直接蒸发式空气冷却器设计的优化

直接蒸发式空气冷却器设计的优化

直接蒸发式空气冷却器选用合适的风速和制冷剂质量流速对于其换热性能及能耗有重要的影响。本文利用计算机采用分段分析法模拟了直接蒸发式空气冷却器的一些性能，为制冷系统的优化提供参考。

1 直接蒸发式空气冷却器的结构
空气冷却器的表面式蒸发器都采用翅片管式。氟利昂翅片管式蒸发器的结构常用紫铜管外套铝片制成。铜管直径由至，铝片厚。在以上工作的蒸发器翅片节距在之间，并采用整套片式。空调用空冷器由于传热系数高，因而排数少，一般不超过6排。

2 直接蒸发式空气冷却器的传热过程
空冷器中的传热过程包括：管内制冷剂的流动沸腾换热；通过金属壁、垢层的导热过程；管外空气的放热过程（对流换热）。

2.1 制冷剂侧的换热

制冷剂侧沸腾换热采用分段分析法，即按照干度来分段计算。每一段的制冷剂侧的沸腾换热系数的求法按照文献[2]推荐的公式计算。

2.2 空气横向掠过肋管管束时的换热

空气横向掠过肋管管束时的换热系数的计算按照文献[3]中提供的公式计算。这里就不做重复了。

2.3 通过管壁与垢层的附加热阻

管壁热阻为（），对于铜管，由于其导热系数很高，该项热阻可以不计。但对于钢管则应予以考虑，本论文的设计程序中取为。

油膜热阻的考虑，若为氟里昂制冷剂，一般控制含油浓度，设计时可以不考虑。

直接蒸发式空气冷却器肋管外表面积灰等造成的附加热阻，计算时一般取0.0003～0.0001。

3 采用分段分析法对直接蒸发式空气冷却器计算机模拟的计算步骤
在这里，我们只给出制冷剂为纯质时的直接蒸发式空气冷却器计算机模拟的计算步骤：

1）输入已知蒸发器入口制冷剂参数，蒸发压力或蒸发温度，并求入口焓；

2）输入结构参数及物性参数：结构参数中需给出基管外径，壁厚，肋片厚度，肋片节距，排列方式，管中心距；物性参数中需给出空气的导热系数，动力粘性系数，密度，比热，空气的进口状态参数，空气的出口状态参数和冷却空气量，并调用湿空气的热物性计算程序来计算空气进出口的其余参数；

3）计算空气侧换热系数，初步确定沿气流方向的管子排深数；

4）确定制冷剂循环量及每排并联的肋管根数；

5）根据干度分段，，分为段；

6）计算局部微元段换热量

；

7）假设局部微元段长度，可求局部微元面积；

8）局部微元段热流密度（以管内表面积为基准），是计算制冷剂侧换热系数的必需已知量；

9）调用制冷剂侧换热系数计算程序，算；

10） 计算局部传热系数（以管内表面积为基准）

其中 为肋化系数，为空气侧垢阻，

为空气侧的当量换热系数；

11） 计算局部微元段热流密度；

12） 与比较，调整；

13） 计算该干度段的压降，下一干度段的压力为，返回6），进行下一干度段的计算；

14） 每个通路肋管总长；

15） 计算蒸发器的长宽高。

随着现代科技和生产的发展，人们在设计一个工程系统时，总是希望得到一个最优的方案。所谓最优，往往表现为投资最少，利润最大，时间最省，产量最高，运行费最省等等。

从数学的角度看，最优化的问题实质就是求最大最小的问题。

从优化的对象看，我们在这里进行运行参数的优化，即通过优化制冷装置的参数来节能。

因此，制冷装置设计的优化问题，就是确定一组设备结构和运行参数的最优值。

我们在这里选用作为性能指标，其中，为空气侧耗功，为制冷剂侧耗功。选用风速和制冷剂质量流速作为独立变量。以下我们将要讨论这两个独立变量对性能指标的影响，以及其最佳取值。

