劉君康,王宏超,,熊通,晏剛,郭寧,劉睿
(1 西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,陜西 西安 710049;2 海信山東(空調(diào))有限公司,山東 青島 266100)
制冷和熱泵系統(tǒng)由于高效、安全等特點(diǎn),已經(jīng)被廣泛應(yīng)用,為了提高制冷與熱泵系統(tǒng)的能效,需要對(duì)其主要部件進(jìn)行優(yōu)化。Morosuk 等[1]對(duì)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了?分析,結(jié)果表明提高蒸發(fā)器的性能是提高熱泵系統(tǒng)熱力性能的首要目標(biāo)。Voloshchuk 等[2]證明了63%和20%的可避免?損失分別發(fā)生在蒸發(fā)器與冷凝器中。因此,要提高制冷與熱泵系統(tǒng)的能效,就必須提高換熱器的性能。翅片管換熱器作為常見換熱器的一種,它的優(yōu)化形式主要有翅片類型[3]、翅片結(jié)構(gòu)[4]、翅片間距[5]、管徑[6]、制冷劑流路[7]等。其中制冷劑流路一般無需增加額外的成本,不需要開發(fā)模具,易于操作,所以被廣泛采用。
鄧斌等[8]仿真研究了6 種不同流路形式的單回路兩排風(fēng)冷冷凝器,結(jié)果表明:當(dāng)制冷劑流量不變,存在最佳風(fēng)量使冷凝器性能最優(yōu);當(dāng)風(fēng)量不變,存在最佳制冷劑流量使冷凝器性能最優(yōu)。黃東等[9?10]結(jié)合仿真與實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了冷熱兩用熱泵空調(diào)系統(tǒng)的室外機(jī),結(jié)果表明室外換熱器作冷凝器時(shí)采用逆交叉流布置,作蒸發(fā)器時(shí)采用順交叉流布置能夠提升系統(tǒng)能效,優(yōu)化后的流路通過增加各支路后半部分的傳熱溫差及傳熱系數(shù),使制熱、制冷的壓縮機(jī)功率分別降低5.46%、3.81%,制熱、制冷量分別增加2.78%、2.73%,制熱、制冷的能效分別提升8.73%、6.82%。
以上研究表明翅片管換熱器的流路優(yōu)化對(duì)系統(tǒng)能效的提升一般是顯著的,同時(shí)也存在優(yōu)化的難點(diǎn),即如何確定最佳的流路布置,如何對(duì)流路優(yōu)化進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此本文主要就翅片管換熱器的流路優(yōu)化展開研究,總結(jié)歸納了流路的優(yōu)化方法及評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)各種方法進(jìn)行優(yōu)劣分析并得出適用性較好的方法,最后對(duì)翅片管換熱器流路優(yōu)化的研究提出展望與建議。
翅片管換熱器的流路優(yōu)化方法有很多,如:基于空氣側(cè)風(fēng)速分布的優(yōu)化、基于管路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、?分析、熵產(chǎn)最小化等。優(yōu)化的方向可以分為優(yōu)化選擇以及優(yōu)化改進(jìn),其中優(yōu)化選擇是根據(jù)參數(shù)的變化提出合理的建議去設(shè)計(jì)流路,優(yōu)化改進(jìn)則是采用先進(jìn)的方法去改進(jìn)現(xiàn)有的流路形式。為更好地對(duì)翅片管換熱器的流路優(yōu)化方法進(jìn)行總結(jié),將方法歸納為基于空氣側(cè)與制冷劑側(cè)的參數(shù)的優(yōu)化、基于管路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、基于微元換熱最大化的優(yōu)化、基于不可逆損失最小的優(yōu)化以及遺傳算法五個(gè)方面。
1.1.1 基于空氣側(cè)風(fēng)速分布的優(yōu)化
