流程布置對(duì)非共沸制冷劑空冷冷凝器性能的影響-

1、流程布置對(duì)非共沸制冷劑空冷冷凝器性能的影響浙江大學(xué) 張紹志 陳光明 王劍峰摘 要 建立了非共沸制冷劑空冷冷凝器的分布參數(shù)模型,并以R407c為例通過(guò)計(jì)算比較了6種制冷劑流程布置的空冷冷凝器的性能。在6種流程中,以逆交叉流程布置為最佳,以順交叉流程布置為最差。最佳與最差流程布置的冷凝器尺寸的差別隨制冷劑質(zhì)量流速的增加而增大,在質(zhì)量流速為300kg/m2 s時(shí)可達(dá)5 1%。關(guān)鍵詞 非共沸制冷劑 空冷冷凝器 流程布置1 引言在CFC S替代被各國(guó)環(huán)保部門(mén)提上議事日程后,許多國(guó)家展開(kāi)了尋找合適的替代制冷劑的研究工作。經(jīng)過(guò)數(shù)年的努力,對(duì)大氣臭氧層有較大破壞作用的R12、R502等已經(jīng)有了比較令人滿(mǎn)意的替

2、代品,如R134a、R507等?？照{(diào)制冷設(shè)備中廣泛使用的R22為HCFC S,其ODP值為0 04 0 06,GWP值為0 320 37,由于它仍具有臭氧層消耗作用及較高的溫室效應(yīng),因此被列入逐步禁用范圍,現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出的R22替代品有R407c、R410a等。在R22替代品中,有一些是非共沸制冷劑,它們?cè)谡舭l(fā)與冷凝過(guò)程中存在溫度滑移,如R407c在大氣壓力下的溫度滑移為7 1。溫度滑移的存在使得換熱器的設(shè)計(jì)與使用純質(zhì)時(shí)有所不同,如存在夾點(diǎn)1。流程布置會(huì)改變傳熱溫差的分布,從而對(duì)換熱器性能有較大的影響2、3。作者曾對(duì)使用R407c作制冷劑的空氣表冷器進(jìn)行過(guò)模擬計(jì)算,在所比較的4種流程中,最好與最差

3、流程間的換熱器尺寸相差8 72%4。冷凝器與蒸發(fā)器一樣是制冷系統(tǒng)的重要組成部分,已有研究探討流程布置對(duì)它的性能的影響,如文獻(xiàn)5研究了流程布置對(duì)R22冷凝器的影響,但研究流程布置對(duì)非共沸制冷劑冷凝器性能的影響的文獻(xiàn)還不多見(jiàn)。為此,作者擬建立使用非共沸制冷劑的空冷冷凝器的分布參數(shù)模型,并進(jìn)行數(shù)值求解,探討不同制冷劑流程布置對(duì)空冷冷凝器尺寸大小的影響。2 空冷冷凝器的數(shù)學(xué)模型圖1顯示了空冷冷凝器的6種流程布置。對(duì)于其中任何一種布置,可將換熱器劃分成若干離散單元,如圖2所示。制冷劑節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)(i,k中的i表示制冷劑流程中的第i根管,k表示該根管上的第k個(gè)節(jié)點(diǎn)?？諝夤?jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)(i,j,k中的i,j 表示空氣

4、流動(dòng)方向上的第i排第j根管,k表示該根管上的第k個(gè)節(jié)點(diǎn),下標(biāo)r代表制冷劑,下標(biāo)a 代表空氣,下標(biāo)in表示進(jìn)口,下標(biāo)out 表示出口。圖1 流程布置圖2 離散單元對(duì)每個(gè)單元都可以建立傳熱與能量平衡的方53Vol.29,No.1,2001 FLUID MACHINE RY 收稿日期:2000!07!17程如下:q =ma (T a,out ,k,j ,i -T a,in,k,j ,i =m r (T r,i,k +1-T r,i,k (1q=(T r,i,k +1+T r,i,k /2-(T a,in,i ,k,k +T a,out ,i,j,k /21h a A 0 0+ t k t A 0 0

