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制冷空调用空冷换热器的研究及其现状

点击:1317 日期:[ 2014-04-26 22:00:33 ]
                              制冷空调用空冷换热器的研究及其现状                                           周 莉     摘要:综述了制冷空调用空冷换热器的研究现状,并对翅片管式,管带式换热器和平行流换热器的研究进展分别进行 了总结,特别是对平行流换热器的研究现状进行了全面的阐述,从而促进空冷换热器的研究。     关键词:空冷换热器,综述,平行流换热器     中图分类号:TU831文献标识码:A     换热器的研究一直是制冷空调领域中一个非常活跃的研究方向。目前,国内外对换热器研究总的趋势是:传热机理及强化传热的研究;开发高效、紧凑、重量轻、可靠性高的新型换热器;结合计算机模拟技术、人工智能技术来革新设计方法;基于系统目标对换热器进行优化设计。为了追求更高的换热性能,空气冷却 式换热器依次经历了翅片管式、管带式、多元平行流式等多种结 构形式。     1 翅片管式换热器的研究进展     翅片管式也叫管片式、管翅式,是较早应用的换热器形式。其套片方法是将厚度很薄的铝箔,按管组排列方式,在高速冲片机上冲出折边孔。然后将圆管穿入肋片孔中,将安装好的管片在专门的胀管机上进行胀管,减小接触热阻。     管翅式换热器的研究进展可从研究内容、研究目标和研究手 段等方面来概括,早期对管翅式换热器的研究主要集中在翅片管排总的换热性能和流动性能上,翅片的形式多是平直翅片,主要考察管径、管排数、翅片间距、管排排列方式、翅片厚度等几何参数对换热及流阻的影响情况,换热管管径较大(Do=9.52 mm, 12.7 mm或15.8 mm),实验模型的数量十分有限,拟合的关联式 (j—Re和f—Re关系式)适用范围小,预见性不好,工程应用效果不好。近期的研究注重换热器的传热和流动机理,Saboya和 Spsrrow[1]将传质技术用于确定一排、二排和三排盘管的局部传质系数,其结果通过类比关系用换热系数的形式来说明局部换热系数的分布情况。换热管管径也日趋小型化(扩管前Do=9.52 mm, 7.94 mm,7 mm),而且实验关联式的拟合方法也有了较大的改进,出现了多重拟合方法。     2 管带式和平行流式换热器的研究进展     2.1 管带式换热器     管带式换热器的管子,是由一条连续的铝合金材料挤压成多孔通道的椭圆扁管,然后将其机械弯曲成等间距的蛇行管。同时将带状铝箔经冲压成缝,并折成U形或V形,其高度等于蛇行管的间距。把加工好的铝带夹入蛇行管间,呈叠置方式。在夹具中把蛇行管夹住,并施加适当的压力压紧,使管与片之间产生一定 的接触应力,再进行整体钎焊而成。与翅片管式相比,管带式采用扁管,其水力直径小,在截面积相等的条件下,椭圆扁管内制冷 剂的湿周周长比圆管大,传热面积大,热阻小,因此管内换热量提 高。同时扁管的迎风面积小,流形有利,气动性能好,背风面涡流区小。扁管的使用使管带式结构紧凑,可以显著提高换热面积。     2.2 平行流式换热器     平流式换热器分为两种:1)集流管不分段,制冷剂流动方向 一致,称为单元平流式换热器;2)多元平流式换热器,多元平行流 实际上是分流式换热器,即变通流程设计。平行流式冷凝器吸收 了管带式的各项新技术,是制冷剂从R12转换成R134a的最适宜 替换机型。对平行流换热器的研究可从以下3个方向展开。     2.2.1 平行流换热器整体性能的研究     对换热器整体性能的研究主要集中在验证已有模型或建立 新的模型对换热器的换热和压降进行计算,并与试验数据、关联 式的计算结果进行对比分析以及模型优化;考虑扁管效应,管排数,风速,换热器翅片安排、管路流程安排对换热器性能的影响; 扁管换热器与其他管型换热器的性能对比;换热器的优化研究, 性能评价指标。Min等[2]采用已知关联式,对制冷剂侧和空气侧 的换热和压降进行了计算,并且与试验数据进行对比。Chung 等[3]建立并比较了考虑扁管几何尺寸和没有考虑扁管几何尺寸的两个模型,考虑扁管尺寸的计算更加精确稳定。Park和Jaco- bi[4]比较了扁管换热器和圆管换热器的热力性能,相比于圆管换 热器,较小表面积和体积的扁管换热器即拥有相同的热力性能。 龚堰珏[5],张兴群[6]等研究了风速,换热器翅片安排、管路流程安排等对换热器性能和系统性能的影响。     2.2.2 百叶窗翅片侧流体换热与流动的研究     在流体穿过百叶窗的过程中,百叶窗上的边界层不断被破 坏,又重新生成,从而有效地降低了热阻,提高了传热效率,具有 较高的换热系数。对百叶窗翅片侧的研究主要集中在:流体的流 动形态,是轴向流动还是百叶窗方向的流动;翅片结构,百叶窗的 几何参数对流动和换热的影响,关联式的拟合;上游百叶窗尾流 对下游百叶窗的流动和换热的影响;百叶窗附近的热尾流,温度 场,流场对其换热的影响。Beauvais是第一个对百叶窗翅片换热 器流动进行可视化研究的学者。首次发现流动主要平行于百叶 窗叶片。Davenport做了同样的流动可视化实验,得出结论:百叶 窗翅片的流动效率是雷诺数的函数。