在實(shí)際應(yīng)用中,流經(jīng)換熱器表面的風(fēng)速總會(huì)存在不均勻的現(xiàn)象,需要根據(jù)風(fēng)速的分布來考慮換熱器流路的優(yōu)化。Lee 等[11]利用數(shù)值模擬的方法研究了氣流不均勻分布對(duì)冷凝器性能的影響,結(jié)果表明在相同風(fēng)量的條件下,發(fā)現(xiàn)風(fēng)速降低所引起的換熱性能下降要大于風(fēng)速增加所引起的換熱性能增加,因此在非均勻風(fēng)速下?lián)Q熱器的性能總是衰減的?;诖爽F(xiàn)象,可根據(jù)不同的風(fēng)速分布優(yōu)化選擇不同的流路形式。Ishaque 等[12]仿真研究了風(fēng)速分布不均勻?qū)Q熱器不同區(qū)域支路數(shù)量的影響,結(jié)果表明在高風(fēng)速區(qū)域采用更少的支路數(shù),低風(fēng)速區(qū)域采用更多的支路數(shù),能夠分別提升SEER 和SCOP 3.25%和9.97%。這是因?yàn)椴捎酶俚闹窋?shù)能夠獲得更大的支路流量,高制冷劑質(zhì)量流量與高風(fēng)速相匹配;在低風(fēng)速區(qū)域同理可采用更多的支路數(shù),從而提升換熱量。王強(qiáng)等[13]利用EVAP?COND 軟件結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究了3種典型風(fēng)速分布對(duì)翅片管蒸發(fā)器的影響并針對(duì)不同的風(fēng)速分布提出了優(yōu)選方案,如圖1所示。根據(jù)風(fēng)速的分布去改變各支路的長度,能夠使換熱器的每個(gè)支路的出口狀態(tài)均衡,從而使換熱溫差分布更加均勻,也能夠減少各支路出口制冷劑混合時(shí)的損失。
圖1 不同風(fēng)速分布下的流路[13]
熱泵空調(diào)翅片管換熱器中制冷劑與空氣的流動(dòng)方向通常是平行的,在風(fēng)速分布不均勻時(shí)會(huì)造成換熱性能的惡化,因此可以優(yōu)化改進(jìn)流路的形式來提升換熱性能。張春路等[14]利用EVAP?COND 軟件,針對(duì)R22和R410A,研究了4種典型的非均勻風(fēng)速分布對(duì)冷凝器和蒸發(fā)器性能的影響并提出優(yōu)化改進(jìn)方案。結(jié)果表明蒸發(fā)器性能受非均勻風(fēng)速分布的影響比冷凝器更顯著。當(dāng)風(fēng)速分布為下三角時(shí)對(duì)換熱性能的影響最顯著,換熱衰減達(dá)到17%~20%。基于此現(xiàn)象將原先的3路均流的流路形式優(yōu)化改進(jìn)為全交錯(cuò)型流路,如圖2所示,可以在非均勻的風(fēng)速分布下保持換熱量的穩(wěn)定。這是因?yàn)槊總€(gè)支路遍歷整體的風(fēng)速分布,顯著降低了換熱性能的衰減,缺點(diǎn)是支路數(shù)與管排數(shù)需要一致。Horton等[15]實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了風(fēng)速分布不均勻時(shí)制冷劑補(bǔ)償與交錯(cuò)型流路對(duì)V形翅片管換熱器性能的提升效果,結(jié)果表明雖然交錯(cuò)型流路對(duì)換熱器性能提升沒有制冷劑補(bǔ)償?shù)男Ч?,但是成本較低,可靠性較高。
圖2 全交錯(cuò)型流路[14]
總而言之,流路的優(yōu)化需要根據(jù)風(fēng)速的分布來匹配,針對(duì)風(fēng)速分布不均勻的現(xiàn)象,就要對(duì)換熱器流路的每個(gè)支路長度進(jìn)行調(diào)整或使風(fēng)速分布遍歷每一個(gè)支路,目標(biāo)是使得每個(gè)支路出口制冷劑的狀態(tài)盡量相同。
1.1.2 基于制冷劑側(cè)流量的優(yōu)化
制冷系統(tǒng)在工作時(shí),會(huì)根據(jù)不同的負(fù)荷調(diào)整壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速,這就會(huì)改變制冷劑的流量,而不同的制冷劑流量對(duì)應(yīng)的最優(yōu)流路是不同的,因此可根據(jù)流量的范圍優(yōu)化選擇流路形式。Liang 等[16]通過建立翅片管蒸發(fā)器的分布參數(shù)模型,仿真研究了6種蒸發(fā)器流路在不同制冷劑流量下的性能,結(jié)果表明對(duì)于任意流路,隨著制冷劑質(zhì)量流率的增加,蒸發(fā)器的管內(nèi)平均熱通量先增大再減小,熱通量越高意味著該流路與對(duì)應(yīng)的制冷劑質(zhì)量流率的匹配性越好。不同的制冷劑流路出現(xiàn)熱通量最大時(shí)對(duì)應(yīng)的制冷劑流量不同,印證了每個(gè)流路各有其適應(yīng)的流量范圍。劉睿等[17]利用換熱器流路仿真軟件研究了不同流量下室外換熱器的流路優(yōu)化選擇,4種流路如圖3所示,結(jié)果表明同時(shí)考慮額定制冷與額定制熱工況,制冷劑流量為12~21g/s時(shí),熱泵型空調(diào)室外機(jī)換熱器的最佳布置形式是四進(jìn)一出,而單冷型空調(diào)器的室外機(jī)換熱器的最佳布置形式是兩進(jìn)一出;當(dāng)流量范圍為24~27g/s時(shí),單冷型空調(diào)器的室外機(jī)換熱器的最佳流路布置在四進(jìn)一出和兩進(jìn)一出中選取,這些結(jié)論都權(quán)衡考慮了換熱與壓降。
