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不同型式的翅片管式换热器迎风面风速不均匀实验研究点击：2284 日期：[ 2014-04-26 21:14:10 ] |
| 不同型式的翅片管式换热器迎风面风速不均匀性实验研究 王敬欢1，黄虎1，张忠斌1，张进贤1，张万新2，陈泽民2 (1.南京师范大学能源与机械工程学院，江苏南京210042;2.江苏丹阳苏科空气能研究中心有限公司，江苏丹阳212300) ［摘要］本文针对3种换热器面积相同而结构不同的翅片管式换热器空调机组进行了的实验研究，讨论了由于结构变化而导致的换热器迎风面风速不均匀性及其对机组性能的影响。对实测风速进行分析可知换热器迎风面风速很不均匀、风量损失较大且风速变化存在一定的规律。对换热器在制冷、制热工况下的部分状态参数进行分析可知，此2种工况下，中等换热器的室内侧出风干、湿球温度均比其它2种换热器更利于调节室内温度，但是在制热工况中，其能效比比矮换热器要低。研究结果可为换热器的工程设计提供参考。 ［关键词］实验;换热器;迎面风速;不均匀 ［中图分类号］TK172［文献标识码］A ［文章编号］1002-8528(2012)02-0032-05 0·引言 在换热器性能研究中，一般认为换热器迎风面风速是均匀分布的。在此基础上，很多文献对换热器风侧传热及摩擦特性进行了研究，包括不同类型肋片配置形式和翅片开缝、不同开窗形状、不同几何特征的换热器、不同翅片间距与排数及不同管排形式等因素对来流不均匀性所产生的影响［1-5］。然而，在实际运行中，由于受到很多因素的影响，风速并不均匀。如室内机和室外机风机的样式选择不同、风流动曲线不同、换热器内部设备的布置不同及换热器的形式不同都会形成不同的风场。许多学者对V型换热器迎风面的速度抛物线和线性分布进行了研究，发现迎风面风速分布极不均匀，这不但会导致换热器面积的浪费，而且会使得换热器的整体效果有所下降［6-12］。在实际换热器的设计过程中，产品设计人员旨在满足高效、节能的目标，一般不会考虑后期工程运输、安装等对产品尺寸的需求，因此可能会给空调产品的搬运和安装带来一定的困难，本文对3种迎风面面积相同而外形尺寸不同的U型换热器机组进行了实验研究，通过对实测迎风面风速及其分布情况进行比较，研究换热器迎风面风速的不均匀性及其对机组性能的影响。 1·实验换热器机组及测试方法 1.1实验换热器机组 图1所示为3种不同型式的U型换热器机组，分别为矮换热器、中等换热器和高换热器，后二者的设备总高度相同，但换热器的高度不同。另外，3种换热器机组的风机型号及设备内部各组件布置均相同。具体结构参数见表1。 实验时，将换热器机组表面等距沿水平方向和垂直方向划分为若干等份(见表2)，水平(从左至右)和垂直(从上至下)划分网格的交点即为风速测点(见图2)。 1.2实验原理及测试方法 采用空气焓差法在实验室进行换热器机组制冷和制热工况的测试。实验室由1个室外侧测试环境间和1个室内侧测试环境间组成，由于实验机组采用的是全新风空调机组，在实验中需保证系统室内机和室外机的入口空气状态相同。本实验通过保证室内、外测试环境间的干、湿球温度相同，向系统提供满足测试要求的新风工况。实验系统原理图如图3所示。 为了全面监测机组在变工况下的运行状态，研究新风机组的制冷量/制热量、输入功率和能效比等参数，对实验机组布置了相应的压力和温度测点。实验中所用测试仪器及其精度见表3。通过空气取样设备对换热器迎风面风速进行统计，即对表2中规划的每个测点进行5次测量，记录5组数据，并求出平均值，以此作为对应测点的实测风速。 2·测试结果及分析 2.1换热器水平方向风速比较 图4～6给出了3种不同型式换热器测点风速随测点列数的变化，可以发现，换热器迎风面风速总体呈一定规律变化:随着换热器测点排数的增加，风速逐渐减小。这是由于测点排数增加后，离出风口的距离增大所造成的，反之，离出风口越近，则风速越大。另外，随着距离的变化，从顶端到底部的风压呈衰减趋势，风速逐层减小。高换热器与矮换热器和中等换热器相比，这种现象更加明显，这是由于高换热器本身的高度较高，形成了比较明显的梯度，而中等换热器增加了一段隔板，使得顶部风压并没有全都集中在顶部边界，减少了顶部边界对风速的影响，矮换热器由于自身高度不高，风速整体减小的趋势便缓慢的多。 对于换热器的3面:从第1(1)列到第5(4)列、第6(5)到第12(11)列和第13(12)列到第17(15)列(其中括号中指的是高换热器的列数)，比较各面的风速变化情况，可知风速均呈现先增大后减小的趋势，特别是中间面的风速相比旁边的面更有规律且更均匀，这是由于没有左右边界的影响所导致的。总体而言，中等换热器和矮换热器的迎风面风速比高换热器相对要集中，比较均匀，但是顶端部分地方的风速明显高于其它地方，而底部有的地方风速又太小，最大风速和最小风速相差4～5倍。另外，3种换热器局部地方皆出现了没有规律的流动，这是换热器翅片结构阻碍了空气的流动，或者是机组内部设备布置位置对空气流动形成了阻挡所造成的。 2.2换热器垂直方向风速比较 图7～9给出了3种不同型式换热器测点风速随测点排数的变化，可以看出，随着换热器测点排数的增加，即离出风口越远，风速越小。比较而言，高换热器和中等换热器在5排之后的高度对风速的影响较小，而矮换热器由于其本身高度的限制，整个高度范围内风速的变化趋势均不是很明显。另外，3种换热器在部分位置均出现了某测点风速比相邻测点风速或大或小，没有规律的情况，这是由于机组内部设备位置布置和换热器边界的影响所造成的，即在底部或边界处形成了局部涡流，使得风速发生了变化，特别是机组内部储液器和压缩机等大部件的摆放不当将直接对气流的流动产生阻挡，使风速减小。 