王強(qiáng)劉燕龍劉祖一戴希燦

（1山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院 濟(jì)南 250101；2山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?濟(jì)南 250013；3中國(guó)五洲工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 北京 100053；4德州中傲空調(diào)設(shè)備有限公司 德州 253000）

不均勻風(fēng)速分布下翅片管換熱器的優(yōu)化分析與實(shí)驗(yàn)

王強(qiáng)1劉燕龍2劉祖一3戴希燦4

（1山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院 濟(jì)南 250101；2山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?濟(jì)南 250013；3中國(guó)五洲工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 北京 100053；4德州中傲空調(diào)設(shè)備有限公司 德州 253000）

風(fēng)速分布對(duì)翅片管換熱器性能影響較大。本文在換熱器結(jié)構(gòu)尺寸、空氣進(jìn)口狀態(tài)一定的條件下，對(duì)三種典型風(fēng)速分布時(shí)翅片管換熱器的流程布置形式進(jìn)行了仿真優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：在上三角和中三角兩種風(fēng)速分布形式下，優(yōu)化后制冷量分別提高了10.3%、3%；對(duì)于上三角優(yōu)化形式，高風(fēng)速區(qū)是改善換熱效果的重點(diǎn)區(qū)域；在制冷量相同的情況下，上三角優(yōu)化形式使系統(tǒng)COP提高8%左右。搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，表明模擬值和實(shí)驗(yàn)值相對(duì)誤差均控制在5%以內(nèi)。

翅片管換熱器；不均勻風(fēng)速；優(yōu)化分析；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

翅片管換熱器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用范圍廣等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于制冷空調(diào)裝置中。但由于運(yùn)行環(huán)境、表面積灰等原因使得在實(shí)際運(yùn)行中換熱器迎面風(fēng)速分布不均勻，導(dǎo)致性能降低。因此，如何有效減小風(fēng)速分布不均對(duì)換熱器性能的影響是現(xiàn)階段研究的重點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在翅片管換熱器的仿真模擬研究方面做了大量的工作。Domanski P A等［1-3］開發(fā)了EVAP-COND軟件，并對(duì)不同制冷劑的蒸發(fā)器性能進(jìn)行仿真研究。黃東等［4-7］利用EVAP-COND軟件對(duì)翅片管換熱器做了大量的仿真研究，包括 R22和R410A熱泵性能隨支路數(shù)的變化等。李權(quán)旭等［8］研究了風(fēng)速分布對(duì)雙排管兩流路蒸發(fā)器性能的影響。張春路等［9］研究了四種典型的不均勻風(fēng)速分布形式及風(fēng)速不均勻度對(duì)熱泵空調(diào)中冷凝和蒸發(fā)兩用換熱器性能的影響，并對(duì)比了三種不同流路布置的換熱器性能。綜合相關(guān)文獻(xiàn)研究可以看出，現(xiàn)階段對(duì)翅片管換熱器的仿真模擬，主要研究了支路數(shù)、風(fēng)速分布等對(duì)換熱器性能的影響。而對(duì)翅片管換熱器流程形式優(yōu)化的研究較少，也沒(méi)有從對(duì)系統(tǒng)COP影響的角度進(jìn)行的研究。

本文針對(duì)R22制冷劑，利用仿真軟件對(duì)三種典型風(fēng)速分布條件下翅片管蒸發(fā)器流程進(jìn)行優(yōu)化，提出了三種對(duì)應(yīng)的優(yōu)化流程布置形式，對(duì)優(yōu)化后的換熱器性能進(jìn)行了研究，分析了其對(duì)系統(tǒng)COP的影響，并搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

表1 蒸發(fā)器尺寸參數(shù)Tab.1 Parameters of evaporator

1 運(yùn)行條件

為使研究結(jié)果具有參考性、對(duì)比性，換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)、回路布置形式等與文獻(xiàn)［7］相同，分別見表1和圖1；將蒸發(fā)器制冷劑出口狀態(tài)作為設(shè)定條件，如表2所示?？諝獾倪M(jìn)口狀態(tài)采用GB／T 7725—2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》［10］規(guī)定的數(shù)據(jù)。

