劉金平,葉立平,祁元龍

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院,廣州510640)

0 引言

蒸發(fā)器作為制冷裝置四大部件之一,其換熱效果直接影響制冷裝置的性能和運行的經(jīng)濟性,若采用緊湊、高效的換熱器,不僅可使整個裝置的體積減小、重量減輕,而且由于裝置的功耗減小,使其能效比大為提高,因此,研究各種高效、緊湊的新型換熱器勢在必行。近年來,制冷裝置中的換熱器也由平直翅片發(fā)展成各種新型翅片,如:波紋板式,百葉窗式,穿孔翅片等。影響翅片管換熱器性能的因素有很多,包括:翅片間距,管排數(shù),管徑,管間距,流路分布等,而由于國內(nèi)外甚至國內(nèi)各廠家生產(chǎn)技術(shù)水平的差異,造成對翅片管換熱器的主要影響因素也不一樣。換熱器的主要熱阻在空氣側(cè),國內(nèi)外學(xué)者對干濕工況下空氣側(cè)換熱特性以及壓降特性做了大量的研究,劉金平[1]等實驗研究了析濕工況下管排數(shù)對波紋翅片管換熱器空氣側(cè)換熱與壓降特性的影響,得出2排管的換熱因子要比1排管的換熱因子大約60%的結(jié)論;張圓明[2]等通過對7個帶親水層波紋翅片管換熱器進行實驗研究,分析了翅片間距,管排數(shù),入口相對濕度對帶親水層對翅片管換熱器傳熱以及壓降的影響;C.C.Wang[3]對18臺波紋翅片管換熱器進行了實驗研究,結(jié)果顯示翅片間距對換熱性能影響可以忽略,在低雷諾數(shù)區(qū)域,管排數(shù)對換熱系數(shù)的影響不顯著,但在高雷諾數(shù)區(qū)由于渦流的產(chǎn)生換熱系數(shù)隨管排數(shù)的增多而增大,壓降因子與管排數(shù)無關(guān);李斌[4]等在析濕工況下對6個正弦波紋管換熱器進行了實驗研究,得出對流換熱系數(shù)是干工況時的2.9～2.8倍,阻力系數(shù)是2.25～1.9倍的結(jié)論。然而研究的結(jié)論不盡相同,劉金平[1]等通過實驗得出2排管的換熱效果比1排管換熱效果好,而馬小魁[5]通過實驗得出3排比2排開縫翅片管換熱器的換熱因子大。并且多數(shù)學(xué)者對換熱器的研究拘泥于定頻壓縮機制冷系統(tǒng),所得出的結(jié)論不適合于變頻系統(tǒng)。為研究管排數(shù)對某公司產(chǎn)翅片管換熱器在變頻制冷系統(tǒng)下的影響,本文針對該公司所生產(chǎn)翅片管蒸發(fā)器進行實驗研究。

1 實驗裝置

實驗研究在開式風(fēng)洞臺上進行,實驗裝置如圖1所示,由開式空氣回路和制冷劑回路組成。開式空氣回路包括離心風(fēng)機,空氣采樣器,整流器等組成,空氣采樣器用于采集蒸發(fā)器前后的空氣樣本,來流空氣的干濕球溫度由兩支經(jīng)過標定的精度為±0.1℃的Pt100鉑電阻溫度傳感器測量,整流器用于平均入口來流空氣,從而可以忽略蒸發(fā)器迎面風(fēng)速的不均勻性,蒸發(fā)器迎面風(fēng)速由一臺3kW變頻離心風(fēng)機控制。流經(jīng)換熱器的風(fēng)量由一個標準ISA1932噴嘴測量。噴嘴前后的壓差由一個量程為0～750Pa,精度為±0.75Pa的微差壓傳感器測量,從而得出通過噴嘴的空氣流量。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖

同樣的一個差壓傳感器置于換熱器前后,用于測量蒸發(fā)器前后壓差。制冷劑回路由被動調(diào)節(jié)變頻壓縮機提供循環(huán)動力;制冷劑進出蒸發(fā)器的壓力由兩個精度為0.15級的PM100壓力傳感器測量。制冷劑的進出口溫度由兩支T型熱電偶測量,銅管外壁溫度由21支T型熱電偶測量,所有使用的T型熱電偶均經(jīng)過標定,其精度為±0.1℃。

實驗研究對象為某廠家生產(chǎn)的翅片管換熱器,由整體式鋁合金翅片和紫銅管組成。具體幾何尺寸見表1。

表1 樣本波紋翅片管換熱器幾何尺寸表

實驗條件為環(huán)境干球溫度29.4℃,濕球溫度26.3℃。實驗用制冷劑為R22。

2 實驗結(jié)果與討論

在上述實驗系統(tǒng)中對研究對象進行了換熱能力的實驗測量,實驗中,通過改變迎面風(fēng)速和壓縮機運行頻率來考察2個不同排管數(shù)的蒸發(fā)器的換熱能力。

2.1 管排數(shù)對制冷量的影響

由圖2可以看出,翅片管蒸發(fā)器的換熱量隨著壓縮機運行頻率的上升而增加,在相同壓縮機運行頻率和相同迎面風(fēng)速下,4排管換熱量大于2排管換熱量。當壓縮機的運行頻率達到50Hz時,換熱量隨著壓縮機頻率的上升變化緩慢。圖3反映的是平均單排管換熱量隨壓縮機頻率的變化,圖中可以看出,2排管換熱器的平均單管排換熱量明顯大于4排管的。圖2、圖3還反映出,在相同的壓縮機運行頻率下,換熱量隨著風(fēng)速的增加而增大。選取換熱量最大時的頻率做分析,2排管以壓縮機運行頻率40Hz為例,迎面風(fēng)速1m/s換熱量比迎面風(fēng)速0.5m/s時增加 28.9%,而迎面風(fēng)速為1.5m/s比1m/s增加3.2%,迎面風(fēng)速2.0m/s比1.5m/s時增加2.7%。4排管以工頻50Hz為例,迎面風(fēng)速1m/s換熱量比迎面風(fēng)速0.5m/s時增加21.3%,而迎面風(fēng)速為 1.5m/s比 1m/s增加 5.7%,迎面風(fēng)速2.0m/s比1.5m/s時增加3.5%。

可能的原因為:空氣流經(jīng)換熱管時將產(chǎn)生渦流,在相同的壓縮機運行頻率下,當迎面風(fēng)速較高時,由于渦流的存在,換熱器空氣側(cè)的空氣流動和溫度分布很容易變得不穩(wěn)定,空氣能夠較好的混合,從而導(dǎo)致較高的換熱效果。此時管排數(shù)對空氣側(cè)換熱特性的影響便可忽略。而隨著迎面風(fēng)速的降低,換熱器下游的湍流影響逐漸消失。隨著管排數(shù)的增加,換熱器空氣側(cè)的流動越趨于穩(wěn)定。因此在較低風(fēng)速的時候管排數(shù)對換熱的影響變得顯著。

從上述2圖還可以看出,當頻率較低時,制冷量隨著頻率的增大幾乎成線性增大,當頻率到達某一值時,制冷量的增加隨著頻率的增大趨于緩慢。這是因為隨著壓縮機頻率的增加,壓縮機轉(zhuǎn)速的增加導(dǎo)致輸氣量的增加,蒸發(fā)器壓力下降,單位質(zhì)量制冷量減小,但在達到峰值以前,增大質(zhì)量流量仍在傳熱中占主導(dǎo)地位,所以制冷量會逐漸增大。但是壓縮機頻率的進一步增加,蒸發(fā)溫度的下降會使單位質(zhì)量制冷量進一步減小,這時單位質(zhì)量制冷量的降低占主導(dǎo)地位,制冷量反而會下降,抑制了制冷量的進一步上升,這就是制冷量出現(xiàn)峰值的原因,在峰值過后,傳熱溫差占優(yōu)勢,制冷量又開始下降。