5、+1h f ,a A 0 0+1h r A i (2式中 A i 、A 0!管內(nèi)外側(cè)換熱面積 k t 、 t !銅管壁的導(dǎo)熱系數(shù)、厚度0!翅片效率 h r 、h a !制冷劑、空氣側(cè)的換熱系數(shù) H f ,a !空氣側(cè)污垢熱阻對(duì)于空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算,采用文獻(xiàn)6推薦的適用于流體流過(guò)整張平套片管管簇的換熱公式。制冷劑側(cè)換熱系數(shù)的計(jì)算可分為兩種情況:全部是汽體或液體的單相區(qū)與汽液共存的兩相區(qū)。對(duì)于單相區(qū),根據(jù)Re 數(shù)的不同分別采用Hausen 、Gnielinski 、Dittus-Boelter 關(guān)聯(lián)式:Nu =3 65+0 0668(d/x RePr1+0 04(d /x RePr 2/3(

6、Re <2300 (3Nu =0 0214(Re 0 8-100Pr 0 41+(d L2/3(T f T w0 45(2300#Re #10000(4Nu =0 023Re 0 8Pr 0 4 (Re >10000(5對(duì)于兩相區(qū),采用文獻(xiàn)7提供的冷凝換熱公式(因形式十分復(fù)雜,本文略。制冷劑在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)壓力降的計(jì)算同樣可分成兩種情況,對(duì)于單相區(qū),根據(jù)Re 數(shù)的大小選擇不同關(guān)聯(lián)式:=64/Re (Re <2300(6=0 3164/Re 0 25 (2300#Re #105(71=2 03lg Re -0 8 (Re >105(8對(duì)于兩相區(qū),采用文獻(xiàn)8提供的關(guān)聯(lián)式:(!p

7、 t p (!p lo=12 82X -1 47tt(1-x 1 8(x #75% (9(!p t p (!p vo =1+2 82X 0 525tt(x >75%(10X tt =(1-x x 0 9(v l 0 5(#l #v0 1(11制冷劑在從一根管進(jìn)入另一根管時(shí),因高度差造成的壓降如下:!p =v x +l (1-x g !z (12銜接兩根管的彎頭處的壓降取為等效長(zhǎng)度為50倍直徑的直管段上的壓降,并假定彎頭與外界沒(méi)有熱交換。3 結(jié)果與分析在對(duì)每個(gè)離散單元建立方程后,在已知進(jìn)口制冷劑狀態(tài)與流量、進(jìn)口空氣狀態(tài)與流量時(shí),進(jìn)行迭代求解可以得到冷凝器的尺寸,計(jì)算步驟如下:(1令空氣側(cè)節(jié)

8、點(diǎn)狀態(tài)不變,對(duì)制冷劑側(cè)節(jié)點(diǎn)從進(jìn)口到出口進(jìn)行更新;(2保持制冷劑側(cè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)不變,對(duì)空氣側(cè)節(jié)點(diǎn)沿流動(dòng)方向逐一更新;(3重復(fù)步驟(1、( 2直到每個(gè)空氣側(cè)節(jié)點(diǎn)前后兩次計(jì)算圖3 6種流程布置下的溫度及壓力分布54 流 體 機(jī) 械 2001年第29卷第1期值相差小于0 002;(4修正換熱管的長(zhǎng)度,重復(fù)步驟(1至(3,直到出口制冷劑過(guò)冷度滿(mǎn)足要求(本文中取為50 1。在非共沸制冷劑中,R407c是近年來(lái)被研究得最多的,故本文將以它做制冷劑。其熱力學(xué)性質(zhì)采用文獻(xiàn)9提供的改進(jìn)PR型狀態(tài)方程計(jì)算,而汽液相的導(dǎo)熱系數(shù)、粘度等熱物理性質(zhì)則根據(jù)文獻(xiàn)10、11提供的公式計(jì)算或根據(jù)文獻(xiàn)12提供的方法估算。圖3給出了一組

