用于冷梁的翅片换热器的性能研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 26.7MB 63 页 15积分

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用于冷梁的翅片换热器的性能研究

摘要

随着社会经济科技的发展，空调系统在建筑领域的应用越来越广泛，辐射空

调系统较常规空调系统有着舒适节能的特点，而逐渐受到重视。冷梁是一种新型

的末端送风装置，是辐射空调的一种末端类型。20 世纪 80 年代，冷梁空调技术在

欧洲萌芽，因其均匀的气流组织，美观的外形，紧凑的结构，节能舒适等特点，

在欧州和美国逐渐发展。国内，冷梁空调技术的发展较迟，在实际应用中也没有

普及，较多的还是实验研究。

2014 年全国能源工作会议上指出空调耗能所占的整个建筑耗能的 65%以上，

能源问题是世界公认的四大问题之一，因此改变传统能耗结构，提高空调运行效

率是提高能耗效率的主要途径。冷梁中诱导规律（即诱导比）和翅片换热系数是

冷梁系统的基本特性也是影响整个冷梁空调系统能耗的重要参数。因此本文主着

力点是研究冷梁末端诱导射流规律，并探究冷梁的翅片在微小风速下翅片间空气

的换热系数及阻力。

本文采用 CFD 模拟结合实验验证的方法研究冷梁诱导送风规律，设定一次风

量，模拟计算二次风量，确定不同喷嘴直径下冷梁送风诱导比，寻找冷梁喷嘴直

径与诱导比的关系。同时在合理简化翅片换热器模型的基础上，建立翅片结构的

微元模型，理论分析二次风在翅片间对流传热系数。利用 Fluent 软件对二次风通

过翅片进行三维模拟，详细绘制空气侧温度场，压力场分布的等值图及翅片温度

分布的等值图，通过软件 Report 功能求得层流状态下翅片换热器的传热系数及翅

片前后压降。

本文的重点是如何准确测量二次回风的微风速和温差，本文通过间接测量水

侧的热量和通过 PT100 测量二次回风进出口温度的方法间接计算二次风量的方法

是本文的核心，对比分析数值模拟翅片间对流传热系数，模拟和实验表明：在层

流换热状态下，换热系数大大降低，为 20W/m2.K 左右。随着二次迎面风速的提高

对流换热系数逐渐增大，但增长趋势逐渐放缓。同时也揭示了翅片间对流换热系

数和冷冻水流量、冷冻水供水水温之间的关系，实验表明冷冻水温也是影响对流

换热的关键因素，并分析翅片换热器前后压降与二次迎面风速的关系。

关键词：主动式冷梁诱导比翅片换热器传热系数数值模拟

ABSTRACT

Along with the development of social economy and science, the radiant air-

conditioning system has been gradually paid attention with being more energy-efficient

than the conventional air conditioning system. Chilled beam is a new ventilation

terminal, and the chilled beam system belongs to the radiant air-conditioning system

according to its refrigeration principle. In the 1980 of the 20th century, the chilled beam

technology sprouted in Europe and got a rapid development in Europe and the United

States because of its features of uniform air distribution, beautiful appearance, compact

structure, energy saving and comfort. Internally, the chilled beam technology developed

late and is not yet common in practical applications with more experimental researches.

The proportion of air conditioning energy consumption in the total building energy

consumption and the energy issue is recognized worldwide as one of the four questions,

which requires us to change the traditional energy structure and improve the efficiency

of air conditioning for improving energy efficiency. The induction law(induction ratio)

and fin heat transfer coefficient are the basic characteristics of chilled beam system and

the important parameters influencing the entire air-conditioning system energy

consumption. Consequently, this paper mainly studies the induction law of the chilled

beam, and explores the secondary air flow state and heat transfer coefficient of the fin

under tiny wind speed.

This article adopts the method of CFD simulation combined with experiment in the

research of air distribution rule of active chilled beam. Firstly,we set first airflow

volume,than calculate the secondary air volume for different nozzle diameter by

simulation,so it can choose the best nozzle diameter in chilled beam.On the basis of

simplifying the fin heat exchanger fin structure reasonably,we set up infinitesimal model

structure,and theoreticaly analysis the secondary air flow condition and heat transfer

coefficient between the fin by Fluent software.In adition,we detailed drawing air

temperature field, stress field distribution of the equivalent figure and fin temperature

distribution in the contour,and obtained the heat transfer coefficient of finned heat

exchanger in laminar flow condition.