2.2 管排數(shù)對傳熱系數(shù)及空氣側(cè)壓降的影響

由圖4可以看出,實驗所研究的2個蒸發(fā)器,其傳熱系數(shù)隨著壓縮機頻率的增加而不斷減小,當壓縮機在較高頻率運轉(zhuǎn)時,傳熱系數(shù)的大小趨于不變,并且迎面風(fēng)速對傳熱系數(shù)的影響越來越小。在相同的迎面風(fēng)速下,傳熱系數(shù)隨管排數(shù)的增加而減小。相同頻率時2排管傳熱系數(shù)均大于4排管傳熱系數(shù)。

圖5反映空氣側(cè)壓降隨迎面風(fēng)速的上升而增加,4排管壓降明顯大于2排管的壓降,并隨著迎面風(fēng)速的增加這個差別也增大。

析濕系數(shù)是一個無量綱數(shù),其值等于空氣與換熱器總熱交換量與顯熱交換量的比值,析濕系數(shù)的大小一定程度上反映了換熱器上凝結(jié)水析出的多少。

這種趨勢可以做以下解析:蒸發(fā)溫度隨著壓縮機運行頻率的增加而不斷降低,當蒸發(fā)器的溫度低于空氣的露點溫度時會產(chǎn)生冷凝水,蒸發(fā)器溫度越低產(chǎn)生的冷凝水越多,在相同的壓縮機運行頻率時,蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度隨著管排數(shù)的增加而降低。圖6可以看出實驗工況下析濕系數(shù)較大,產(chǎn)生較多的冷凝水。由于實驗用蒸發(fā)器不帶親水層,冷凝水不能很好的排出去,當冷凝水把整個換熱器覆蓋后,空氣與換熱器的對流換熱變成了水膜與換熱器的導(dǎo)熱,從而換熱器迎面風(fēng)速對傳熱系數(shù)的影響很小,并且因為增加管排數(shù)后,管后渦流區(qū)的范圍會擴大,其對換熱的惡化作用將增強。如此大大的降低了蒸發(fā)器的換熱效果。這與文獻 [2]實驗研究結(jié)論相類似。從圖7可以看出,隨著壓縮機頻率的增加,2排管換熱溫差較4排管換熱溫差大,從而2排管換熱效果優(yōu)于4排管換熱效果。同樣由于冷凝水的原因,造成空氣流經(jīng)換熱器時更大的阻力。4排管由于蒸發(fā)壓力低于2排管,所凝結(jié)的冷凝水少于2排管,因此4排管換熱器空氣壓降較2排管小,并隨著壓縮機工作頻率的增加而更明顯。

3 結(jié)論

(1)管排數(shù)對蒸發(fā)器換熱量影響比較明顯,平均單位管排換熱量2排管優(yōu)于4排管。

(2)蒸發(fā)器傳熱系數(shù)隨著壓縮機運行頻率的增加而降低,2排管傳熱系數(shù)大于4排管傳熱系數(shù)。

(3)析濕工況下,2排管換熱器空氣側(cè)壓降小于4排管空氣側(cè)壓降,并隨著壓縮機頻率的增加更明顯。

[1] 劉金平,戴紹碧,葉立平.析濕工況下波紋翅片管換熱器空氣側(cè)換熱與壓降特性 [J].化工學(xué)報,2009,60(10):2438-2445

[2] 張圓明,丁國良,馬小魁.帶親水層波紋翅片管換熱器空氣側(cè)特性的參數(shù)影響分析[J].制冷學(xué)報,2007,28(2):16-21

[3] Wang C C,Fu W L,Chang C T.Heat transfer and friction characteristics of typical wavy fin-and-tube heat exchangers.Experimental Thermal and Fluid Science,1997,14(2):174-186

[4] 李斌,李惠珍,康海軍,等.析濕正弦波紋翅片管束的熱質(zhì)交換特性研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報,1996,30(8):57-62

[5] 馬小魁,丁國良,張圓明.帶親水層條縫型翅片管換熱器析濕工況空氣側(cè)換熱與壓降特性[J].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報,2007,21(4):575-580