开启屋顶供热机组热潮

作者:Chait Johar,美国塔尔萨市AAON Inc.项目工程师

在设计新型屋顶供热机组时,AAON工程师需要增加气流,同时保持与此前设计方案相同的封装。设计团队采用ANSYS计算流体动力学(CFD)软件计算了流经供热机组的热交换器中的气流,并且迭代设计以满足能效、气流和热传递的要求。与传统设计方法相比,此项目采用仿真技术可以节约60~80个小时的实验室工作。

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Turn Up the Heat in a Rooftop Heating Unit

simulation for HVAC 

AAON屋顶整体式机组集成了管式热交换器和空气处理系统,能够实现商业和工业建筑的高效供热。为了设计屋顶供热机组所采用的管式热交换器,工程师必须最大限度地提高管道中的热气与机柜中的空气之间的传热递。这样能够实现高水平的能源效率。此外,该机组还必须能够承受环境中的使用条件,同时最大限度地降低成本与尺寸。

过去,设计过程需要构建原型并执行物理测量,如:测量传送到机组中的气流的热量。在过去几年中,AAON逐渐转向采用前期仿真技术来优化气流和热传递,这些工作都在构建物理原型之前完成。仿真比构建和测试原型需要花费更少的时间,而且能够提供更全面的诊断信息,从而使工程师能够更快速地通过迭代获得精心优化的设计。AAON工程师实现了物理空间、换气和热效率目标,同时节约了60~80个小时的手动实验室工作。

AAON RQ
AAON RQ 系列屋顶机组具备出色的性能、灵活性与适用性。
heating unit
仅配备换热管(8根管)和风机的机组框架

热交换器设计挑战

在设计新型屋顶机组时,工程师必须提高换气能力,同事保持与前代产品相同的高效率和封装。热气进入热交换器,被分配到内部换热管,然后从机组中排出。新鲜空气进入机组为下一个燃烧循环提供氧气。热交换器的外壳将风机吹动的空气流引导到换热管。传统设计方法依靠手册公式和工程判断,其通常关注热气体和流经机柜的冷却空气之间产生对流热传递的表面区域。机组的传热能力与效率主要依赖于经过换热管的气流:气流应当围绕输送热气的换热管均匀分布。

构建测试法的主要局限是通常无法考虑流动几何特性,因此必须在流经机组的气流分布方面做出假设。由于传统设计过程本身存在误差,在完成初始概念设计之后,很快就需要在实验室中构建原型并进行测试。上述过程需要大约8个工作日。在此阶段,相关结果很难达到产品要求,因此工程团队需要不断开展构建和测试原型的迭代过程。工程师在换热管外部放置热电偶,用于准确测量原型的热性能。但是它无法准确测量换热管周围的气流,因此这些测试能够提供的关于流型如何影响热性能的诊断信息少之又少。

centrifugal fan simulation

离心风机的轴向、径向和切向矢量分量可通过物理测试确定。

"仿真比构建和测试原型需要花费更少的时间,而且能够提供更全面的诊断信息,从而使工程师能够更快速地通过迭代获得精心优化的设计。"

仿真驱动设计过程

AAON在过去几年中逐渐采用了新的方法,即工程师通过仿真技术能够以更少的时间评估更多的设计迭代。仿真可以提供更多的诊断信息,而且可以快速迭代,直到获得精心优化的设计方案。在设计新型RQA-B 屋顶机组时,工程师需要通过与现有机组相同封装但是更高的机组来输送更多热量和空气。新机组必须达到81%的能效并在所有销售区域得到认证。

工程师创建了初始设计迭代,而且在ANSYS CFX计算流体动力学软件中建立了机组模型。蒙大拿州立大学波兹曼分校的一名硕士生采用物理测试方法确定了不同离心风机尺寸和速度所产生的气流的轴向、径向和切向矢量分量,其中离心风机尺寸和速度是到风机旋转轴的距离的函数。这些值可用作 CFD 模型中的边界条件。壁面函数法可用于模拟更少单元数量的边界层特征。在换热管附近的流体域采用膨胀层可提供足够精细的网格,进而准确捕获此区域,该区域的气流速度、压力和温度发生快速变化。尤为重要的是需要将网格的第一个节点布置在换热管末端。基于被称为y+的局部单元流速的无量纲距离可以确保此区域达到容许的仿真精度。由于本例采用了k-ε湍流模型,因此建议采用低于100的y+值。AAON工程师调整了网格,以确保y+低于100。

heating unit simulation
初始运行显示了空气离开风机并离开机柜。大部分空气并未流经换热管。
heating unit simulation
增加挡板可改变气流方向并改善气流分布。
heating unit simulation
流线显示出整个机柜的温度变化。
heating unit simulation
机组横截面的温度显示了空气温度在机柜下游升高。

AAON减少物理原型

仿真结果表明,初始设计的能效远远低于所要求的水平。此外,AAON工程师也创建了初始设计的原型,并且采用它来验证仿真结果。AAON工程师从机柜和换热管中的气流与温度分布可以看出,流经换热管的大部分气流并未与其接触就流出出口。根据上述结果,AAON工程师在机柜中增加了挡板,以改变之前绕过换热管的气流的流向。利用仿真技术,他们能够以数字方式探索不同挡板位置与几何结构以及换热管相对于薄板的不同位置。

每次仿真在单核上需要运行6~8个小时,因此AAON工程师在晚上下班时可以设置执行多次运行。他们目前采用4核计算机,从而把求解时间缩短到1.5~2个小时。工程师根据流动仿真结果迅速迭代出一款可以更高效地将空气引导进机柜的设计方案。流经换热管表面的空气平均流速提高了近25%,而且以相同流速经过机柜时流经出口的温度提高了好几度。工程师构建了优化设计方案的原型,其结果与仿真结果非常匹配,能够达到82%的能效。AAON目前正加大新型屋顶机组的生产并准备投放市场。AAON测试实验室经理预计,在此项应用中,仿真技术节约了60~80个小时的物理实验室工作,这意味着节约了大笔的成本。与采用构建测试法相比,仿真能实现更快的产品上市进程,进而提高营收。

CFD velocity simulation
初始设计的流速图显示大部分空气流经机柜外围。
CFD velocity simulation
增加挡板的最终设计方案的流速图显示更多的空气流经换热管。

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