In the experiment,it is necessary to test temperature and wind speed of the secondary

air,it is difficult to test the small air velocity accurately.This paper puts forward a

method to calculate secondary air volume by measuring the heat in the water side.On

contrast to analysis and numerical simulation of convective heat transfer coefficient

between the fin,it is showed that in the laminar condition, heat transfer coefficient

between the fin is much smaller,about 20W/m2.K.With the secondary air speed

improving,heat transfer coefficient grows slowly.At the same time,the article tries to

find the relationship between heat transfer coefficient with freezing water flowing rate

and water temperature.We can draw a conclusion from the experiment, freezing water

temperature is the key factor that influences the convective heat transfer.

Key Word：Active chilled beams,Induction ratio,Heat exchanger,Heat

transfer coefficient, Numerical simulation

目  录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论.....................................................................................................................1
1 引言......................................................................................................................1
2 冷梁空调系统的简介..........................................................................................2
2.1 辐射空调系统的分类................................................................................2
2.2 主动式冷梁简介........................................................................................4
3 冷梁的国内外研究现状......................................................................................6
3.1 国外研究现状............................................................................................6
3.2 国内研究现状............................................................................................7
4 冷梁的应用..........................................................................................................8
5 课题主要研究内容..............................................................................................9
第二章 主动式冷梁射流送风及传热理论....................................................................10
1 主动式冷梁诱导性能分析................................................................................10
1.1 射流原理..................................................................................................10
1.2 冷梁送风气流组织.................................................................................13 
2 冷梁板式翅片换热器对流理论分析................................................................16
2.1 对流传热基本理论..................................................................................16
2.2 空气外掠翅片传热层流分析解..............................................................18
2.3 空气外略翅片阻力分析..........................................................................19
3 本章小结............................................................................................................20
第三章 基于Fluent 的数值模拟....................................................................................21
1 主动式冷梁送风数值模拟................................................................................21
1.1 基本假设..................................................................................................21
1.2 冷梁结构的模型建立与网格划分..........................................................22
1.3 冷梁送风模型边界条件设定..................................................................23
1.4 Fluent 计算及模拟结果...........................................................................25
2 翅片换热器数值模拟........................................................................................27
2.1 模型的建立与网格划分..........................................................................27
2.2 基本假设..................................................................................................29
2.3 翅片模型边界条件设定..........................................................................29
2.4 Fluent 计算及模拟结果...........................................................................30
3 本章小结............................................................................................................36
第四章 冷梁送风的实验设计........................................................................................37
1 实验方案的确定................................................................................................37
2 实验台装置........................................................................................................37
2.1 实验工况..................................................................................................37
2.2 冷梁结构参数.........................................................................................38 
2.3 一次风系统设计......................................................................................38

2.4 冷冻水系统设计......................................................................................42
2.5 二次回风量与温度的测定设计..............................................................44
2.6 PT100 铂电阻测温的标定.......................................................................46
2.7 二次风压力测量......................................................................................47
3 本章小结............................................................................................................48
第五章 实验数据分析与研究........................................................................................49
1 主动式冷梁诱导送风测试................................................................................49
1.1 一次、二次风量测量结果分析..............................................................49
2 翅片换热器对流传热系数................................................................................50
2.1 二次风微风速流动状态..........................................................................50
2.2 二次风传热性能分析..............................................................................51
2.3 翅片压降分析..........................................................................................57
3 本章小结............................................................................................................58
第六章 结论与展望........................................................................................................60
1 课题结论............................................................................................................60
2 课题展望............................................................................................................61
参考文献.........................................................................................................................62