圖3 不同分路數(shù)的流路[17]
針對(duì)制冷劑流量的變化,需要仿真或計(jì)算出各流量下的最佳流路再進(jìn)行權(quán)衡,使得換熱器的換熱量滿足要求而壓降不太大。
1.2.1 基于管徑的優(yōu)化
制冷劑在換熱器內(nèi)流動(dòng)時(shí),沿程的傳熱與壓降特性不斷發(fā)生變化,因此可以改變不同流程的管徑來匹配制冷劑的特性。陶于兵等[18]提出了混合管徑的流路優(yōu)化改進(jìn)方案并仿真研究了雙流程翅片管式換熱器中兩流程管徑比不同對(duì)換熱器性能的影響,結(jié)果表明在不同的空氣以及制冷劑進(jìn)口條件下,存在一個(gè)最佳比值0.8,在該管徑下,換熱器的性能在不同工況下比相同管徑提升6%~11%,同時(shí)使空氣側(cè)的阻力損失減少2%。這是因?yàn)楦淖児軓奖?,改變了兩個(gè)流程的流量分配,進(jìn)而使得兩個(gè)流程的換熱趨于均勻,換熱性能也就提升。
不同管徑下?lián)Q熱器所需要的支路長度不同,因此可以根據(jù)管徑的不同優(yōu)化選擇不同的支路長度與分路數(shù)。曾淑劍[19]仿真研究了房間空調(diào)器的室外機(jī)作冷凝器時(shí)不同管徑下各支路最佳長度的變化,結(jié)果表明管徑為7mm 時(shí),單個(gè)支路的最佳長度范圍是8.8~11m;管徑為8mm時(shí),單個(gè)支路的最佳長度范圍是11~13.2m;管徑為9.52mm 時(shí),單個(gè)支路的最佳長度范圍是13.2~16.5m;風(fēng)量改變并不會(huì)影響不同管徑的最佳支路長度范圍。選取的依據(jù)是隨支路長度增加,換熱量先快速增大然后緩慢變化的拐點(diǎn),同時(shí)考慮壓降的大小。隨著制冷空調(diào)行業(yè)的快速發(fā)展,小管徑換熱器(5mm、3mm)由于結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高以及制冷劑需求量低等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)在制冷和熱泵系統(tǒng)上得到了廣泛的應(yīng)用[20]。小管徑換熱器由于管徑小,會(huì)造成更大的沿程壓降,因此在優(yōu)化小管徑換熱器的流路時(shí),管路的壓降是首要考慮的因素。高晶丹等[21]基于7mm換熱器的優(yōu)化方法去設(shè)計(jì)5mm 換熱器的流路,通過保持相同的質(zhì)量流量及進(jìn)口狀態(tài),使得5mm 換熱器的壓降不大于7mm換熱器的壓降,同時(shí)保證換熱量基本相當(dāng),結(jié)果表明在相同的銅管數(shù)量的條件下,5mm 換熱器的分路數(shù)是7mm 換熱器分路數(shù)的兩倍,小管徑換熱器需要更多的流路數(shù)去克服壓降的負(fù)面影響。趙定乾等[22]基于5mm 換熱器的優(yōu)化方法去設(shè)計(jì)3mm 換熱器的流路,通過定量計(jì)算換熱器的換熱與壓降特性,其中換熱特性以總傳熱系數(shù)U和換熱面積A的乘積UA表示,改變總管數(shù)以及每個(gè)支路的長度,繪制得到等UA線和等壓降線的曲線圖,如圖4 所示。尋找等UA線和等壓降線的交點(diǎn),使得3mm 換熱器的換熱量滿足設(shè)計(jì)要求同時(shí)壓降也小于5mm 換熱器。結(jié)果表明與5mm 換熱器相比,3mm 換熱器的換熱性能提升5.7%~15.4%,銅的使用量降低57.2%。
圖4 等UA線和等壓降線[22]
對(duì)于不同的換熱器管徑,越小的管徑在相同的質(zhì)量流量下有更高的傳熱系數(shù)與壓降,此時(shí)需要減少單個(gè)支路的長度,以滿足換熱量的同時(shí)減小壓降。
1.2.2 基于管路分合位置的優(yōu)化
