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回路设计对冷风机性能影响的研究设计点击：1795 日期：[ 2014-04-26 21:35:46 ] |
| 回路设计对冷风机性能影响的研究设计 王 维,周志钢,吴兆林 (上海理工大学,上海200093 ) [摘要]本文对强制循环空气冷却器(简称冷风机)的盘管设计中对冷风机换热性能影响较大的一个因素———回路设计进行了研究。研究得出对于给定的翅片管换热器存在一个最佳的回路数,使该换热器发挥最大的换热性能,同时,每个回路的排布方式对换热性能也有影响。本文的研究结果希望能对冷风机的优化设计提供一定的参考。 [关键词]冷风机,回路数,换热量,数值模拟 [中图分类号] TQ051·6+2; TU831; TB657·5 [文献标识码] A 文章编号: ISSN1005-9180 (2008) 04-0017-04 1·引言 近年来,随着我国经济的发展,人民生活水平的不断提高,对食品的质量要求也越来越高,冷藏库的建设也越来越多。冷藏库中所用的冷却设备———冷风机以其占地面积小、结构紧凑、操作简单、传热效率高等优点而被大量使用。为了提高冷风机的的换热性能,我们常常采用以下几种方式来强化换热:提高换热系数;增加换热面积;选择合适的空气侧和制冷剂侧的平均温差。 通过研究发现,对于给定结构的冷风机,在其他参数不变的情况下,比如铜管翅片的材料厚度、风机的风量、进风温度等均为定值时,在不增加材料成本的情况下,只改变冷风机的回路数以及回路流程布置,冷风机的换热特性将发生很大的改变。这主要是因为制冷剂在管内的状态可以分为两相区和过热区。在两相区内,制冷剂相变时在整个回路上保持其饱和蒸发温度;在过热区,制冷剂蒸气处于过热状态,温度高于饱和蒸发温度,同时,制冷剂在两相区的沸腾换热系数远远大于在过热区的对流换热系数。所以,合理布置回路流程,使制冷剂在经过冷风机的整个过程中,尽量处于两相区,缩小过热区,这样不仅可提高制冷剂侧与空气侧的平均温差,还可以提高整体的换热系数。 对冷风机流程布置的研究比较复杂,因为对其造成影响的因素很多。其一,管内制冷剂经历了相变过程(一般都要经历过冷、饱和和过热三个阶段),由此导致了其在换热和流动方面特性的很大改变。其二,我们希望冷风机有一个均匀的换热和流动性能。然而复杂的流程布置会造成传热的不均匀性,这是我们进行流程布置研究尤其是复杂流程布置研究中应尽量避免的。换热器流程布置不仅仅指换热管的排列方式,还包括换热管组的分叉流动等情况。当制冷剂流量一定时,通路数和分叉与否直接影响制冷剂的流速,从而也会影响换热系数。因此,平均温差和传热系数对换热器的换热特性影响较大。最优的管组连接方式应使两者的综合效果最佳,以取得较高的换热量。 基于上述考虑,我们需要对冷风机流程布置进行分析研究。其目的也是通过制冷剂流程的变化来改善换热效果,同时也使制冷剂在管路中有更好的分布。通过较优的冷风机流程布置方式,可以使制冷剂流量分布均匀,避免某些回路的制冷剂流量过少,而某些回路的制冷剂流量又过多,造成部分制冷剂蒸发不完全,另一部分制冷剂又过热太大的现象。这样,既达到强化换热的目的,又避免了开发强化换热管子和强化换热翅片所需的大量财力和物力。因此,这是一项很有意义的工作。 2·模型的建立 选取的研究对象为适用于中温冷库的侧出风冷风机,该翅片管换热器的结构为: 4排管,每排20根管,等边三角形叉排,管距为38 mm,排距为32·9 mm,对角管距为38 mm,铝翅片为正弦型波纹片,铜管为光管,外径为12·7 mm,壁厚为0·5mm,每根直管的长度为2·0 m,翅片间距为4·5mm,翅片厚度为0·18 mm,回路走向为逆流。本文主要针对冷风机回路设计进行讨论,在建立冷风机物理模型时做了如下假设: (1)制冷剂在管内作一维、稳态轴向流动; (2)只考虑制冷剂与管壁和空气之间的径向热量交换,不计轴向的热传递;且他们之间的换热形式为逆流形式; (3)忽略管壁热阻; (4)两相区,制冷剂气体和液体混合均匀; (5)制冷剂气液看作不可压缩; (6)空气和制冷剂在各点的参数和流量不随时间变化; (7)忽略空气中水蒸气凝结的影响,冷风机表面当成干表面处理; (8)制冷剂及空气进口参数恒定; (9)空气侧对流换热系数在时间步长内视为不变。 在以上假设下,得到冷风机的物理模型以及该模型的微分方程组: 制冷剂和空气进出微元体的参数如图1: 2·1 在微元段内建立空气和制冷剂的平衡关系式空气侧热交换平衡方程: 2·2 计算公式 3·模拟计算及结果分析 模拟计算时,冷风机的运行工况为:制冷剂采用R22,冷凝温度40℃,进风温度0℃,蒸发温度-8℃,过热度5℃,风量13400 m3/h,名义制冷量20 kW。 