第一章绪论

1.1 引言

在科技发展日新月异的中国，人们对工作、生活、环境的要求越来越高，空调

系统作为调节室内空气温湿度的主要手段，其应用越来越广泛，数量也越来越多

空调的能源消耗占整个办公民用建筑耗能很大比例，空调能耗占整个建筑能耗的

占有率 50%以上[1]，并且每年以一定的速度持续增长中。能源为题是世界公认的四

大生存问题之一[2]，空调的能耗是整个建筑耗能的大头，如何减少建筑耗能，提

高能源利用率的首当其冲的任务就是提高空调运行效率，减少空调耗能，提高能

源的利用率。

冷梁空调系统按照动力驱动方式及结构类型科划分为主动式冷梁

（ACB ，Active Chilled Beams ）和被动式冷梁系统（ PCB ，Passive Chilled

Beams）[1][3]。冷梁主要承担室内显热负荷，与环境之间的热交换主要是通过对流

形式进行。从系统上讲，冷梁系统属于空气-水系统，通过改变进出水温度和流量

大小，调节制冷量。从原理上讲，冷梁是一种带诱导式末端装置的干工况风机盘

管。主动式冷梁和被动式冷梁都是设计为干盘管运行，不产生冷凝水。

主动式冷梁空调系统，集制冷、制热功能于一身，其末端是一种新型诱导装

置，利用一次风的诱导风压的推动作用，使室内空气与冷梁末端二次换热，达到

换热的目的。用于冷梁冷冻水的水温一般16~19℃，制冷机组制冷效率较普通低温

冷冻水机组能提高 20%左右[4]，相较于普通空调系统有节能的优势。且末端装置无

风机，噪音极小。主动式冷梁技术是一项新型的空调技术，能减少空调能耗，提

供舒适安静的室内空气品质，是一项极具未来发展前景的空调技术。图 1-1 为冷梁

空调系统用于建筑的实例。

图1-1 冷梁用于工程的实例

1.2 冷梁空调系统的简介

1.2.1 辐射空调系统的分类

辐射空调供冷是指降低维护结构内表面中一个或多个表面的温度，形成冷辐

上海理工大学硕士学位论文

射面，依靠辐射面与房间内的人、家具及维护结构其余表面的辐射热交换进行降

温的技术方法[4]。辐射供冷与环境的热交换一般有两种形式，即辐射与对流，根据

各自所占总换热量的比例不同，通常将辐射空调末端分为辐射式和对流式两种。

辐射供冷末端产品分类见图1-2 所示[4]。

主动式冷梁

冷梁

对流式被动式冷梁

吊顶式

辐射供冷

吊顶式

毛细管式

辐射式楼板式

混凝土式

冷帆

图1-2 辐射空调系统分类图

冷梁空调按照换热方式的不同属于辐射空调中对流式空调系统，按照是否有

冷新风的供给冷梁空调分为主动式冷梁和被动式冷梁两种[4]。主动式冷梁其主体为

外壳，一次新风送风系统，翅片换热器，面板等。主动式冷梁主要依靠外部强制

手段使室外新风进入室内，由于冷梁末端喷嘴结构而形成空气射流诱导作用进入

室内的过程，被送入室内的新风承担房间的湿负荷和一部分冷负荷，室内空气在

一次新风射流诱导的作用下通过冷梁翅片换热器进行二次换热，达到制冷效果。

主动式冷梁可以夏季制冷，冬季制热，而被动式冷梁只能产生制冷作用。被动式

冷梁主要由壳体，翅片换热器，面板组成，悬吊或镶嵌在室内天花板上，通过自

然对流换热，达到制冷效果，下图 1-3 是主动式冷梁系统示意图。

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用于冷梁的翅片换热器的性能研究摘要随着社会经济科技的发展，空调系统在建筑领域的应用越来越广泛，辐射空调系统较常规空调系统有着舒适节能的特点，而逐渐受到重视。冷梁是一种新型的末端送风装置，是辐射空调的一种末端类型。20世纪80年代，冷梁空调技术在欧洲萌芽，因其均匀的气流组织，美观的外形，紧凑的结构，节能舒适等特点，在欧州和美国逐渐发展。国内，冷梁空调技术的发展较迟，在实际应用中也没有普及，较多的还是实验研究。2014年全国能源工作会议上指出空调耗能所占的整个建筑耗能的65%以上，能源问题是世界公认的四大问题之一，因此改变传统能耗结构，提高空调运行效率是提高能耗效率的主要途径。冷梁中诱导规律（即诱...

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