4.1 蒸发器中制冷剂的质量流速与压力降问题

制冷剂在管内蒸发时，管内制冷剂的质量流速越大，管内沸腾换热系数越高，然而流速的加大又将引起管内制冷剂的压力降增大，所以对每一种情况，必然存在一个最优值。

4.1.1 沿程压降公式

Jung等人（1989，1993）【4】针对R22，R114，R12，R152a等工质及其混合物在水平管内受迫对流沸腾时的压降实验数据与以往的知名公式作了比较，并拟合出更符合实验数据的压降公式。

（1）

其中

本公式适用于纯质和混合物。

4.1.2 局部压降公式

局部压降公式我们采用文献【3】推荐的公式：

（2）

其中

为每个通路的弯头数；

为弯头的局部阻力系数，无油时约等于0.8~1.0；

为弯头的摩擦阻力系数，无油时，此处是弯曲半径；

为制冷剂的平均比容，单位为；

为制冷剂质量流速，单位为

4.1.3 制冷剂最佳质量流速的选择

制冷剂最佳质量流速处在使最大的时候，其中，为制冷剂通过蒸发器时的压降，为制冷剂的体积流量。

经比较，作者推荐的取值范围为，具体取值请通过程序参照下面的例子选择。此取值对实验起指导作用，实验用值还需根据具体情况由实验确定。

比较举例：R22在、、时

表1 制冷剂侧最佳流速的选择

80 1.44
90 1.476
94 1.486
95 2.13
100 2.09
110 2.02
120 1.94

由上表可知，此时的最佳值为

4.2 考虑压降和不考虑压降的比较

作者在这里只比较一下R22和R134a考虑压降和不考虑压降情况下设计出的蒸发器尺寸值。

表2 R22考虑压降和不考虑压降的比较 R22 蒸发温度 被冷却空气进出口温度（℃）
  
蒸发器结构 考虑压降 H 1.08 1.11 0.9 23～12
B 1 0.995 1.181
L 0.156 0.156 0.156
压降（kpa） 2.78 2.0 2.2
温降（℃） 0.12 0.08 0.09
不考虑压降 H 1.08 1.11 0.9
B 1. 0.9974 1.184
L 0.156 0.156 0.156
面积变化 0 0.24% 0.25%
制冷热负荷（w） 70570 62000 50460

表3 R134a考虑压降和不考虑压降的比较 R134a 蒸发温度 被冷却空气进出口温度（℃）
  
蒸发器结构 考虑压降 H 1.11 1.17 0.96 23～12
B 1 0.976 1.15
L 0.156 0.156 0.156
压降（kpa） 3.86 2.58 2.74
温降（℃） 0.25 0.16 0.17
不考虑压降 H 1.11 1.17 0.96
B 1.01 0.98 1.155
L 0.156 0.156 0.156
面积变化 1% 0.41 0.43%
制冷热负荷（w） 70570 62000 50460

由以上比较可以看出，考虑压降比不考虑压降设计出的蒸发器尺寸稍微小一点，这主要是因为随压力降低，蒸发温度降低。但考虑压降和不考虑压降情况设计出的蒸发器尺寸相差不大。

4.3 空气侧流速

空气流经空气冷却器时的流动阻力可按文献【3】中推荐的公式计算

（3）

式中，为表面状况系数，对于不平整的表面，对于精工制作的表面，其它符号意义同前。

空气侧最佳流速处在使最大的时候，其中，，为空气横向掠过肋管时的压降（参见文献[3]），为空气的体积流量。

作者经比较知当管外为平翅片时最佳空气流速为左右。

5 小结
1．采用分段分析法对直接蒸发式空气冷却器进行了计算机模拟，对空气侧和制冷剂侧的压降都给予了考虑，并推荐出了最佳空气流速和最佳制冷剂侧流速的决定方法。模拟的结果比较表明，考虑制冷剂侧压降对换热的影响不大。

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