翅片管换热器流程布置研究现状与发展

　　1引言翅片管换热器广泛的应用于空调和制冷行业中,为了提高换热器的性能,我们常常采用以下几种方式来强化换热:(1)提高换热系数;(2)增加换热面积;(3)增加空气侧和制冷剂侧的平均温差。第一种方案如果在换热效果较差的一侧采用强化管(或强化翅面),或两侧同时强化,能有效地改善换热器的性能,但由此也带来一些缺点,例如:换热器设计成本、耗功的增加。第二种方案中增加换热器的换热面积对于改善换热器的性能是一种有效的途径,然而在有限的空间中增大换热器的面积(即增加空调的体积)也是行不通的。在强化换热的第三个措施上(即增大传热温差),研究人员投入的精力并不多。因为人们通常认为当高、低温介质一定时,传热平均温差就随之而定了。这种观点是片面的,事实上,流程布置对换热性能的影响是不可忽略的。

　　2对换热器流程布置研究的必要性众所周知,当高温、低温介质的进口温度一定时,逆流换热比顺流换热有着更大的传热平均温差,因而也具有更大的换热量,叉流换热的换热量处于这两者之间。这说明换热器流程布置会改变传热温差的分布,会对换热量产生影响。对蒸发器和冷凝器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(例如制冷剂在蒸发器和冷凝器中一般都要经历过热、饱和和过冷三个阶段),由此导致了其在换热和流动方面特性的很大改变。其二,我们希望换热器有一个均匀的换热和流动性能(尤其是蒸发器)。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。考虑到上述因素,逆流是不是总是最好的布置方式?对于实际应用中的复杂情况,换热管组连接方式对换热量有怎样的影响?能不能找到较优的连接方式,使其既能提高传热量,又能满足实际情况的需要?基于上述考虑,我们需要对换热器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增大传热温差,改善换热效果,同时也使制冷剂在管路中有更好的分布。通过较优的换热器流程布置方式,可以达到强化换热的目的,而且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。

　　3国内外的研究状况对空调用换热器流程布置,国外学者进行了大量的研究。他们主要是EllisonOskarsson，Domanski,PALiangSY和WongTN等。Ellison针对特殊的流程布置提出了一种冷凝器数学模型,该模型基于管对管的计算方法,管排数只局限于最多两排,这是最早的研究两器流程布置的文献。随后Oskarsson等利用不同的数学模型对蒸发器和冷凝器流程布置进行了研究。

　　从1991年起,Domanski基于传热单元法,利用管对管的计算模型开发了一套软件EVAP-COND来研究蒸发器和冷凝器的流程布置。该软件能计算较为复杂的换热器流程,制冷剂种类包括了目前空调换热器中大多数制冷剂,但其也存在很多缺点,例如蒸发器流路没有汇合点,冷凝器流路没有分叉点等。2000年新加坡的LiangSY和WongTN将火用分析应用于换热器流程布置,建立了翅片管换热器流程布置的分布参数模型。作者对“Z”字形、“双进单出”、“单进双出”、“单-双-单”这几种两排管冷凝器的布置方式进行了数值模拟和分析(见图1),认为在给定条件下,当选择合适的分合点之后,“单-双-单”要比简单的“Z”字形布置节省约5%的面积。通过对“Z”字形流路的研究,作者发现,在过热和过冷段,压降和传热系数都比较小,因此强化传热应集中在这两个区域,两相区的热阻甚至和外部空气侧热阻相同(图2-4)。所以在两相区采取双路布置以减小流速,降低压降。单相区采取单路布置,以强化传热。这就演化成“单-双-单”布置方式。最终作者得出结论:通过流路的合理安排,改变换热器沿程的冷媒的质量流量,可以达到改善和提高换热器换热效率的目的。

　　近年来,流程布置的研究也引起了国内学者的重视,但公开报道的较少,目前只有台湾工研院的WangChi-chuan,浙江大学的张绍志,以及西安交通大学的郭进军等。WangChi-chuan在其文献中对包括“Z”字形,“U”字形,“双进双出”等八种双排管冷凝器流程布置进行了实验研究。实验结果表明,逆流“U”字形布置是最好的布置方式。作者还同时观察到在这些布置中,不可避免的出现了翅片间的逆向导热,影响了换热器性能。为消除逆向导热,作者建议抽取迎风侧的几根管子,或在两排管中间开缝(图5)。张绍志等建立了非共沸制冷剂翅片管冷凝器的分布参数模型,并以R407C为例通过计算比较了U字型顺流,逆流,Z字型布置等6种制冷剂流程布置的翅片管冷凝器的性能(见图6)。经分析作者认为,在6种流程中,以逆交叉流程布置为最佳,以顺交叉流程布置为最差。最佳与最差流程布置的冷凝器尺寸的差别随制冷剂质量流速的增加而增大,在质量流速为300kg/m2s时可达5 1%。说明冷凝器流程布置对换热器换热性能有一定的影响,尤其在制冷剂流速较高时。.

　　最近,西安交通大学的郭进军基于传热单元法,对空调用冷凝器和蒸发器建立了相应的数值模型,并对Z字型,U字型顺流,逆流,双进单出,单双单以及双进双出等6种不同的流程布置方式进行了数值模拟和实验研究。该文认为“Z”字形和“U”字形,“单-双-单”的流程布置较好,运用场协同理论和等热流密度原则等传热学基本原理,从理论上较好的解释了流程布置对换热器换热性能的影响,并提出了优化设计流程布置的一些基本原则。但该文模拟的换热器流程管排数较少,没有考虑风扇来流不均匀性的影响,同时也没有将管外翅片结构,管内结构和流程布置结合起来。因此该模型还有待于进一步的改进和发展。

　　4国内各空调公司对流程布置研究的认识从国内各空调公司的实际情况来看,由于目前计算机软件技术尚未与制冷设计相完美结合,加之制冷系统的有关理论在实践中也显得不太完善,所以为了研制出令人满意的产品,工作量相当巨大。如果能够找到较为理想的理论来指导厂家的实践,使得厂家以较少的工作量就能得到性能匹配良好的产品,无疑是具有重要的实践意义的。对换热器流程布置的理论研究目前国内各公司基本无人涉及,大多是借助于实践经验来判断流路布置的好坏,然后进行管路的修改和调整。这不但浪费时间,而且浪费大量的物力和财力。因此对翅片管换热器的流程布置,迫切需要一套切实可行的优化设计研究方案。

　　5结论及展望综上所述,对于翅片管换热器,理论和实验研究均说明,除了努力改善管外空气侧的翅片和管内结构来增强换热外,还可以从管路流程布置方式着手,通过合理地安排流程,能取得较好的换热性能。对两器流程布置的研究不仅能节省成本,而且可以缩短两器的开发和维护周期,对于提高空调器的整体效率亦有好处。应该引起国内空调生产厂家及各研究单位的重视。