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翅片管换热器流程布置研究现状与发展

日期:2006-4-4 12:48:33 来源:来自网络 查看:[大 中 小] 作者：未知 热度：

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邓 斌,王惠林,林 澜(广东科龙电器股份有限公司,广东528303)

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，Ｄｏ ｍａｎｓｋｉ,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。