表2 模擬運(yùn)行條件Tab.2 Simulation conditions

圖1 換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)及回路布置形式Fig.1 Parameters of heat exchanger and circuit type

2 模擬結(jié)果及分析

對(duì)于制冷劑側(cè)，先確定制冷劑側(cè)兩相區(qū)和過(guò)熱區(qū)臨界點(diǎn)，并采用相應(yīng)的傳熱和壓降公式。單相區(qū)的傳熱關(guān)聯(lián)式采用McAdams公式，兩相區(qū)的沸騰表面換熱系數(shù)采用Thom公式。制冷劑在單相區(qū)的壓降采用Blasius公式，兩相區(qū)的壓降采用Muller Steinhagen公式。

2.1 模擬結(jié)果

利用軟件在設(shè)定的優(yōu)化條件下進(jìn)行仿真，可得到不同風(fēng)速分布下，換熱器對(duì)應(yīng)的優(yōu)化布置形式，如圖2所示。

2.2 結(jié)果分析與研究

2.2.1 優(yōu)化形式性能對(duì)比

圖3為均勻風(fēng)速優(yōu)化形式、中三角風(fēng)速優(yōu)化形式和上三角優(yōu)化形式3種不同優(yōu)化形式換熱器在圖1所示5種不同回路布置下的換熱量、制冷劑流量的比較。

圖3對(duì)比結(jié)果表明：在上三角、中三角風(fēng)速分布下，與圖1中換熱量最大的3回路形式相比，優(yōu)化形式的換熱量分別提高了10.3%和3%；制冷劑流量分別增加了9.3%和2.3%。優(yōu)化形式能夠較大程度地提高蒸發(fā)器的換熱量；上三角風(fēng)速優(yōu)化形式換熱量、制冷劑流量提高比例更大，主要是由其風(fēng)速不均勻性大于中三角形式造成的，風(fēng)速不均勻性越大，優(yōu)化提高的空間也越大。

圖2 各風(fēng)速分布下優(yōu)化形式Fig.2 Optim ization type with different air velocity distribution

圖3 優(yōu)化形式對(duì)比Fig.3 Com parison of optim ization type

在制冷空調(diào)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，風(fēng)速分布受換熱器外形尺寸、安裝空間、風(fēng)機(jī)等影響，往往是不確定的。為研究各優(yōu)化形式在不同風(fēng)速條件下的適用性，對(duì)各優(yōu)化形式在3種不同風(fēng)速分布條件下的換熱量進(jìn)行分析，如圖4所示。

由圖4可以看出，上三角優(yōu)化形式換熱器除在上三角風(fēng)速分布條件下的換熱量為最大之外，在均勻風(fēng)速和中三角風(fēng)速兩種風(fēng)速分布條件下的換熱量均為最小值；而中三角優(yōu)化形式換熱器除了在中三角風(fēng)速分布條件下的換熱量較大，在上三角及均勻風(fēng)速條件下的換熱量也較大，即對(duì)不同風(fēng)速分布條件適應(yīng)性較強(qiáng)。均勻風(fēng)速優(yōu)化形式換熱器適應(yīng)性也較強(qiáng)。若從換熱器換熱量平均值來(lái)反映3種優(yōu)化形式換熱器對(duì)不同風(fēng)速分布條件的適應(yīng)性，則均勻風(fēng)速優(yōu)化形式換熱器換熱量最大，而上三角優(yōu)化形式換熱器換熱量最?。患丛?種不同送風(fēng)條件下，均勻風(fēng)速優(yōu)化形式換熱器的適應(yīng)性最強(qiáng)，上三角優(yōu)化形式換熱器的適應(yīng)性最弱。

圖4 各優(yōu)化形式在不同風(fēng)速分布下的換熱量Fig.4 Heating capacity of optim ization type with different air velocity distribution

