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采用小管径铜管空冷换热器的性能成本分析研究

点击:1317 日期:[ 2014-04-26 21:36:09 ]
               采用小管径铜管空冷换热器的性能成本分析研究                          吴扬  李长生  邓斌                (上海金龙制冷技术有限公司上海200135)     【摘 要】铝管替代铜管和采用更小管径的铜管是当前降低空调器成本的两大热门方向。本文从小管径铜管替代的角度对Φ9. 52mm内螺纹铜管和Φ5mm内螺纹铜管这两种管型以及采用这两种管型的换热器进行了性能比较和成本分析。研究结果表明:在相同实验条件及同样的体积流量下,Φ5mm内螺纹铜管管内换热系数比Φ9. 52mm内螺纹铜管管内换热系数提高15%左右。在相同的测试工况和同样的迎风面尺寸条件下,Φ5mm铜管换热器在取得与Φ9. 52mm铜管换热器接近换热量的同时,可以节约铜管材料41. 8%,铝箔材料50%。     【关键词】小管径内螺纹铜管 翅片管换热器 传热性能 成本分析      0 前言     铜是空调器的重要原材料之一,虽然中国铜储量占世界第七,但产地相对分散,产量低,与世界平均水平相比尚有很大差距。国内企业每年所需要的铜原料, 4/5都来自进口。铜价的居高不下,给各空调企业成本竞争带来巨大压力。铝管代替铜管和采用更小管径铜管是当下空调企业降低成本的两大热门方向。由于采用更小管径铜管不需要在设备和工艺方面进行较大改进,因而成为目前空调企业降低成本的首选。     本文首先从单管的角度来说明Φ5mm内螺纹铜管相对于Φ9. 52mm内螺纹铜管在换热性能和米克重上的优势,然后建立换热器模型,针对两种管径的换热器进行性能和成本比较,以此说明Φ5mm铜管换热器在替代Φ9. 52mm铜管换热器的过程中需要采取的改进方法以及由此带来的成本优势。     1·两种内螺纹铜管的性能成本比较     内螺纹管作为一种高效换热元件,由于它具有普通光管(2~3)倍的换热能力而受到广泛关注。内螺纹管的高效性带动并促进了空调系统节能高效和小型化的发展。     典型的内螺纹管齿形参数如图1所示,其中d为外径,δ为管壁厚, h为齿高,β为螺旋角,γ为齿顶角,N为齿数。表1中显示的是Φ9. 52mm和Φ5mm内螺纹铜管常用的齿型参数和米克重。可以看出,Φ5mm内螺纹管与Φ9. 52mm内螺纹管相比米克重大幅度降低。                  采用金龙铜管集团的单管相变换热测试实验台,我们测试整理出Φ9. 52mm和Φ5mm铜管在不同干度情况下管内局部换热系数的变化和不同体积流量下管内平均换热系数的变化,测试工质均为R22,冷凝温度均为45℃,所采用的内螺纹管齿型参数与表1相同。     图2表示两种内螺纹铜管管内局部换热系数随制冷剂干度的变化情况。从图中可以看出:随着制冷剂干度的提高,制冷剂在管内的局部换热系数呈现上升趋势。在整个干度变化范围内,和Φ9. 52mm内螺纹铜管相比,Φ5mm内螺纹铜管管内局部换热系数提高了(10~15)%。                  图3表示两种内螺纹铜管管内平均换热系数随制冷剂体积流量的变化情况。从图中可以看出:随着制冷剂体积流量的增加,制冷剂在整个两相区的平均换热系数也呈上升趋势。在整个流量变化范围内,和Φ9. 52mm内螺纹铜管相比,Φ5mm内螺纹铜管管内平均换热系数也相应提高了(10~15)%。                  2·换热器模型的建立和校核     本节以有限容积法为基础,对翅片管换热器芯体模型进行了节点的划分,建立了一维稳态分布参数模型[1]。控制方程如下:                   上式中Ar、τw、s和qw分别为管子通道截面积、切应力、管子内表面换热面积和热流量。管内计算关联式来自文献[2],空气侧关联式来自文献[3]。     需要说明的是:本模型中换热量的计算采用了效能-单元数法,由于制冷剂从入口到出口要流经过热区,两相区,过冷区,因此必须分为单相区和两相区两种情况来计算。空气侧自始至处于干工况,以单相模型来计算。     本模型的光管换热器计算以马里兰大学开发的CoilDesigner软件进行了校核,内螺纹管换热器模型也与金龙集团换热器实验室的测试结果进行了对比,换热误差均在5%以内,证明目前的模型是切实有效的。     3·换热器的性能和成本比较     下面以两款Φ9. 52mm和Φ5mm内螺纹铜管换热器为例来说明在换热性能接近的情况下,小管径换热器所具有的成本优势。     计算中Φ9. 52mm内螺纹铜管和Φ5mm内螺纹铜管两种换热器采用相同的入口参数来计算,见表2,Φ9. 52mm内螺纹铜管换热器结构参数见表3,Φ5mm内螺纹铜管换热器结构参数见表4,各自流程布置如图4所示。                                    计算结果表明,经过调整管子数目以及管子间距,包括横向间距和纵向间距,Φ5mm内螺纹铜管换热器可以达到和Φ9. 52mm内螺纹铜管换热器几乎同样的换热性能:Φ9. 52mm内螺纹铜管换热器换热量为3670W,过冷度10℃;Φ5mm内螺纹铜管换热器换热量为3637W,过冷度7℃。     从成本分析的角度来看,Φ9. 52mm铜管换热器用了12根铜管和6根U管,总计质量为537. 7g。Φ5mm铜管换热器用了18根铜管和9根U管,总计质量为312. 9g,铜材用量减少了41. 8%。Φ5mm铜管换热器换热管的横向间距为Φ9. 52mm铜管换热器换热管横向间距的一半,而两款换热器的长和高都相同,所以Φ5mm铜管换热器的铝箔的用量减少了一半。     4·结论     本文首先对Φ9. 52mm和Φ5mm两种内螺纹铜管单管性能及成本进行了研究,然后建立了管翅式换热器的稳态分布参数模型,研究了采用以上两种管径内螺纹铜管的管翅式换热器性能及成本,得出的结论如下:     (1)同样的测试条件下,Φ5mm内螺纹铜管管内换热系数比Φ9. 52mm内螺纹铜管高15%左右,而材料成本大大降低;     (2)同样的尺寸,同样的工况下,Φ5mm内螺纹铜管换热器可以达到Φ9. 52mm内螺纹铜管换热器几乎相同的的换热性能,而铜材用量可以减少41·8%,铝箔成本减小50%左右。     (3)在保证迎风截面尺寸不变的情况下,通过调整制冷剂流路和管间距,翅片间距等结构参数,小管径换热器可以获得和大管径铜管换热器同样的性能。 参考文献 [1]杨世铭、陶文铨.传热学(第四版)[M].北京:高教出版社, 2006. [2] M. K. Dobson, J. C. Chato, Condensation in Smooth HorizontaTubes,  Transactions of the ASME [J]. Journal of Heat Transfer,1998, 120: 193-213. [3]王启川.热交换器设计[M].台北:五南出版社, 2005
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