本文利用模拟程序对选定的冷风机进行模拟计算,根据制冷剂和空气的入口参数以及风量等其它参数,模拟计算出口参数,并且分别讨论蒸发器的性能随回路数变化而变化的关系。 3·1 回路数对冷风机性能的影响 模拟计算过程中,保证其他参数不变,只改变回路的数量,从而得出制冷量、压降以及空气出口温度与回路数的关系。如图2。 从图2中可以看出,对于给定的冷风机,对于不同回路的选择,存在一个最大的制冷量。并不是随着回路数的增加,制冷量不断增大,而是在回路数为12左右时,制冷量达到最大值20·1 kW。并且在达到最大值之前,制冷量随回路数的变化较快,在达到最大值之后,制冷量缓慢减小。 图3中所示为制冷剂压降随回路数的变化趋势。从图中可见,制冷剂侧压降随回路数的增加呈不断下降趋势,这是因为在制冷剂总流量不变的情况下,回路数增加,每个回路的长度缩短,制冷剂流量减少,从而流动阻力变小,压降减小。 图4为空气出口温度随回路数的变化规律。为了达到最好的制冷效果,我们希望空气侧出口处温度越低越好,所以对于选定的冷风机,回路数取12左右,空气出口温度最低为-2·7℃,能够更快的把环境温度冷却到0℃。 从理论分析可以知道,冷风机的回路数较少时,每个回路的长度就较长,制冷剂处于过热段的时间就较长,从而冷风机的整体换热系数就较低;随着回路数的增加,每个回路的长度随之缩短,过热段也在减小,所以冷风机整体换热系数在不断增加;当回路数增加到一定值时,制冷剂在管内完全处于两相区,制冷剂得不到充分蒸发,所以冷风机整体换热系数又随着回路数的增加呈不断下降趋势。 因此,对于给定结构的冷风机,存在一个最佳回路数使得换热量最大。在实际选择回路数时,还要考虑各个回路的压降以及制冷剂流量的均衡,所以对于模型中的冷风机,回路数选择12附近的10比较理想,这样平均每个回路的管数为8根。 3·2 流程的布置 在回路数确定之后,流程的布置对冷风机的换热性能也有很大的影响。合理的回路设计能够使冷风机获得最小压降的同时得到最大的换热量。实际设计生产中,冷风机盘管的回路设计应遵循以下原则: (1)力求每个回路的长度相等,使制冷剂经过各个回路所受阻力平均,压降相同; (2)选择合适的分液器,以及合理设置分液器后的毛细管长度,避免因重力因素造成的分液不均,保证每个回路的制冷剂流量相同,充分发挥各个回路的蒸发能力; (3)铜管叉排形成等边三角形,采用平行流路保证换热器中形成对称的区域。这对于维持盘管中恒定的温差是重要的,从而避免换热量不均匀; (4)制冷剂入口和出口分别布置在两侧,且回路应设计成逆流形式,而非顺流或者混合流。对于各种特殊要求的制冷过程,由于流量和压降的不同,有各种不同形式的回路设计。换言之,回路设计要在运行成本和换热器成本之间寻求一个最优的方案。 4·结论 (1)对于给定结构的冷风机,回路设计中存在一个最佳的回路数,使冷风机的制冷量达到最大。所以在实际设计生产中,一定要选好回路数。 (2)随着回路数的增加,每个回路的长度缩短,从而流动阻力变小,压降呈不断下降的趋势。 (3)空气出口温度随回路数的变化趋势与制冷量的变化趋势正好相反,制冷量越大,空气的焓差越大。 5·参考文献 [1]陶文铨·数值传热学(第2版) [M]·西安:西安交通大学出版社, 1995 [2] YanWM,Sheen PJ·Heattransfer and friction characteristics of fin-and-tube heat exchangers·International Journal of Heatand Mass Transfer·2000,43:1651-1659 [3]周翔,黄东,董玉军·风量及制冷剂流量对翅片管式蒸发器性能的影响[J]·制冷与空调, 2004 (6): 66-68 [4]郑钢,杨强·翅片管换热器最佳回路长度的仿真计算[J]·制冷与空调, 2006 (4): 48-51 [5]刘志刚,刘咸定,赵冠春·工程热物理性质计算程序的编制及应用[M]·北京:科学出版社, 1992 [6]邓斌,王惠林,林澜·翅片管换热器流程布置研究现状与发展[J]·制冷, 2004 (4): 29-32 [7]赵辉,藏润清,苏文·除湿系统中直接蒸发式表面冷却器在结霜工况下的设计计算[J]·制冷与空调, 2002(5): 44-46 |
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