换热器机组理论设计的迎风面风速为1.83 m/s，计算可知本文实验条件下矮换热器、中等换热器和高换热器迎风面的平均风速分别为1.64 m/s、1.57 m/s和1.44 m/s。与理论计算风速比较可知，矮换热器、中等换热器和高换热器的风量损失分别为10.3%、14.2%和21.3%，高换热器的风量损失比其它2种要大，这是由于高换热器的高度较高，导致底部风压低所造成的，处于高换热器低端的风速有的只有0.6 m/s，严重偏离了设计要求，这将影响换热器的换热性能，对机组的整体能效产生影响。 2.3机组运行部分参数及分析 在35/28℃的制冷工况中，换热器是冷凝器，提高制冷量要降低冷凝温度、增大风量，同时保证风速分布均匀。此工况实验测得的室内侧出风干、湿球温度的比较见图10，由图可知，中等换热器的室内侧出风干湿、球温度较低，高换热器次之，矮换热器较高。图11给出了此工况实验测得的制冷量、输入功率及能效比的比较，由图可知，中等换热器的蒸发器入口温度相对较低，蒸发温度也较低，制冷量最大。高换热器和矮换热器的输入功率和制冷量相差不大，相对值分别为96%和93%，相比中等换热器要少。另外，高换热器和矮换热器的能效比均比中等换热器低，可见在高温工况下，中等换热器表现比较优越，矮换热器虽然迎风面风速分布均匀，但是局部风速过大，而高换热器的迎风面风速分布不均匀，其换热效果也不如中等换热器。综合比较来看，增加迎风面面积需进行合理选择和计算。 在7/6℃的制热工况中，换热器是蒸发器，制冷剂和空气的温差较小，迎风面风速越大且分布越均匀则蒸发效果越好。图12给出了该工况实验测得的室内侧出风干、湿球温度的比较，图13给出了该工况实验测得的制热量、输入功率和能效比的比较，可以看出，此制热工况下，中等换热器的室内侧出风干、湿球温度均比其它2种要高，同时其制热量也比其它2种要高，但矮换热器的能效比比中等换热器高2%，更加节能。 3·结论 本文对3种不同型式的换热器机组进行了测试，并对机组在制冷、制热工况下的部分状态参数进行了分析，所得结论如下。 1)3种换热器均存在风量损失，其中风量损失最大的是高换热器，其迎风面风速的不均匀性也相对严重，而后是中等换热器和矮换热器。 2)换热器迎风面风速存在一定的变化规律，离换热器出风口越远，风速越小。其中高换热器和中等换热器这种现象较矮换热器更加明显，矮换热器在5排之后的风速减小相对缓慢。 3)在制热和制冷工况中，中等换热器的室内侧出风干、湿球温度比其它2种换热器更利于调节室内温度，但是制热工况中，其能效比比矮换热器要低。 目前，国内外市场的原料费居高不下，合理的换热器尺寸可在提高效率的同时节省成本。因此，在换热器的设计中，尺寸的选择应综合考虑效率、美观和应用等多种因素，做到在保证效率的同时兼顾资源节约。 ［参考文献］ ［1］Tang LH，Zeng M，Wang QW．Experimental and numerical investigation on air-side performance of fin-and-tube heatexchangers with various fin patterns［J］．Experimental Thermaland Fluid Science，2009，33(5):818～827． ［2］Jader R Barbosa Jr，Cláudio Melo，Christian JL Hermes，et al． Astudy of the air-side heat transfer and pressure drop characteristics of tube-fin“no-frost”evaporators［J］．Applied Energy，2009，86(9):1484～1491． ［3］Yonghan Kim，Yongchan Kim．Heat transfer characteristics of flatplate finned-tube heat exchangers with large fin pitch［J］． International Journal of Refrigeration，2005，28(6):851～858． ［4］周森泉，过增元，胡桅林，等．来流温度速度不均匀时换热器效能的分析［J］．工程热物理学报，1994，15(4):403～407． ［5］胡俊伟，丁国良．开缝翅片压降和换热特性的数值模拟［J］．上海交通大学学报，2004，38(10):1639～1642． ［6］陈军．风冷冷凝器换热性能的实验研究分析［D］．广州:华南理工大学，2005． ［7］冯永斌，晏刚，钱文波，等．风速分布形状对空调中翅片管蒸发器性能的影响［J］．低温与超导，2009，37(10):26～31． ［8］柳成文，王冬青，龚建英．风速分布不均匀性对空气源热泵风侧换热器性能的影响［J］．制冷与空调，2008，8(3):87～90． ［9］邓斌，陶文铨，余汪洋．来流不均匀性对冷凝器性能影响的数值研究［J］．制冷与空调(四川)，2007，21(3):1～6． ［10］龚建英，袁秀玲，黄东，等．不均风速场对中大型热泵结霜工况性能的影响［J］．西安交通大学学报，2007，41(9):1058～1061． ［11］鹿世化，刘卫华，余跃进，等．翅片管换热器内部空气流场的数值模拟与实验研究［J］．化工学报，2010，61(6):1367～1372． ［12］胡俊伟，丁国良，张春路．热交换器形状对空调室内机性能的影响［J］．制冷学报，2004，(2):50～53． |
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