換熱器的流路有時(shí)會(huì)有匯合與分離的位置,此時(shí)換熱器匯合與分離后的分路數(shù)發(fā)生變化,每個(gè)支路的質(zhì)量流量改變,造成傳熱系數(shù)以及壓降發(fā)生變化,管路的分合位置會(huì)影響換熱器整體的換熱均勻性,因此可以優(yōu)化選擇分合位置來提升換熱性能。張東輝等[23]仿真研究了房間空調(diào)器的室外機(jī)作冷凝器時(shí),換熱器流路后半段合并點(diǎn)位置對(duì)換熱器的換熱與壓降的影響,結(jié)果表明最佳合并點(diǎn)宜選在干度范圍為0.1~0.4 的位置。這是因?yàn)槔淠骱蟀攵沃评鋭└啥葴p小,流速較低,溫差小,是換熱能力較差的位置,合并之后可以提升換熱器整體的換熱均勻性。賀常相等[24]結(jié)合仿真與實(shí)驗(yàn)研究了房間空調(diào)器的室外機(jī)在額定、中間制熱,額定、中間制冷多工況下分路數(shù)與管路合并位置的影響,結(jié)果表明采用兩進(jìn)一出,合并點(diǎn)距離總體出口四個(gè)U的方案一最佳,如圖5所示,APF較原方案提升1.9%。這是因?yàn)槭彝鈸Q熱器的底部經(jīng)常由于換熱能力差而出現(xiàn)化霜效果差的現(xiàn)象,因此室外換熱器底部一般采用單管設(shè)計(jì),以提高制冷劑的流速,從而提升管內(nèi)側(cè)制冷劑的對(duì)流換熱系數(shù);考慮到當(dāng)分路數(shù)減小時(shí),壓降對(duì)壓縮機(jī)耗功的影響愈發(fā)顯著,此時(shí)延長合并點(diǎn)的位置所帶來的的換熱量增加不足以抵消掉壓降增大帶來的壓縮機(jī)耗功增加,合并點(diǎn)到出口的距離應(yīng)該較小,因此選擇了合并點(diǎn)距離總體出口4個(gè)U的位置。
圖5 室外換熱器流路改進(jìn)方案[21]
熱泵空調(diào)器的室外機(jī)一般需要匯合點(diǎn)以強(qiáng)化換熱滿足化霜要求,同時(shí)由于冷凝器對(duì)壓降不太敏感,可在干度為0.1~0.4的位置匯合。
1.2.3 基于可變流路的優(yōu)化
熱泵型房間空調(diào)器的換熱器在設(shè)計(jì)時(shí)通常需要考慮制冷和制熱兩個(gè)工況,常規(guī)的設(shè)計(jì)都是采取折中的方式來使系統(tǒng)的APF 最大,但是這樣設(shè)計(jì)的流路往往都會(huì)偏離制熱和制冷工況對(duì)應(yīng)的最優(yōu)流路。對(duì)于冷凝器,制冷劑側(cè)壓降較小,壓降對(duì)冷凝器的影響較小,設(shè)計(jì)流路時(shí)可以減小流路數(shù)來增大制冷劑流速,從而提高制冷劑側(cè)的換熱;對(duì)于蒸發(fā)器,制冷劑側(cè)的壓降對(duì)換熱器的影響較大,制冷劑側(cè)壓降過大有時(shí)還會(huì)引起結(jié)霜現(xiàn)象,在設(shè)計(jì)流路時(shí)可以增加換熱器的流路數(shù)來減小壓降,從而提升換熱性能。所以換熱器作為蒸發(fā)器和冷凝器對(duì)應(yīng)的流路差別較大,可變流路換熱器是一個(gè)提升換熱器性能有效的方法。Sim 等[25]實(shí)驗(yàn)研究了變制冷劑流路換熱器以及上下兩部分配比不同對(duì)系統(tǒng)能效的影響,如圖6所示。當(dāng)室外機(jī)作蒸發(fā)器時(shí),流路保持不變;當(dāng)室外機(jī)作冷凝器時(shí),由于單向閥的作用,制冷劑只能先通過換熱器的上半部分,Valve打開,Upper EEV關(guān)閉,制冷劑再通過下半部分流出,這樣通過閥件的開關(guān)就達(dá)到了制冷與制熱工況制冷劑流經(jīng)不同流路的目的。結(jié)果表明當(dāng)上下比為34∶22時(shí),VPHE 模式單位泵功的換熱量提升22.1%,在額定工況下COP 提升15%,在部分負(fù)荷工況下COP 提升23%。變制冷劑流路的能效提升幅度很大,同時(shí)也需要增加閥件與控制。
圖6 VPHE模式[22]
制冷劑在換熱器內(nèi)流動(dòng)時(shí),沿管程有不同的換熱特性,不同的管程導(dǎo)致不同的分流特性,因此根據(jù)制冷劑的性質(zhì)變化改變分路數(shù)是提升性能的有效手段。張浩等[26]根據(jù)房間空調(diào)器的室外機(jī)制冷劑從上至下沿程流動(dòng)時(shí)干度逐漸減小的現(xiàn)象提出了分布式流路,如圖7所示,仿真研究了單排管分布式流路對(duì)換熱量的影響,結(jié)果表明采用2?3?4分布式流路比采用流路數(shù)目單一的3流路的額定制熱量和低溫制熱量分別提升8.8%和5.6%。這是因?yàn)榉植际搅髀肥峭ㄟ^求解沿程換熱單元的最大換熱量對(duì)應(yīng)的臨界質(zhì)流密度,并以此確定沿程的分路數(shù)。如圖8所示,分布式流路的設(shè)計(jì)使得沿程的質(zhì)流密度呈現(xiàn)階梯式變化,更加貼合沿程變化的臨界質(zhì)流密度,因此獲得的微元換熱量是最大的。趙夫峰等[27]實(shí)驗(yàn)研究了房間空調(diào)器的室外機(jī)采用分布式流路對(duì)APF的影響,結(jié)果表明采用2?4分布式流路比流路數(shù)目單一的2 流路和3 流路的APF 分別提升1.8%和5.8%。與采用固定流路數(shù)目的換熱器相比,分布式流路換熱器的額定制熱量、低溫制熱量、超低溫制熱量分別提升4.3%、7.5%、5.9%。
