口位置添加导流板或是重新设计送风口。最后将 入口位置上表面的突扩流道改造为与下表面对称的渐扩流道,结果表 明能够改善流场的均匀性,尤其是纵向流场。

 

[参考文献]

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[2] 林小闹,曾冬琪.风机盘 管机组选型问题的探讨[J].暖通空调,201141(11):59-62.

[3] 伍小亭.风机盘 管选型及系统设计中的一些问题[J].暖通空调,200030(4):46-48.

[4] 陈盛.风机盘 管节能设计与工程应用[C]//5届全国 建筑环境与设备技术交流大会论文集2013238-243.

[5] 杨东堂,张勇.我国风 机盘管技术现状分析[J]. 制冷与空调,20033(5):7-11.

[6] 邹月琴,.国产房 间风机盘管空调器现状与水平[C]//全国暖通空调制冷、1990年学术年会论文集199087-90.

[7] 郑钢.风机盘 管送风均匀化改进方法[J]. 中国建设信息:供热制冷,20052):91-93.

[8] 刘泽勤,苏云,郭宪民.风机盘 管来流场均匀化数值模拟[J].流体机械,201341(4):54-57.

 

收稿日期2017-11-29

作者简介:赖凤麟(1983),男,江西赣州人,工学硕士,主要从 事低碳节能环保型中央空调系统研究。


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