2.2.2 優(yōu)化形式的研究

由以上分析可知，上三角優(yōu)化形式換熱器從換熱量大小及對(duì)3種不同送風(fēng)形式條件下的適應(yīng)性兩個(gè)方面都有較大的優(yōu)化空間。因此本節(jié)將針對(duì)上三角風(fēng)速分布下的優(yōu)化形式，通過(guò)與圖1給出的3回路形式進(jìn)行對(duì)比，研究其換熱規(guī)律。分析換熱器換熱系數(shù)、換熱溫差隨風(fēng)速變化規(guī)律，管段各排從左到右進(jìn)行編號(hào)，如圖2所示。

1）管段進(jìn)出口溫差

由于壓降的存在，制冷劑氣液共存狀態(tài)下，溫度會(huì)下降或者保持不變。因此，從各管段制冷劑進(jìn)出口溫差變化情況（見圖5）可以看出：原3回路形式過(guò)熱管段數(shù)分別為6段、3段和0段，在高風(fēng)速區(qū)過(guò)熱段較多，低風(fēng)速區(qū)回路的制冷劑沒(méi)有達(dá)到過(guò)熱狀態(tài)；優(yōu)化形式3個(gè)回路過(guò)熱管段數(shù)分別為1段、2段和2段，能較好地適應(yīng)風(fēng)速的變化，使各回路出口狀態(tài)分布較為均衡，避免了風(fēng)速大的區(qū)域過(guò)熱管段較多，風(fēng)速小的區(qū)域過(guò)熱管段較少甚至沒(méi)有達(dá)到過(guò)熱的情況。

2）換熱規(guī)律分析

對(duì)上三角風(fēng)速下優(yōu)化形式的換熱規(guī)律進(jìn)行分析，研究?jī)?yōu)化形式的改進(jìn)關(guān)鍵。已知各管段面積相同，可將換熱系數(shù)K轉(zhuǎn)換成面積與換熱系數(shù)的乘積（KA）進(jìn)行研究：圖6給出了各管段面積換熱系數(shù)（KA）、換熱溫差、換熱量的變化情況。

圖5 各管段制冷劑進(jìn)出口溫差Fig.5 Temperature differences of inlet and outlet in different tubes

換熱溫差的大小能夠反映換熱器性能的差異。從圖6（a）可以看出，上三角的風(fēng)速分布對(duì)兩種布置形式的換熱溫差都有影響。兩排管的換熱溫差都隨著風(fēng)速的減小而逐漸減小，且第二排管溫差減小的幅度大于第一排管。由于處于迎風(fēng)側(cè)，第一排管換熱溫差總體上大于第二排管。優(yōu)化形式換熱溫差隨風(fēng)速分布的變化更為平穩(wěn)。在高風(fēng)速區(qū)，原3回路形式出現(xiàn)了多個(gè)管段換熱溫差急劇下降的情況，而優(yōu)化形式換熱溫差變化波動(dòng)不大。

從圖6（b）可以看出兩種回路形式在換熱系數(shù)上的差異：第一排管主要體現(xiàn)在高風(fēng)速區(qū)，在高風(fēng)速區(qū)優(yōu)化形式的換熱系數(shù)明顯大于原3回路形式，但由于回路布置形式的原因，各管段干度不同使沿風(fēng)速方向換熱系數(shù)變化較大；對(duì)于第二排管，優(yōu)化形式的換熱系數(shù)總體上是大于原3回路形式的；優(yōu)化形式換熱系數(shù)小于原3回路形式的管段，主要是集中在第一排（迎風(fēng)管）低風(fēng)速區(qū)。

通過(guò)對(duì)換熱溫差、換熱系數(shù)的分析及圖6（c）可知：除第一排管高風(fēng)速區(qū)管段外，原3回路形式換熱溫差都大于優(yōu)化形式，且在第一排管低風(fēng)速區(qū)部分管段的換熱系數(shù)也是大于優(yōu)化形式的。由此可知優(yōu)化形式換熱量高于原3回路形式的原因有：第二排管和第一排管低風(fēng)速區(qū)的換熱系數(shù)；第一排管是換熱系數(shù)和換熱溫差共同作用。優(yōu)化形式在換熱量上的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在高風(fēng)速區(qū)，這一區(qū)域也是換熱器換熱最為劇烈的區(qū)域。從圖7也可以看出，兩種形式各回路換熱量的差值在高風(fēng)速區(qū)最大。因此對(duì)高風(fēng)速區(qū)的優(yōu)化是翅片管換熱器設(shè)計(jì)改進(jìn)的重點(diǎn)。