圖7 室外換熱器流路[23]
圖8 不同流路的質(zhì)流密度隨干度的變化[23]
隨著制冷劑干度的改變,制冷劑的換熱特性也在發(fā)生變化,尤其表現(xiàn)在傳熱系數(shù)的改變,所需要的分路數(shù)也隨之變化,通過沿程改變分路數(shù)可以使換熱器性能得到提升。
1.4.1 ?分析
?分析通常用于系統(tǒng)循環(huán)的熱力分析中,是尋找系統(tǒng)循環(huán)熱力性能提高部件的有效手段,將之應(yīng)用于換熱器流路優(yōu)化時(shí),可以劃分為制冷劑側(cè)與空氣側(cè)的?損,總的?損最小時(shí)換熱器的流路是最優(yōu)的。Liang 等[28]通過建立冷凝器的?分析模型,仿真研究了不同流路的制冷劑質(zhì)量流量變化所導(dǎo)致的?損失變化。結(jié)果表明隨著制冷劑質(zhì)量流量的增加,由于傳熱導(dǎo)致的?損失減小,由于壓降導(dǎo)致的?損失增大,存在最優(yōu)的制冷劑流量以及流路使得換熱器的總?損失最小。Lee等[29]利用Liang的?分析模型仿真研究了冷凝器采用不同的分路數(shù)時(shí)換熱器的?損率變化,結(jié)果表明隨著分路數(shù)的減少,總?損率減小,得到的結(jié)論是分路數(shù)為2時(shí)換熱器的性能最佳,但是由于?分析中由于傳熱導(dǎo)致的?損占主要部分,壓降導(dǎo)致的?損對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響被弱化,因此該結(jié)論是欠妥的。Chen等[30]結(jié)合系統(tǒng)?分析與實(shí)驗(yàn),將系統(tǒng)的?損表示為蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)以及節(jié)流閥的?損,研究了4種不同配比的分液式冷凝器對(duì)系統(tǒng)EER 的影響,如圖9 所示,結(jié)果表明EER 從高到低依次為B、A、D、C,但是?分析計(jì)算的?效率從高到低依次為B、A、C、D,?分析對(duì)于C、D的判斷出現(xiàn)偏差。這是因?yàn)橄到y(tǒng)?分析不僅僅只考慮換熱器,所以B、A的?效率差距較大時(shí)可以區(qū)分高低,但當(dāng)兩者?效率差距不大時(shí),例如C、D,此時(shí)壓縮機(jī)的?損失在4個(gè)部件的?損失中最大,其次是冷凝器,這時(shí)綜合壓縮機(jī)以及冷凝器的?損失,兩個(gè)系統(tǒng)的差距較小,單獨(dú)利用?效率來判斷就可能會(huì)出現(xiàn)偏差。
圖9 4種分液式冷凝器[27]
?分析可以作為換熱器流路優(yōu)化的方法,但是理論最優(yōu)和實(shí)際最優(yōu)在壓縮機(jī)?損失在系統(tǒng)?損失占比較大時(shí)存在偏差,在使用該方法時(shí)需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行?分析并進(jìn)行?損對(duì)比,誤差和復(fù)雜性都會(huì)增加。
1.4.2 熵產(chǎn)最小化
熵產(chǎn)以及熵產(chǎn)數(shù)是基于熱力學(xué)第二定律的評(píng)價(jià)指標(biāo),通過建立換熱器的分布參數(shù)模型可以計(jì)算空氣側(cè)與制冷劑側(cè)的熵產(chǎn)或熵產(chǎn)數(shù),總的熵產(chǎn)或熵產(chǎn)數(shù)最小時(shí)換熱器的流路是最優(yōu)的。Ye 等[31]利用改進(jìn)的熵產(chǎn)數(shù)Nsl[32]仿真優(yōu)化了翅片管冷凝器,結(jié)果表明隨著制冷劑從上而下沿程流動(dòng),干度逐漸減小,分路數(shù)也是逐漸減少的。不同干度區(qū)域熵產(chǎn)數(shù)隨分路數(shù)的變化如圖10所示,在干度范圍0.667~1和過熱區(qū),Nsl最小的分路數(shù)范圍是10~15,在干度范圍0~0.667 和過冷區(qū),Nsl最小的分路數(shù)范圍是5~10。最終選取了12?6的流路形式。Lee等[29]利用熵產(chǎn)模型,仿真研究了房間空調(diào)器的室外機(jī)作冷凝器時(shí),采用不同的分路數(shù)時(shí)換熱器的熵產(chǎn)變化,結(jié)果表明隨著分路數(shù)的增加,總熵產(chǎn)逐漸減小,得到的結(jié)論是分路數(shù)為11 時(shí)換熱器的性能最佳,但此時(shí)換熱量也是最低,而且明顯偏離了最佳分路數(shù)。