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        平行流換熱器應(yīng)用在房間空調(diào)器的仿真研究

        2015-11-15 07:22:10盧鏡明王銘坤林堅(jiān)生
        家電科技 2015年5期
        關(guān)鍵詞:翅片冷凝器開(kāi)窗

        盧鏡明 王銘坤 林堅(jiān)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(jì)使得冷凝器的有效容積得到合理利用,使制冷劑的流動(dòng)和換熱情況更趨合理。近年來(lái),平行流冷凝器開(kāi)始從汽車(chē)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(shì)。平行流換熱器的眾多結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(shì)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(xiàng)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(kāi)窗角度、翅片開(kāi)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(duì)其整體性能的影響規(guī)律。

        1 數(shù)學(xué)模型

        基于以下假設(shè)建模:

        (1)管外側(cè)空氣的流動(dòng)簡(jiǎn)化為一維流動(dòng)。

        (2)管內(nèi)制冷劑流動(dòng)簡(jiǎn)化為一維流動(dòng),忽略管內(nèi)制冷劑軸向?qū)嵋约爸亓?duì)傳熱和壓降的影響。

        (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(shí)產(chǎn)生的局部壓降忽略不計(jì)。

        (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(shí)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(dòng)方向分成若干計(jì)算微元,對(duì)于單相區(qū),微元通過(guò)制冷劑溫度的等分來(lái)劃分,對(duì)于兩相區(qū),微元通過(guò)焓差進(jìn)行等分實(shí)現(xiàn)。取微元為控制體,運(yùn)用質(zhì)量守恒、能量守恒和動(dòng)量守恒定律,建立穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真。

        1.1 平行流冷凝器空氣側(cè)模型

        Kim和Bullard根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出空氣側(cè)的換熱關(guān)聯(lián)式[4]。對(duì)于干工況,在雷諾數(shù)ReLp=100~600,F(xiàn)p/Lp<1時(shí),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(zhǎng)度(m);Ll—百葉窗長(zhǎng)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)。

        1.2 平行流冷凝器制冷劑側(cè)模型

        (1)對(duì)于單相區(qū),過(guò)冷段和過(guò)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(kāi)窗角度變化關(guān)系

        圖3 換熱能力和空氣側(cè)壓降隨開(kāi)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?cái)?shù);△y為步長(zhǎng);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(duì)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?cái)?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)。

        2 平行流冷凝器仿真分析

        2.1 條件說(shuō)明

        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(zhǎng)度687mm。

        制冷劑:R22。

        空氣入口溫度35℃,相對(duì)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 翅片參數(shù)

        2.2.1 開(kāi)窗角度

        圖2是換熱能力和空氣側(cè)壓降隨開(kāi)窗角度變化關(guān)系曲線,隨著翅片開(kāi)窗角度加大,換熱器換熱能力上升。經(jīng)分析,翅片開(kāi)窗角度加大,翅片開(kāi)窗凸起增高,空氣側(cè)氣流擾動(dòng)更強(qiáng)烈,因而換熱器換熱性能得到提升。而且,開(kāi)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(kāi)窗角度能提高換熱器換熱能力。

        然而,這種趨勢(shì)呈現(xiàn)逐漸減緩的趨勢(shì),在2°~5°區(qū)間,開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(shí),隨著開(kāi)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(shí),開(kāi)窗角度過(guò)大給加工工藝帶來(lái)較大困難,存在質(zhì)量隱患等問(wèn)題。

        因此,綜合考慮,翅片開(kāi)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(kāi)窗數(shù)

        圖3換熱能力和空氣側(cè)壓降隨開(kāi)窗數(shù)變化關(guān)系曲線,隨著開(kāi)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(kāi)窗數(shù)達(dá)到8以后,空氣側(cè)壓降不再上升,開(kāi)窗數(shù)超過(guò)10后,空氣側(cè)壓降緩慢下降。目前使用的翅片開(kāi)窗數(shù)為12,在工藝可接受的前提下,可考慮適當(dāng)增加開(kāi)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(shì)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 扁管參數(shù)

        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(shí),由于通風(fēng)面積增大,氣流速度減小,對(duì)換熱性能又是不利的。因此,扁管間距的變化對(duì)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(zhǎng)趨勢(shì)逐漸減緩,扁管間距大于20mm以后,換熱能力增長(zhǎng)相當(dāng)緩慢??梢灶A(yù)測(cè),極限情況下,換熱能力最終會(huì)有下滑趨勢(shì)。而空氣側(cè)壓降隨著扁管間距的增大而逐漸減小,趨勢(shì)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(shí)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(shí),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(dòng)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?。欢评鋭航惦S著扁管高度的減小先緩慢上升,后加速上升,詳見(jiàn)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。

        3 結(jié)論

        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(duì)其性能的影響。結(jié)果表明:

        (1)適當(dāng)加大翅片開(kāi)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(kāi)窗數(shù)可在降低空氣側(cè)壓降的同時(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(duì)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(cè)試,檢驗(yàn)仿真精度,并繼續(xù)研究和提高仿真技巧。

        [1] 彭明,張雪平. 平流式冷凝器模擬計(jì)算及試驗(yàn)研究[J]. 制冷與空調(diào) ( 四川 ),2008(1):6 ~ 11.

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