9、計(jì)算得到的圖1所示6種流程布置下制冷劑的溫度與壓力分布曲線(xiàn),計(jì)算條件為:制冷劑質(zhì)量流速200kg/m2 s、進(jìn)口溫度90、空氣進(jìn)口溫度35、迎面風(fēng)速2 5m/s。從圖上可以看出,溫度曲線(xiàn)基本是重合的,在單相區(qū)曲線(xiàn)較陡,而在兩相區(qū)則較為平緩,壓力曲線(xiàn)則不盡類(lèi)似,流程(c、(d、(e的壓力曲線(xiàn)走勢(shì)是先降后升,后期升高主要是由重力因素引起的。而流程(a、(b、(f的壓力曲線(xiàn)則是單調(diào)下降。表1各種流程布置下的換熱管長(zhǎng)度流程布置(a(b(c(d(e(f100kg/m2 s 200kg/m2 s 300kg/m2 s 0 3240 5310 7420 3350 5540 7800 3250 5310 74

10、40 3350 5530 7790 3270 5380 7540 3270 5370 751表1給出了制冷劑質(zhì)量流速分別為100、200、300kg/m2 s時(shí)6種流程布置所對(duì)應(yīng)的傳熱管長(zhǎng)度。屬于逆交叉流的(a、(c布置所需的換熱管長(zhǎng)度最短,交叉流布置的(e、(f居中,而以順交叉流的(b、(d布置所需換熱管最長(zhǎng)。從流程布置(a與(c、(e與(f、(b與(d的對(duì)比可以看出,制冷劑從換熱器的上部還是下部進(jìn)入對(duì)換熱效果幾乎沒(méi)有影響。對(duì)應(yīng)于6種質(zhì)量流速,6種流程布置中最佳與最差布置的差別分別達(dá)3 4%、4 3%、5 1%。由此可見(jiàn),冷凝器流程的布置對(duì)空冷冷凝器的性能有一定影響,在制冷劑質(zhì)量流速較高時(shí)尤

11、其值得注意。4 結(jié)論本文建立了制冷劑為非共沸工質(zhì)的空冷冷凝器的分布參數(shù)模型,討論了求解方法。文中以R407為例進(jìn)行了計(jì)算,給出了6種流程布置下的制冷劑溫度與壓力的分布曲線(xiàn),并比較了各種流程布置所需的換熱面積。在各種流程中,以逆交叉流為最佳,交叉流居中,而以順交叉流為最差,最佳與最差流程的換熱器尺寸差別隨制冷劑質(zhì)量流速的增加而增大。在質(zhì)量流速為300kg/m2 s 時(shí)該差別可達(dá)5 1%,因此流程布置的影響值得在設(shè)計(jì)時(shí)予以注意。參考文獻(xiàn)1 Venkatarathnam G et al.Occurrence of pi nch points incondensers and evaporators

12、for zeotropic refrigeran t2 Franco R,Curtis O P.Thermodynamic optimization ofevaporators with zeotropic refri gerant mixtures,ASHRAE Trans.,1996;(2:3673723 Cecilia G,Lennart V.Changes i n op timal desi gn of adry-expansion evaporator when replacing R22wi th4 張紹志等 制冷劑流程布置對(duì)非共沸制冷劑換熱器的影響 第九屆全國(guó)冷水機(jī)組與熱泵技術(shù)學(xué)

13、術(shù)會(huì)議論文集,19995 Wang C C et al.Effect of circuit arrangement on thefrig.,1999;(6:2752826 張祉佑主編 制冷原理與設(shè)備 機(jī)械工業(yè)出版社,19877 Dobson M K et al.Condensaton in s mooth horizon taltubes,J.Heat Transfer,trans.AS ME,1998;(1:1932138 Jung D S et al.Prediction of pressure drop during horizon tal annular flow boiling of pure and mi xed refriger9 Nagel M and Bier K.Vapor-liquid equilibriu m ofternary mixtures of the refri gerants R32,R125and10 Srinivasan K,Oellrich L R.Saturated liq uid thermalconductivi ty correlations for some new refrigerants,In tJ.Energy Re