這是因?yàn)榉致窋?shù)過多,換熱量下降,空氣溫度與壁面溫度的溫差減小,空氣側(cè)傳熱的熵產(chǎn)減小而制冷劑側(cè)傳熱的熵產(chǎn)增大速度減慢,所以總熵產(chǎn)減小。張浩等[33]利用熵產(chǎn)模型結(jié)合“整數(shù)梯度下降算法”仿真研究了相分離蒸發(fā)器的氣分位置以及分路數(shù)對(duì)熱泵系統(tǒng)的影響,將氣分前、氣分后的分路數(shù),氣液分離器的相對(duì)位置作為3個(gè)優(yōu)化參數(shù),熵產(chǎn)作為代價(jià)函數(shù),通過搜索全局優(yōu)化變量來優(yōu)化流路,結(jié)果表明隨著氣液分離器的位置移動(dòng),會(huì)出現(xiàn)一個(gè)熵產(chǎn)最小點(diǎn),隨著蒸發(fā)器的換熱量增大,最小熵產(chǎn)點(diǎn)所應(yīng)對(duì)的最佳蒸發(fā)器分路數(shù)增加,且氣液分離器的相對(duì)位置前移。在該系統(tǒng)以及相應(yīng)的熱負(fù)荷下,熵產(chǎn)的變化可以用于預(yù)測熱泵系統(tǒng)COP 的變化,因此熵產(chǎn)也就可以作為優(yōu)化目標(biāo)。
圖10 不同干度區(qū)域的熵產(chǎn)數(shù)隨分路數(shù)的變化[28]
利用熵產(chǎn)最小化優(yōu)化換熱器的流路,對(duì)于壓降影響較小的冷凝器而言會(huì)放大壓降的影響,導(dǎo)致計(jì)算的流路并不是最優(yōu)的,而對(duì)于壓降影響較大的蒸發(fā)器而言就能夠考慮到壓降的影響,可以計(jì)算出最優(yōu)的流路。
1.4.3 熱阻平衡法
熱阻平衡法是一種經(jīng)驗(yàn)性的優(yōu)化方法,當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)不全或系統(tǒng)的高低壓差比較大時(shí),?分析或熵產(chǎn)最小化都存在局限性。Lee 等[29]利用熱阻平衡法確定了翅片管冷凝器的最佳分路數(shù)。熱阻平衡的原理是假設(shè)空氣側(cè)的熱阻與制冷劑側(cè)的熱阻相當(dāng),當(dāng)分路數(shù)小于最佳分路數(shù)時(shí),空氣側(cè)熱阻大于制冷劑側(cè)熱阻,換熱量的提升對(duì)系統(tǒng)能效的正面影響小于壓降的增大對(duì)系統(tǒng)能效的負(fù)面影響,系統(tǒng)的COP降低;同理當(dāng)分路數(shù)大于最佳分路數(shù)時(shí),系統(tǒng)的COP 也會(huì)降低,因此當(dāng)二者相等時(shí),流路數(shù)最佳。結(jié)果表明根據(jù)此原理優(yōu)化的4?2流路可以提升系統(tǒng)能效。這是因?yàn)樵撛肀举|(zhì)仍是根據(jù)制冷劑沿程的干度變化所導(dǎo)致的換熱系數(shù)變化來優(yōu)化流路的。賀常相等[24]也采用熱阻平衡法優(yōu)化房間空調(diào)器室外機(jī)的流路,并將熱阻平衡法擴(kuò)展到蒸發(fā)器,通過計(jì)算得到不同工況的最佳分路數(shù),再根據(jù)APF權(quán)衡得到綜合的分路數(shù),實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。
熱阻平衡法既能優(yōu)化冷凝器,也可以優(yōu)化蒸發(fā)器的流路,并且不需要建立換熱器的分布參數(shù)模型,對(duì)壓降也不需要具體建模,是一種適用性較好并且計(jì)算簡單的經(jīng)驗(yàn)性方法。
遺傳算法能夠代替部分人工操作,減少流路優(yōu)化的計(jì)算時(shí)間,同時(shí)在約束合理處理的基礎(chǔ)上也可以有效優(yōu)化流路,是翅片管換熱器流路優(yōu)化的未來熱點(diǎn)方向。遺傳算法是將管路的連接表示為矩陣,矩陣的元素位置就是管的編號(hào),矩陣的元素值就是管的連接方式,以此為基礎(chǔ)計(jì)算流路[34]。Wu 等[35]提出了一種改進(jìn)的遺傳算法(IGA)用于流路優(yōu)化,對(duì)傳統(tǒng)的交叉、變異算子改進(jìn),提出了貪婪交叉、貪婪變異算子。結(jié)果表明改進(jìn)的遺傳算法的有效性以及計(jì)算速度都要優(yōu)于傳統(tǒng)的遺傳算法。對(duì)3個(gè)換熱器進(jìn)行實(shí)例計(jì)算,發(fā)現(xiàn)以減少U形管長度為目標(biāo),可以縮減0~40%;以增大換熱量為目標(biāo),可以增加2.8%~7.4%。