Aoki等[7]通过实验研究百 叶窗结构参数对百叶窗侧换热特性的影响,结果表明,在迎面风 速较低时,换热系数随着翅片间距的增加而减小,随着百叶窗角 度的增大而增大,在百叶窗角度为28°~30°时达到最大值,然后 随之减小。Webb采用有色注射技术在10∶1的模型中进行了可 视化实验,并观察了百叶窗的几何参数,包括翅片间距、百叶窗角 度、百叶窗间距等对流动的影响。首次推出了流动效率的经验公 式,并在后面的研究中,总结出了包括流动阻力和传热系数等经 验公式。Chang和Wang[8]总结了91个百叶窗翅片换热器模型的 研究数据,得出了关于空气侧的传热因子j和摩擦因子f的关联 式。Marlow E.Springer和Karen A.Thole[9]对二维百叶窗列阵模 型的流场进行了可视化研究。研究表明上游百叶窗尾流的存在, 使下游百叶窗通道中间偏上位置的流体速度和流动角度出现下降。Tafti[10]等采用数值模拟方法对百叶窗翅片内流体流动形态的变化规律及其影响因素进行了研究,发现百叶窗翅片的换热系数不仅仅与包围百叶窗的流场的流体动力学有关,还与百叶窗表面附近是否存在热尾流有关。     2.2.3 细微通道管侧的换热与流动研究     现在对于较大尺寸各种形状流通截面的管道已经建立了相 应的流动阻力与换热公式。但是对于直径较小的微通道,研究发 现将普通圆管内的公式应用于微通道内时会产生较大的误差。      目前对管道内的流动与传热研究主要集中在实验研究上不同流 通截面内单相流体的传热和流动阻力特性。Levy[11]第一次研究 了微细通道内湍流换热的特征,实验值比用Seider-Tate公式的计 算值低30%~50%。Chang等[12]对4种不同规格的多孔铝制平 扁管和一种内肋片扁管进行冷凝传热特性实验,结果表明冷凝传 热系数与Shah[13]实验式相符,仅在蒸汽含量较高区域时计算值 较低,显示了小水力直径管与常规换热管的差别。辛明道[14]等 对6种不同尺寸的微矩形槽道内的受迫对流阻力和换热性能进行了研究。姜明健等[15]研究了水在矩形和三角形通道内的单相流动和传热特性,研究结果表明,槽道中流体流动换热明显强于常规尺寸管道内的换热,并且流动阻力低于常规尺度的流动阻力。     3 结语     1)许多研究者通过对实验数据进行拟合,得出关联式,实验 范围较窄,故其适用性受到限制。2)由于换热器翅片结构的复杂 性,致使已有关联式过于复杂,不便于工程计算的运用。3)不同 研究者的实验方法,数据处理方法有所不同,所得实验结果差异 较大,可比性不强。4)实验研究应与理论研究,数值模拟相结合, 从更大范围,更通用的方向来取得关联式。     翅片侧纯理论方面的研究太少,应加强在理论上分析不同的 翅片几何结构在强化传热及其阻力特性方面的差别。 参考文献: [1]W.M.罗森诺.传热学应用手册[M].北京:科学出版社, 1992. [2]Min Y J,Hrnjak P S,Bullard C W.R-744gas cooler model de-velopment  and validation[J].Refrigerant,2001(24):692-701.  [3]Chung K,Lee K S,Kim W S.Optimization of the design fae- tors for thermal  performance of a parallel flow heat exehanger [J].Heat and Mass Transfer,2002(45):4773-4780.  [4] Park Y,Jacobi A M.A Seeond-Low-Based Comparison of the AirSideThermal- Hydraulic  Performance of Flat-Tube and Round-Tube Heat Exehangers[J]. InternationalCongress of Refrigeration,2003(2):31-32. [5] 龚堰珏,张兴群,郑维智,等.汽车空调平行流式冷凝器热力 性能计算机辅助分析[J].北京工商大学学报,2006(24):6, 22-25. [6] 张兴群,袁秀玲,黄 东.平行流式冷凝器的热力性能研究 [J].流体机械,2005,33(12):65-68. [7] Aoki H,Shinagawa T,Suga K K.An experimental study of the localheat transfer  charaeteristicsin automotive louvered fins [J]. Experimental Thermal and Fluid Science,1989(2):293- 300.  [8] Chang Y J,Wang C C.A generalized heat transfer correlation for Louvered  fin geometry[J].Heat Transfer,1997,40(3): 533-544. 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