圖6 兩種流程形式中各管段參數(shù)變化Fig.6 Paramaters of different tubes in two flow paths

3）系統(tǒng)性能分析

上文分析可知，原來(lái)3回路形式在蒸發(fā)溫度為5℃時(shí)，制冷量為6.61 kW。用EVAP-COND軟件計(jì)算得出優(yōu)化回路在相同制冷量（6.61 kW）的情況下，蒸發(fā)溫度為6.7℃，對(duì)采用兩種回路形式蒸發(fā)器的制冷系統(tǒng)COP進(jìn)行計(jì)算。

為了進(jìn)行對(duì)比分析，控制系統(tǒng)中蒸發(fā)器、吸氣管、排氣管、壓縮機(jī)等其他設(shè)備參數(shù)不變，利用制冷循環(huán)計(jì)算軟件Solkane進(jìn)行計(jì)算。輸入?yún)?shù)如表3所示。

圖7 各回路換熱量Fig.7 Heating capacity of different circuits

表3 Solkane輸入?yún)?shù)Tab.3 Inlet parameters in Solkane

由計(jì)算結(jié)果可知，原3回路形式系統(tǒng)COP為4.8，優(yōu)化形式系統(tǒng)COP為5.2，提高了8%?？梢妼?duì)換熱器回路形式的優(yōu)化不僅提高了換熱器換熱效果，而且有效改善了制冷系統(tǒng)的性能。

3 仿真結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用焓差實(shí)驗(yàn)室搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖8所示，利用焓差室分別模擬室內(nèi)外環(huán)境，通過(guò)計(jì)算孔板尺寸大?。ㄒ妶D9）對(duì)風(fēng)速分布進(jìn)行調(diào)節(jié)，電子膨脹閥調(diào)節(jié)制冷劑流量。

蒸發(fā)器進(jìn)出風(fēng)溫度可自動(dòng)測(cè)定并記錄；蒸發(fā)器各回路制冷劑進(jìn)出口溫度及流量通過(guò)布置測(cè)點(diǎn)測(cè)得；各種溫度和模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集均采用Agilent 34970A型采集器完成，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為6 s，每30個(gè)一組數(shù)據(jù)，取平均值，實(shí)驗(yàn)室軟件testar對(duì)換熱量等自動(dòng)計(jì)算。

圖8 實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.8 Experiment schematic

圖9 風(fēng)速調(diào)節(jié)孔板示意圖Fig.9 The orifice plate for velocity modulation

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要測(cè)得參數(shù)為蒸發(fā)器換熱量（進(jìn)出風(fēng)狀態(tài)）、制冷劑流量、制冷劑進(jìn)出口溫差，將實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，控制相對(duì)誤差在5%內(nèi)為可接受范圍。

圖10所示為換熱量模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。三種優(yōu)化形式在對(duì)應(yīng)風(fēng)速分布下模擬值均高于實(shí)驗(yàn)值；模擬結(jié)果最大誤差為4.85%，出現(xiàn)在上三角優(yōu)化形式。

圖10 換熱量及各測(cè)點(diǎn)制冷劑溫度相對(duì)誤差Fig.10 Relative error of the capacity and tem perature of refrigerant

各優(yōu)化形式在對(duì)應(yīng)風(fēng)速分布下對(duì)各溫度測(cè)點(diǎn)制冷劑溫度實(shí)驗(yàn)值與模擬值分析見表4?？芍瑴囟饶M相對(duì)誤差略大于換熱量相對(duì)誤差，上三角形式的模擬結(jié)果誤差最大，最大值為4.57%。

表4 各溫度測(cè)點(diǎn)相對(duì)誤差Tab.4 Relative error of tem perature measuring points

表5所示為各優(yōu)化形式在對(duì)應(yīng)風(fēng)速分布下制冷劑流量模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，制冷劑流量模擬相對(duì)誤差較小，最大值為3.83%；與換熱量及各測(cè)點(diǎn)溫度相對(duì)誤差結(jié)果類似，上三角形式的相對(duì)誤差最大，均勻風(fēng)速時(shí)最小。

