盧鏡明 王銘坤 林堅生
(珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070)
平行流冷凝器是一種新型高效緊湊式換熱器,材質(zhì)為全鋁,由多孔扁管和百葉窗翅片組成,其變流程的結(jié)構(gòu)設(shè)計使得冷凝器的有效容積得到合理利用,使制冷劑的流動和換熱情況更趨合理。近年來,平行流冷凝器開始從汽車應(yīng)用到家用空調(diào)器,成為最有前途的冷凝器形式之一,高效化、小型化、輕量化、低成本化是平行流冷凝器空調(diào)的發(fā)展方向[1-3]。大量研究表明,平行流換熱器相比于翅片管冷凝器而言,具有體積小、重量輕、材料成本低及換熱效率高等突出優(yōu)勢。平行流換熱器的眾多結(jié)構(gòu)參數(shù)對其性能的發(fā)揮具有重要影響,合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)(組合)將使其優(yōu)勢得到充分發(fā)揮。
本文結(jié)合目前平行流換熱器在窗機(jī)應(yīng)用的項目背景,應(yīng)用制冷系統(tǒng)仿真軟件CoilDesigner研究了平行流冷凝器翅片開窗角度、翅片開窗數(shù)、翅片厚度、扁管間距及扁管高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對其整體性能的影響規(guī)律。
基于以下假設(shè)建模:
(1)管外側(cè)空氣的流動簡化為一維流動。
(2)管內(nèi)制冷劑流動簡化為一維流動,忽略管內(nèi)制冷劑軸向?qū)嵋约爸亓鳠岷蛪航档挠绊憽?/p>
(3)管內(nèi)各通道內(nèi)制冷劑流量分配均勻。
(4)每一流程結(jié)束后制冷劑匯合時產(chǎn)生的局部壓降忽略不計。
(5)換熱器工作在穩(wěn)定的工況下,空氣和制冷劑側(cè)各參數(shù)不隨時間變化。
(6)忽略不凝性氣體影響及管內(nèi)外污垢熱阻。
把平行流冷凝器沿制冷劑流動方向分成若干計算微元,對于單相區(qū),微元通過制冷劑溫度的等分來劃分,對于兩相區(qū),微元通過焓差進(jìn)行等分實現(xiàn)。取微元為控制體,運(yùn)用質(zhì)量守恒、能量守恒和動量守恒定律,建立穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真。
Kim和Bullard根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合出空氣側(cè)的換熱關(guān)聯(lián)式[4]。對于干工況,在雷諾數(shù)ReLp=100~600,F(xiàn)p/Lp<1時,Kim和Bullard得到j(luò)和f的關(guān)聯(lián)式,其均方根誤差分別為±14.5%和±7%。
空氣側(cè)傳熱系數(shù):
空氣側(cè)壓力降:
(1)~(4)式中:ReLp—基于百葉窗間距的空氣側(cè)雷諾數(shù);La—百葉窗角度(°);Fp—翅片間距(m);Lp—百葉窗間距(m);H—翅片高度(m);Fl—翅片長度(m);Ll—百葉窗長度(m);δf—翅片厚度(m);f—翅片厚度(m);Tp—扁管之間間距即翅片高度+扁管高度(m);ρa(bǔ)—空氣密度(kg/m3);Va,max-最小截面風(fēng)速(m/s);ca—空氣定壓比熱(J/(kg?℃));Dh,a—空氣側(cè)水力直徑(m)。
(1)對于單相區(qū),過冷段和過熱段的制冷劑側(cè)換熱系數(shù)均選取Gnielinski[5]關(guān)聯(lián)式。
壓降關(guān)聯(lián)式選用Blasius[6]摩擦因子關(guān)聯(lián)式:
圖1 流路分布示意圖
圖2 換熱能力和空氣側(cè)壓降隨開窗角度變化關(guān)系
圖3 換熱能力和空氣側(cè)壓降隨開窗數(shù)變化關(guān)系
(5)~(10)式中,Nuf—努賽爾數(shù);f-制冷劑摩擦因子;Ref—制冷劑側(cè)雷諾數(shù);Prr—制冷劑側(cè)普朗特數(shù);△y為步長;Dhr-制冷劑側(cè)水力直徑,m;Gr-制冷劑質(zhì)量流速,kg/(m2?s);ρr-單相區(qū)制冷劑密度,kg/m3。
(2)對于兩相區(qū),制冷劑側(cè)換熱系數(shù)選取Dobson和Chato的關(guān)聯(lián)式[7]:
式中:Nu—努賽爾數(shù);Rel—液相區(qū)雷諾數(shù);Prl—液相區(qū)普朗特數(shù);ρg—?dú)庀鄥^(qū)制冷劑密度(kg/m3);ρl—液相區(qū)制冷劑密度(kg/m3);μl—液相區(qū)摩擦速度(m/s);μg—?dú)庀鄥^(qū)摩擦速度(m/s);x—制冷劑干度。
摩擦壓降關(guān)聯(lián)式選用Ming Zhang和R.L.Webb[8]摩擦因子關(guān)聯(lián)式:
式中:P-制冷劑壓力(Pa);Pc-制冷劑臨界壓力(Pa)。
圖1是平行流冷凝器流路分布示意圖。扁管數(shù)40,流路安排18-12-6-4,扁管長度687mm。
制冷劑:R22。
空氣入口溫度35℃,相對濕度40%;風(fēng)量1590m3/h,迎風(fēng)面風(fēng)速均勻分布。