Domanski 等[36]提出了基于知識(shí)學(xué)習(xí)和符號(hào)學(xué)習(xí)的雙模塊遺傳算法,并將二者集成為ISHED,研究了6種不同的制冷劑對(duì)該智能系統(tǒng)的適應(yīng)性,結(jié)果表明ISHED 可以較好地優(yōu)化換熱器的流路,并且高壓制冷劑例如R600a和R134a對(duì)ISHED的適應(yīng)性更好。Yashar等[37]基于ISHED系統(tǒng)研究不同模塊優(yōu)化流路對(duì)換熱器性能的提升程度,結(jié)果表明采用單一符號(hào)學(xué)習(xí)模塊和單一知識(shí)學(xué)習(xí)模塊能分別提升換熱量2.6%和4.8%,而同時(shí)采用2個(gè)模塊可以提升換熱量6.5%。Yashar 等[38]實(shí)驗(yàn)研究了ISHED 系統(tǒng)優(yōu)化流路的有效性,結(jié)果表明優(yōu)化后的流路存在長U形連接管交叉以及各管路連接復(fù)雜的現(xiàn)象,在此基礎(chǔ)上人工調(diào)整流路即可,最終換熱量提升2.2%±1.5%,COP 提升2.9%±1.5%。Lu 等[39]基于遺傳算法以Z 形、W 形、U 形約束優(yōu)化流路,結(jié)果表明在高質(zhì)量流量下以Z 形約束優(yōu)化流路最佳。Cen 等[40]基于遺傳算法以相鄰管路連接約束優(yōu)化流路,結(jié)果表明在搜索的161 種流路里,最好的流路比最差的流路的換熱量提升2.1%。Ploskas等[41]基于5種無導(dǎo)數(shù)優(yōu)化算法去優(yōu)化17種翅片管換熱器的流路,結(jié)果表明TOMLAB/glcDirect和TOMLAB/glcSolve 可以在相對(duì)較少的流路搜索中尋找到最佳流路。Li 等[42]提出了改進(jìn)的遺傳算法(IPGA)用于流路優(yōu)化,基于整數(shù)置換以6 個(gè)新的算子代替原來的變異、交叉算子,結(jié)果表明IPGA可以大大減少優(yōu)化過程中的不可解,減少計(jì)算時(shí)間。對(duì)于不同管數(shù)的換熱器,換熱量可以提升2.4%~14.6%。4種不同的遺傳算子計(jì)算所得的流路如圖11所示,與上述兩種遺傳算法相比,IPGA能夠保證換熱量增加的同時(shí)壓降增幅較小。
圖11 不同遺傳算子計(jì)算的流路[39]
遺傳算法的精度取決于建立的換熱器模型、約束條件、算子以及合理的評(píng)價(jià)指標(biāo),計(jì)算所得的最佳流路存在較為嚴(yán)重的U形管交叉連接的現(xiàn)象,這可能在實(shí)際的換熱器流路焊接中存在加工困難和成本較高的問題,因此根據(jù)遺傳算法的流路設(shè)計(jì),還需要結(jié)合實(shí)際情況去調(diào)整流路。表1總結(jié)了部分學(xué)者對(duì)翅片管換熱器流路的優(yōu)化方法。
表1 翅片管換熱器流路優(yōu)化方法
評(píng)價(jià)翅片管換熱器流路的優(yōu)劣,最佳的方法是測試該換熱器在系統(tǒng)中的性能,但是這樣會(huì)消耗大量的人力物力,因此流路優(yōu)劣的理論評(píng)價(jià)指標(biāo)十分有必要。為了更好地對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行總結(jié),將評(píng)價(jià)指標(biāo)分為基于換熱量和壓降的評(píng)價(jià)指標(biāo)以及基于不可逆損失的評(píng)價(jià)指標(biāo)。
在遺傳算法以及常規(guī)換熱器流路優(yōu)化中,通常考慮換熱量Q、壓降p或Q/p等指標(biāo)。張浩等[26]基于微元換熱量最大來優(yōu)化流路。Domanski 等[36]、Yashar 等[37?38]都采用了換熱量Q或Q/p作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。當(dāng)采用換熱量Q作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí),目的直觀,但缺乏壓降的考慮,容易產(chǎn)生換熱量大、壓降也大的結(jié)果;當(dāng)采用壓降p作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí),也不能兼顧換熱量的影響,兩個(gè)參數(shù)是一個(gè)相互制約的關(guān)系,因此在選取評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)應(yīng)兼顧換熱量與壓降;當(dāng)采用Q/p作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí),雖然能夠同時(shí)考慮換熱量與壓降的影響,但這并不是一個(gè)量綱1數(shù),受限于流量,因此并不準(zhǔn)確。