表5 制冷劑流量模擬值相對(duì)誤差Tab.5 Relative error of refrigerant mass flow

從上文分析可知，換熱量、各測(cè)點(diǎn)溫度、制冷劑流量模擬相對(duì)誤差最大值分別為4.85%，4.57%和3.83%，均在5%可接受范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論

本文對(duì)三種常見風(fēng)速分布形式下翅片管換熱器性能進(jìn)行仿真優(yōu)化分析，并利用焓差室搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

1）提出了翅片管蒸發(fā)器在三種風(fēng)速分布下的優(yōu)化形式，其中上三角、中三角兩種風(fēng)速分布下，換熱量分別比文獻(xiàn)［7］中最高制冷量提高了10.3%和3%；

2）對(duì)三種風(fēng)速分布下的換熱器優(yōu)化形式進(jìn)行比較。中三角優(yōu)化形式換熱器除了在中三角風(fēng)速分布條件下的換熱量較大，在上三角及均勻風(fēng)速條件下的換熱量也較大，即對(duì)不同風(fēng)速分布條件適應(yīng)性最強(qiáng)，均勻風(fēng)速優(yōu)化形式換熱器對(duì)不同風(fēng)速分布條件適應(yīng)性次之，而上三角風(fēng)速分布下?lián)Q熱器優(yōu)化形式的適應(yīng)性較弱。

3）高風(fēng)速區(qū)是換熱器優(yōu)化的重點(diǎn)，上三角優(yōu)化形式有效改善了高風(fēng)速區(qū)換熱效果，使得各回路換熱更加均衡；上三角風(fēng)速下優(yōu)化形式可以有效改善制冷系統(tǒng)性能，在相同制冷量條件下，上三角優(yōu)化形式比原3回路形式COP提高8%。

4）搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，模擬值相對(duì)誤差均在5%范圍內(nèi)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合。

本文受住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計(jì)劃（2013-K1-40）項(xiàng)目資助。（The project was supported by Program for Science and Technology of Ministry of Housing and Urban-Rural Development （No.2013-K1-40）.）

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About the corresponding author

Wang Qiang，male，professor，School of Thermal Engineering，Shandong Jianzhu University，+86 13964173540，E-mail：xjdwq ＠163.com.Research fields：refrigeration＆air-conditioning system optimization and low temperature cold chain.

An Optimized Design and Experimental Research on Finned-tube Evaporator with Nonuniform Air Distribution

Wang Qiang1Liu Yanlong2Liu Zuyi3Dai Xican4

（1.School of Thermal Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan，250101，China；2.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan，250013，China；3.China Wuzhou Engineering Group Co.，Ltd.，Beijing，100053，China；4.Dezhou Zhongao Air Conditioning Equipment Co.，Ltd.，Dezhou，253000，China）

Airflow distribution has significant impact on the performance of finned-tube evaporator.Simulation optimization and experimental study were carried out of fin-tube heater exchange flow path form with three typical air velocity distributions，when the heat exchanger structure size and inlet air state were under certain conditions.The optimization demonstrates that the capacity is increased by 10.3%，3% under upper-triangular and middle-triangular air distribution.The analysis on upper-triangular optimized form show that the high air velocity profile is the key of improving heat transfer performance，and the COP is increased about 8%with upper-triangular air distribution.An experimental rig was built and verification was carried out.The results showed that relative error was in 5%，which indicates that the optimized and experimental results are basically consistent.

finned-tube evaporator；nonuniform air distribution；optimization and analysis；experimental verification

TB61+1；TB657.5

A

0253-4339（2016）06-0013-07

10.3969／j.issn.0253-4339.2016.06.013

簡(jiǎn)介

王強(qiáng)，男，教授，山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，13964173540，E-mail：xjdwq＠163.com。研究方向：制冷空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化和低溫冷藏鏈。

2016年3月7日