翅片管換熱器流程布置研究現(xiàn)狀與發(fā)展

1、.翅片管換熱器流程布置研究現(xiàn)狀與發(fā)展日期:2006-4-4 12:48:33來(lái)源: 來(lái)自網(wǎng)絡(luò)查看: 大 中 小作者：未知熱度： 166鄧斌, 王惠林 , 林瀾( 廣東科龍電器股份有限公司, 廣東 528303)引言翅片管換熱器廣泛的應(yīng)用于空調(diào)和制冷行業(yè)中 , 為了提高換熱器的性能 , 我們常常采用以下幾種方式來(lái)強(qiáng)化換熱 :(1) 提高換熱系數(shù) ;(2) 增加換熱面積 ;(3) 增加空氣側(cè)和制冷劑側(cè)的平均溫差。第一種方案如果在換熱效果較差的一側(cè)采用強(qiáng)化管( 或強(qiáng)化翅面 ), 或兩側(cè)同時(shí)強(qiáng)化, 能有效地改善換熱器的性能, 但由此也帶來(lái)一些缺點(diǎn), 例如 : 換熱器設(shè)計(jì)成本、耗功的增加。 第二種方案中

2、增加換熱器的換熱面積對(duì)于改善換熱器的性能是一種有效的途徑, 然而在有限的空間中增大換熱器的面積( 即增加空調(diào)的體積) 也是行不通的。在強(qiáng)化換熱的第三個(gè)措施上( 即增大傳熱溫差), 研究人員投入的精力并不多。因?yàn)槿藗兺ǔＵJ(rèn)為當(dāng)高、低溫介質(zhì)一定時(shí), 傳熱平均溫差就隨之而定了。 這種觀點(diǎn)是片面的, 事實(shí)上 , 流程布置對(duì)換熱性能的影響是不可忽略的。對(duì)換熱器流程布置研究的必要性眾所周知 , 當(dāng)高溫、低溫介質(zhì)的進(jìn)口溫度一定時(shí), 逆流換熱比順流換熱有著更大的傳熱平均溫差 , 因而也具有更大的換熱量, 叉流換熱的換熱量處于這兩者之間。這說(shuō)明換熱器流程布置會(huì)改變傳熱溫差的分布, 會(huì)對(duì)換熱量產(chǎn)生影響。對(duì)蒸發(fā)器和

3、冷凝器流程布置的研究比較復(fù)雜, 因?yàn)閷?duì)其造成影響的因素很多。其一 , 管內(nèi)制冷劑經(jīng)歷了相變過(guò)程 ( 例如制冷劑在蒸發(fā)器和冷凝器中一般都要經(jīng)歷過(guò)熱、飽和和過(guò)冷三個(gè)階段), 由此導(dǎo)致了其在換熱和流動(dòng)方面特性的很大改變。其二, 我們希望換熱器有一個(gè)均勻的換熱和流動(dòng)性能( 尤其是蒸發(fā)器) 。然而復(fù)雜的流程布置會(huì)造成傳熱的不均勻性 , 這是我們進(jìn)行流程布置研究尤其是復(fù)雜流程布置研究中應(yīng)盡量避免的。換熱器流程布置不僅僅指換熱管的排列方式, 還包括換熱管組的分叉流動(dòng)等情況。當(dāng)制冷劑流量一定時(shí), 通路數(shù)和分叉與否直接影響制冷劑的流速, 從而也會(huì)影響換熱系數(shù)。因此 , 平均溫差和傳熱系數(shù)對(duì)換熱器的換熱特性影響較

4、大。最優(yōu)的管組連接方式應(yīng)使兩者的綜合效果最佳, 以取得較高的換熱量?？紤]到上述因素, 逆流是不是總是最好的布置方式?對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中的復(fù)雜情況, 換熱管組連接方式對(duì)換熱量有怎樣的影響 ?能不能找到較優(yōu)的連接方式, 使其既能提高傳熱量, 又能滿足實(shí)際情況的需要 ?基于上述考慮, 我們需要對(duì)換熱器流程布置進(jìn)行分析研究。其目的也是通過(guò)制冷劑流程的變化來(lái)增大傳熱溫差, 改善換熱效果, 同時(shí)也使制冷劑在管路中有更好的分布。通過(guò)較優(yōu)的換熱器流程布置方式, 可以達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的, 而且又避免了開(kāi)發(fā)強(qiáng)化換熱管子和強(qiáng)化換熱翅片所需的大量財(cái)力和物力。因此, 這是一項(xiàng)很有意義的工作。國(guó)內(nèi)外的研究狀況對(duì)空調(diào)用換熱器流

5、程布置, 國(guó)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。他們主要是 ， , 和 等。針對(duì)特殊的流程布置提出了一種冷凝器數(shù)學(xué)模型, 該模型基于管對(duì)管的計(jì)算方法, 管排數(shù)只局限于最多兩排, 這是最早的研究?jī)善髁鞒滩贾玫奈墨I(xiàn)。隨后等利用不同的數(shù)學(xué)模型對(duì)蒸發(fā)器和冷凝器流程布置進(jìn)行了研究。從 1991 年起 , 基于傳熱單元法, 利用管對(duì)管的計(jì)算模型開(kāi)發(fā)了一套軟件- 來(lái)研究蒸發(fā)器和冷凝器的流程布置。該軟件能計(jì)算較為復(fù)雜的換熱器流程, 制冷劑種類包括了目前空調(diào)換熱器中大多數(shù)制冷劑, 但其也存在很多缺點(diǎn) , 例如蒸發(fā)器流路沒(méi)有匯合點(diǎn), 冷凝器流路沒(méi)有分叉點(diǎn)等。2000 年新加坡的和將火用分析應(yīng)用于換熱器流程布置, 建立了翅片管