制冷劑入口參數(shù):壓力2195kPa,溫度86℃。
制冷劑出口參數(shù):溫度40℃。
2.2.1 開窗角度
圖2是換熱能力和空氣側(cè)壓降隨開窗角度變化關(guān)系曲線,隨著翅片開窗角度加大,換熱器換熱能力上升。經(jīng)分析,翅片開窗角度加大,翅片開窗凸起增高,空氣側(cè)氣流擾動更強(qiáng)烈,因而換熱器換熱性能得到提升。而且,開窗角度的變化并不影響換熱器的總質(zhì)量和總體尺寸。因此,增大翅片開窗角度能提高換熱器換熱能力。
然而,這種趨勢呈現(xiàn)逐漸減緩的趨勢,在2°~5°區(qū)間,開窗角度每增大1°,換熱能力平均增大257.7W;而在12°~15°區(qū)間,開窗角度每增大1°,換熱能力平均增大58.7W,增幅明顯減??;在32°~35°區(qū)間,開窗角度每增大1°,換熱能力平均增幅已經(jīng)下降到了20.3W,經(jīng)濟(jì)性明顯薄弱。
圖4 換熱能力和空氣側(cè)壓降隨翅片厚度變化關(guān)系
圖5 換熱能力和空氣側(cè)壓降隨扁管間距變化關(guān)系
圖6 換熱能力隨扁管高度變化關(guān)系
圖7 制冷劑壓降和制冷劑流量隨扁管高度變化關(guān)系
同時,隨著開窗角度的增大,空氣側(cè)壓降也在上升,這意味著風(fēng)機(jī)要消耗更多的電能。同時,開窗角度過大給加工工藝帶來較大困難,存在質(zhì)量隱患等問題。
因此,綜合考慮,翅片開窗角度應(yīng)盡量大于12°,并適當(dāng)增大,以增大換熱器的能力。
2.2.2 開窗數(shù)
圖3換熱能力和空氣側(cè)壓降隨開窗數(shù)變化關(guān)系曲線,隨著開窗數(shù)的增加,換熱器換熱能力跟著增加,空氣側(cè)壓降也跟著快速上升,但開窗數(shù)達(dá)到8以后,空氣側(cè)壓降不再上升,開窗數(shù)超過10后,空氣側(cè)壓降緩慢下降。目前使用的翅片開窗數(shù)為12,在工藝可接受的前提下,可考慮適當(dāng)增加開窗數(shù)。
2.2.3 厚度
圖4是換熱能力和空氣側(cè)壓降隨翅片厚度變化關(guān)系曲線,隨著翅片厚度的增大,換熱器換熱能力增大;而空氣側(cè)壓降先減小后增大,在翅片厚度0.17mm附近取得最小值,該趨勢原因有待進(jìn)一步研究。
由于目前使用的翅片厚度約為0.08mm,可以適當(dāng)增大翅片厚度,這樣既有利于換熱能力的提升,也有利于空氣側(cè)壓降的減小。
2.3.1 間距
隨著扁管間距加大,空氣側(cè)換熱面積加大,有利于換熱;同時,由于通風(fēng)面積增大,氣流速度減小,對換熱性能又是不利的。因此,扁管間距的變化對換熱能力的影響因?qū)嶋H而異。
圖5是換熱能力和空氣側(cè)壓降隨扁管間距變化關(guān)系曲線,換熱能力隨著扁管間距的加大而加大,但增長趨勢逐漸減緩,扁管間距大于20mm以后,換熱能力增長相當(dāng)緩慢??梢灶A(yù)測,極限情況下,換熱能力最終會有下滑趨勢。而空氣側(cè)壓降隨著扁管間距的增大而逐漸減小,趨勢也是逐漸減緩。
設(shè)扁管間距為h(單位mm),換熱器總高度為H(單位mm),換熱器總質(zhì)量為m(單位kg),易推得:
即換熱器總高度和總質(zhì)量均與扁管間距呈正比關(guān)系,均隨著扁管間距的增大而增大。目前使用的扁管間距在10mm左右,根據(jù)實際情況,扁管間距仍可適當(dāng)加大。
2.3.2 高度
圖6是換熱能力隨扁管高度變化關(guān)系曲線,在扁管高度小于1.0mm時,換熱器換熱能力隨著扁管高度的增大而迅速增大,換熱能力在1.0mm附近達(dá)到最大值,之后換熱能力隨著扁管高度的增大而減小。
這是由于,一方面,平行流換熱器細(xì)孔內(nèi)換熱系數(shù)與水力直徑成反比,流道尺度降低有利于換熱系數(shù)的提升。另一方面,隨著扁管高度的減小,細(xì)孔尺度減小,內(nèi)部流動阻力增大。綜合結(jié)果是,隨著扁管高度的減小,制冷劑流量先增大后減??;而制冷劑壓降隨著扁管高度的減小先緩慢上升,后加速上升,詳見圖7制冷劑壓降和制冷劑流量隨扁管高度變化關(guān)系曲線。
本文利用軟件CoilDesigner研究了平行流冷凝器扁管和翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對其性能的影響。結(jié)果表明:
(1)適當(dāng)加大翅片開窗角度有利于換熱能力的提高,但空氣側(cè)壓降將增大。
(2)適當(dāng)增加翅片開窗數(shù)可在降低空氣側(cè)壓降的同時提高換熱能力。
(3)適當(dāng)增大翅片厚度可在降低空氣側(cè)壓降的同時提高換熱能力;適當(dāng)增大扁管間距可在降低空氣側(cè)壓降的同時提高換熱能力。
(4)扁管高度既不是越大越好,也不是越小越好,存在一個最佳的扁管高度,使換熱能力獲得最大值。
后續(xù)將繼續(xù)探索其他結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對平行流冷凝器的性能影響規(guī)律,并就仿真結(jié)果做樣機(jī)測試,檢驗仿真精度,并繼續(xù)研究和提高仿真技巧。
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