散热器安装模式对采暖效果的影响

 

　　本文基于高效节能的冷凝式壁挂炉，将散热器作为其供暖末端设备，建立散热器采暖房间的三维几何模型，利用SC/Tetra软件对其进行数值模拟，比较散热器的不同安装模式在相同工况下的采暖效果，为实际工程应用提供理论依据。

 

　　1、冷凝壁挂炉采暖系统介绍

 

　　该系统结构原理图，如图1所示。

　　图1 冷凝壁挂炉采暖系统结构原理图

 

　　冷水经由冷凝壁挂炉中天然气燃烧加热，所产生的热水温度由冷凝壁挂炉控制和设定。热水经由采暖水出口阀门以及分集水器，流入散热器供水入口，在散热器中，热媒水通过由翅片表面与周围空气进行自然对流换热。经过散热器后，热媒水通过回水管道，回到冷凝壁挂炉中继续加热，整个系统构成一个循环。散热器材质采用铜铝，其供暖方式主要是以自然对流换热为主，辐射换热为辅。

 

　　2、模型建立与分析

 

　　2.1 几何模型的建立

 

　　本文选取某北向实验室作为研究对象，其实验室的内部测量尺寸为8.40m×4.00m×3.05m。该实验室南墙和北墙与室外相邻，东、西两侧墙则与其他房间相邻。其中南墙上设有玻璃窗。房间的布局如图2所示。以西南方向墙角作为坐标原点，采用直角坐标系对实验进行模拟研究，X正向为正北方向，Z正向为正东方向。

　　图2 实验室的尺寸结构图

 

　　本文考虑A、B、C、D，4种散热器的安装模式，分别如下：①A为单个900W的散热器，安装在东墙正中央处，距离地面518mm；②B为2个450W的散热器，均安装在东墙一侧，距离南北墙分别为1670mm，距离地面518mm；③C为东西两侧墙的正中央各安装1个450W的散热器，呈对称布置，距离地面均为518mm；④D为沿着房间的对角线方向上东西墙上各安装1个450W的散热器，其中1个距离北墙1670mm，另一散热器则距离南墙1670mm。

 

　　2.2 边界条件设置

 

　　将实验室房间的三维立体模型导入SC/Tetra，设定初始条件和边界条件：供水温度设为70℃； 墙、窗户、门、散热器的材质分别设为混凝土、玻璃、木头以及钢，外墙的传热数为0.51W/(m2·K)，对流换热系数为5W/(m2·K)。为简化计算，假设室内温度，四周墙壁及房顶地面温度均为10℃。整个房间空气流动视为湍流，辐射为自然对流辐射。采用双精度求解器，RANS流动类型，标准κ-ε模型，流场计算采用SIMPLE算法。划分网格，实现对整个房间温度场的模拟求解。

 

　　2.3 模拟结果分析

 

　　经过模型的后处理，可得到散热器不同安装模式相应的温度场和速度场。温度和速度分布取值截面如图3所示，在上文所述A、B、C、D，4种散热器的安装模式下，在Y=1.5m，Z=2.0m截面处温度分布如图 4所示。由图4可以直观地看出，在达到稳态时，墙的一侧安装2个散热器的采暖效果最好且温度分布均匀；其次，散热器沿对角线方向和对称安装这2种模式的温度曲线相近，对称安装模式下，温度曲线中央要比南北两侧略高0.3℃，这是由于散热器安装在房间中部，且对称放置的，对于房间的南部和北部采暖不够充分。

　　图3 温度和速度分布取值截面Z=2.0m

　　图4 Z=2.0m截面温度分布

 

　　图5是另一温度和速度分布取值剖面，图6则是在4种散热器安装模式下，高度Y=1.5m，截面位置X=4.2m处的温度分布曲线图。图中B、D模式下的温度分布相似，均匀且平稳；在A、C模式下，由于所取截面恰好是在散热器的安装位置处，而在散热器正上方，由于气流的作用，其温度要明显高于其他区域。对于模式A，散热器只安装在东墙的一侧，因而随着Z轴位移的减小，温度逐渐降低。

　　图5 温度和速度分布取值截面X=4.2m

　　图6 X=4.2m截面温度分布

　　图7 Z=2.0m截面速度分布

　　图 8 X=4.2m截面速度分布

 

　　图7反映了Y=1.5m，Z=2.0m截面上速度分布情况。很显然，A安装模式下的散热器采暖，所导致的周围气流速度变化幅度较大，且气流的速度总体上都高于其他3种安装模式，而在B、C、D这3种模式下，该截面上的气流速度则较为平稳。

 

　　图8是高度为Y=1.5m截面位置是X=4.2m处的速度分布曲线图。

 

　　A模式下，靠近东墙的正上方气流速度明显远高于其他3种模式。而C、D，2种模式，房间中央处于速度量波谷处，从房间中部向房间两侧方向延伸，气流速度逐渐上升。B模式相比较其他模式，平均气流速度最小，曲线也最为平稳。

 

　　3、结语

 

　　本文通过对数值模拟结果的分析，可以得出如下的结论：

 

　　1)在散热器的功率之和相等的条件下，单散热器在采暖方面与其他安装方式相比，在房间内的温度分布较为不均匀，局部波动性大；而双散热器在温度分布和气流速度分布上，比单个散热器要更为稳定。作为研究主体的房间模型，东西宽度为4.00m，在这种情况下，2个散热器采取同侧安装和沿对角线安装方式相比较其他2种方式更合理，舒适性相对较高。

 

　　2)在本次模拟研究中，同等的条件下，从采暖温度或是气流速度上比较，散热器同侧的安装方式比沿对角线方向安装的方式较好。随着房间模型的变化，尤其是宽度变化，散热器安装模式的选取还会发生变化，这将在以后的实验模拟中继续研究。