6、換熱器流程布置的分布參數(shù)模型。作者對(duì)“”字形、“雙進(jìn)單出”、 “單進(jìn)雙出”、“單- 雙- 單”這幾種兩排管冷凝器的布置方式進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析( 見(jiàn)圖 1), 認(rèn)為在給定條件下, 當(dāng)選擇合適的分合點(diǎn)之后, “單- 雙- 單”要比簡(jiǎn)單的“”字形布置節(jié)省約5%的面積。通過(guò)對(duì)“”字形流路的研究, 作者發(fā)現(xiàn) , 在過(guò)熱和過(guò)冷段 , 壓降和傳熱系數(shù)都比較小, 因此強(qiáng)化傳熱應(yīng)集中在這兩個(gè)區(qū)域, 兩相區(qū)的熱阻甚至和外部空氣側(cè)熱阻相同( 圖 2-4) 。所以在兩相區(qū)采取雙路布置以減小流速, 降低壓降。 單相區(qū)采取單路布置, 以強(qiáng)化傳熱。 這就演化成“單- 雙- 單”布置方式。最終作者得出結(jié)論: 通過(guò)流路的合理

7、安排, 改變換熱器沿程的冷媒的質(zhì)量流量, 可以達(dá)到改善和提高換熱器換熱效率的目的。近年來(lái) , 流程布置的研究也引起了國(guó)內(nèi)學(xué)者的重視, 但公開(kāi)報(bào)道的較少, 目前只有臺(tái)灣工研院的- , 浙江大學(xué)的張紹志, 以及西安交通大學(xué)的郭進(jìn)軍等。- 在其文獻(xiàn)中對(duì)包括“”字形, “”字形 , “雙進(jìn)雙出”等八種雙排管冷凝器流程布置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 , 逆流“”字形布置是最好的布置方式。作者還同時(shí)觀察到在這些布置中, 不可避免的出現(xiàn)了翅片間的逆向?qū)? 影響了換熱器性能。為消除逆向?qū)? 作者建議抽取迎風(fēng)側(cè)的幾根管子, 或在兩排管中間開(kāi)縫( 圖 5) 。張紹志等建立了非共沸制冷劑翅片管冷凝器的分布參數(shù)

8、模型, 并以 407為例通過(guò)計(jì)算比較了字型順流 , 逆流 , 字型布置等6 種制冷劑流程布置的翅片管冷凝器的性能( 見(jiàn)圖 6) 。經(jīng)分析作者認(rèn)為, 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300 / 2時(shí)可達(dá)5 1%。說(shuō)明冷凝器流程布置對(duì)換熱器換熱性能有一定的影響 , 尤其在制冷劑流速較高時(shí)。.最近, 西安交通大學(xué)的郭進(jìn)軍基于傳熱單元法, 對(duì)空調(diào)用冷凝器和蒸發(fā)器建立了相應(yīng)的數(shù)值模型, 并對(duì)字型 , 字型順流 , 逆流 , 雙進(jìn)單出 , 單雙單以及雙進(jìn)雙出等 6 種不同的流程布置方式進(jìn)

9、行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。該文認(rèn)為“”字形和“”字形 , “單 - 雙- 單”的流程布置較好, 運(yùn)用場(chǎng)協(xié)同理論和等熱流密度原則等傳熱學(xué)基本原理, 從理論上較好的解釋了流程布置對(duì)換熱器換熱性能的影響, 并提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)流程布置的一些基本原則。但該文模擬的換熱器流程管排數(shù)較少, 沒(méi)有考慮風(fēng)扇來(lái)流不均勻性的影響, 同時(shí)也沒(méi)有將管外翅片結(jié)構(gòu), 管內(nèi)結(jié)構(gòu)和流程布置結(jié)合起來(lái)。因此該模型還有待于進(jìn)一步的改進(jìn)和發(fā)展。國(guó)內(nèi)各空調(diào)公司對(duì)流程布置研究的認(rèn)識(shí)從國(guó)內(nèi)各空調(diào)公司的實(shí)際情況來(lái)看, 由于目前計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)尚未與制冷設(shè)計(jì)相完美結(jié)合 , 加之制冷系統(tǒng)的有關(guān)理論在實(shí)踐中也顯得不太完善, 所以為了研制出令人滿意的產(chǎn)品 , 工作量相當(dāng)巨大。如果能夠找到較為理想的理論來(lái)指導(dǎo)廠家的實(shí)踐, 使得廠家以較少的工作量就能得到性能匹配良好的產(chǎn)品, 無(wú)疑是具有重要的實(shí)踐意義的。對(duì)換熱器流程布置的理論研究目前國(guó)內(nèi)各公司基本無(wú)人涉及, 大多是借助于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷流路布置的好壞, 然后進(jìn)行管路的修改和調(diào)整。這不但浪費(fèi)時(shí)間, 而且浪費(fèi)大量的物力和財(cái)力。因此對(duì)翅片管換熱器的流程布置, 迫切需要一套切實(shí)可行的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究方案。結(jié)論及展望綜上所述 , 對(duì)于翅片管換熱器, 理