هیدرولیک مبدل های حرارتی چندلایه با جریان متقاطع
چکیده
این مقاله تحلیلی ترموهیدرولیک مبدل های حرارتی لوله ای فین دار با جریان متقاطع برای واحد بیرون از ساختمان در کاربردهای تهویه مطبوع مسکونی و پمپ حرارتی ارائه می دهد. عملکرد مبدل های حرارتی به طور چشمگیری بر راندمان انرژی سامانه و اندازه سیستم تهویه و پمپ حرارتی تأثیر می گذارد. معادلات ناویر-استوکس و معادله انرژی در حوزه محاسبات سه-بعدی حل شده اند که چندین نوع از مبدل های حرارتی لوله ای فین دار را در بر می گیرد. به جای اینکه به طور مستقیم میدان های جریانی و دمایی برای مبدل حرارتی بیرون از ساختمان را حل کنیم، ردیف لوله فین دار توسط یک واسطه متخلخل با نفوذپذیری مشابه تخمین شده است که با استفاده از حل سه بعدی حجم محدودی از المان فین دار دوره ای برآورد گردیده است. این اطلاعات برای انجام محاسبات میدان جریان کل سامانه مورد نیاز و از نظر زمانی به صرفه اند. میدان جریان و انتقال حرارت مربوطه برای بازه ی وسیعی از سرعت در سطح و آرایش لوله های فین دار مورد بررسی قرار گرفته اند و نتایج در مقایسه با داده های تجربی ارائه گردیده اند. افت فشار پیش بینی شده و نرخ انتقال حرارت برای سرعت های مختلف ورودی با داده های اندازه گیری شده مطابقت بالایی دارند.
1- مقدمه
مبدل های حرارتی فین و لوله به دلیل دارا بودن مشخصه های بسیار مطلوب نظیر اندازه کم و سادگی تولید، به طور وسیعی در تهویه مطبوع و پمپ های حرارتی مناطق مسکونی کاربرد دارند. عملکرد مبدل های حرارتی (کندانسور و اواپراتور) برای سیستم های فشرده سازی بخار به طور چشمگیری بر بازده و اندازه سیستم پمپ حرارتی مؤثرند. محققان زیادی در راستای بهبود عملکرد این سامانه کارهای مختلف عددی و تجربی را به انجام رسانده اند [1-12]. کیم و همکاران [1] تحلیل عددی و تجربی مهمی در زمینه عملکرد هیدروترمال مبدل های حرارتی فیندار روزنه ای به عمل آورده اند. سلیم و کیم [2] در بازه عدد رینولدز 50 الی 450 تأثیرات تغییر گام روزنه ها را بر عملکرد هیدروترمال سمت هوای مبدل حرارتی ریزکانال به صورت عددی بررسی نموده اند. بریگنولی و همکاران[3] تأثیر شرایط انتقال سیال و دمای مبرد را در مبدل ها اندازه گرفته اند. آن ها یک مدل که سیکل سرمایش را با پروفایل های دمایی ورودی شبیه سازی می کند را ساختند. این مدل همچنین توانایی بهینه سازی شار جرمی مبرد در راستای بهبود عملکرد سیستم را دارد. یاشار و همکاران[4] با استفاده از الگوی جنت، روشی در طراحی مدار مبدل حرارتی ایجاد کردند. یاشار و همکاران[5] مطالعه ای بر روی بهینه سازی مدار مبرد انجام دادند و اعلام نمودند که ظرفیت مبدل و سیستم با استفاده از مدار بهبود یافته را می توان به ترتیب تا 2/7 % و 2/2 % افزایش داد. کیم و بولارد [6] عملکرد سامانه را برای یک سیستم تهویه با اتاقک پنجره دار به همراه کندانسور ریزکانال بررسی نمودند و نتایج را با سامانه معمول حاوی کندانسور لوله و فین مقایسه کردند. آن و همکاران [7] و آن و چوی [8] مطالعه ای عددی بر عملکرد ترموهیدرولیک مبدل حرارتی فین-لوله تحت شرایط خشک و تر بررسی کردند. همچنین تأثیر پیکربندی مبدل حرارتی بر عملکرد سیکل سرمایش توسط سابویا و همکاران [9] و کلین و ریندل [10] مورد بررسی قرار گرفته است. تلاش های بسیاری در راستای بدست آوردن روابط دخیل در انتقال حرارت انجام گرفته است که برای مثال می توان از اعداد رینولدز، فاکتور j کولبورن، فاکتورهای f اصطکاک و ... نام برد.
abstract
This paper presents thermal hydraulic analysis of the cross-flow finned tube heat exchangers for an outdoor unit in residential air-conditioning and heat pump applications. Performance of heat exchangers affect significantly the system energy efficiency and size of the air-conditioning and heat pumps. The Navier-Stokes equations and the energy equation are solved for the three dimensional computation domain that encompasses multiple rows of the fin-tube heat exchangers. Rather than solving the flow and temperature fields for the outdoor heat exchanger directly, the fin-tube array has been approximated by the porous medium of equivalent permeability, which is estimated from a three dimensional finite volume solution for the periodic fin element. This information is essential and time-effective in carrying out the global flow field calculation which, in turn, provides the face velocity for the microscopic temperature-field calculation of the heat exchanger. The flow field and associated heat transfer for a wide range of face velocity and fin-tube arrangements are examined and the results are presented compared with experimental data. The predicted pressure drop and heat transfer rate for various inlet velocities are in excellent agreement with the measured data.
1. Introduction
The fin and tube heat exchangers are widely used in residential air-conditioning and heat pump applications because of its highly desirable properties such as compactness and manufacturing easiness. The performance of heat exchangers (condenser and evaporator) for vapor compression system affect significantly the efficiency and size of the heat pump system. Many investigators have conducted various experimental and numerical works on heat exchangers to improve system performance [1–12]. Kim et al. [1] conducted a critical review of numerical and experimental studies on the thermal hydraulic performance of louvered fin heat exchangers. Saleem and Kim [2] investigated numerically the effect of louver pitch variation on the air-side thermal hydraulic performance of microchannel heat exchanger in Reynolds number of 50–450. Brignoli et al. [3] evaluated the effect of transport properties of fluid and refrigerant temperatures in heat exchangers. They developed a model which simulates the refrigeration cycle with inlet temperature profiles. The model is also capable of optimizing the refrigerant mass flux in order to improve the system performance. Yashar et al. [4] developed heat exchanger circuit design method with genetic algorithm. Yashar et al. [5] conducted the refrigerant circuit optimization study and they reported that the capacity of heat exchanger and system with optimized circuit can be improved by 7.9% and 2.2%, respectively. Kim and Bullard [6] investigated system performance for a window room airconditioning system with microchannel condenser and compared the results with the conventional system with fin and tube condenser. An et al. [7], and An and Choi [8] conducted numerical study on thermal hydraulic performance of fin-tube heat exchangers under dry and wet conditions. Effect of heat exchanger configuration on refrigeration cycle performance was also investigated by Saboya et al. [9] and Klein and Reindl [10]. A great deal of efforts have been put into obtain heat-transfer correlations involving, for instance, Reynolds numbers, Colburn j-factor, friction f-factors, etc.
چکیده
1- مقدمه
2- تحلیل و مدل سازی
3- نتایج و بحث
4- نتایج
Abstract
1. Introduction
2. Analysis and modeling
3. Results and discussion
4. Conclusions
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه