散热器安装模式对采暖效果的影响

   日期:2018-12-21     来源:网络    浏览:1203    
核心提示:  目前,建筑物室内供暖方式很多,主要分为散热器对流采暖和地板辐射采暖2种方式,但根据我国国情,以水为热媒的散热器仍然是
   目前,建筑物室内供暖方式很多,主要分为散热器对流采暖和地板辐射采暖2种方式,但根据我国国情,以水为热媒的散热器仍然是我国最为普遍使用的冬季采暖手段。采暖散热器的使用在目前的供热方式中仍占主导地位。关于散热器对流采暖研究的数值计算和传热特性等方面,国内外已经有大量的研究。
 
  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。
 
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