Kwak 等[43]利用等泵送功率下?lián)Q熱量的大?。≦/V?p),考慮壓縮機(jī)的耗功來評(píng)價(jià)冷凝器流路優(yōu)化的效果,在多工況下根據(jù)SEER 和SCOP 中各工況的占比進(jìn)而權(quán)衡流路的優(yōu)化。當(dāng)采用Q/V?p作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí),能夠綜合考慮換熱量與壓降的影響,且是量綱1數(shù),可以比較不同流量下的換熱性能,但V?p也不能準(zhǔn)確地代表壓縮機(jī)的耗功。Guo 等[44]提出以換熱因子Nu/Nu0隨Re改變的變化趨勢優(yōu)化換熱器,但隨后更多的學(xué)者發(fā)現(xiàn)隨著換熱的強(qiáng)化,阻力系數(shù)也迅速增加;Mehendale等[45]提出以性能指標(biāo)(Nu/Nu0)/(ξ/ξ0)是否大于1來評(píng)價(jià)換熱器的強(qiáng)化換熱性能,但很快又發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的強(qiáng)化技術(shù)難以滿足這一要求;Palm等[46]則提出(Nu/Nu0)/(ξ/ξ0)1/3是否大于1 來評(píng)價(jià)強(qiáng)化換熱技術(shù),發(fā)現(xiàn)該指標(biāo)可以應(yīng)用于部分工程場合,具有優(yōu)越性。Nu和ξ是與換熱量和壓降相關(guān)的因子,這3種指標(biāo)是以流動(dòng)與傳熱的角度評(píng)價(jià)換熱器,針對(duì)流路優(yōu)化的適應(yīng)性欠妥。綜上,以等泵功率下?lián)Q熱量的大小來評(píng)價(jià)換熱器的流路優(yōu)化是較好的。
不可逆損失的評(píng)價(jià)指標(biāo)常是?損或者熵產(chǎn)。Liang 等[28]以換熱器的制冷劑側(cè)和空氣側(cè)的?損率之和來評(píng)價(jià)流路優(yōu)化的好壞,即總?損率越小,流路優(yōu)化越有效。Chen等[30]以?效率評(píng)價(jià)4種不同配比的分液式冷凝器,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明?效率的高低順序與能效的高低順序有差異。Ye等[31]利用改進(jìn)的量綱為1熵產(chǎn)數(shù)Nsl[32]去評(píng)價(jià)流路優(yōu)化的有效性,可以比較不同流量下的流路優(yōu)化效果。張浩等[33]以熵產(chǎn)為評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)化翅片管蒸發(fā)器的分路數(shù)以及氣液分離器的位置,結(jié)果表明隨分路數(shù)以及氣液分離器的位置改變,會(huì)出現(xiàn)最小熵產(chǎn)點(diǎn),結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了熵產(chǎn)評(píng)價(jià)的有效性。從熱力學(xué)第二定律的角度以?或者熵來評(píng)價(jià)流路優(yōu)化的效果缺乏對(duì)壓縮機(jī)耗功的考慮,但在合適的工況下(壓縮機(jī)的高低壓差不大、耗功較小時(shí))具有適用性。Stewart等[47]認(rèn)為結(jié)合熵產(chǎn)與COP共同優(yōu)化冷凝器流路的效果更好,但此時(shí)需要結(jié)合系統(tǒng)仿真,復(fù)雜性和誤差都會(huì)增加。因此Lee 等[26]和賀常相等[21]利用熱阻平衡去評(píng)價(jià)流路優(yōu)化的效果,認(rèn)為當(dāng)壓縮機(jī)的耗功較大時(shí),即壓縮機(jī)吸排氣壓比較大時(shí),熵或者?的評(píng)價(jià)效果不好,并且這些指標(biāo)不能通用于冷凝器與蒸發(fā)器,用熱阻平衡更能考慮壓降所帶來的壓縮機(jī)耗功增加,且具有通用性,但該評(píng)價(jià)方法是經(jīng)驗(yàn)性的,理論性不強(qiáng)。圖12 總結(jié)了流路優(yōu)化的評(píng)價(jià)指標(biāo)。
圖12 流路優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)
翅片管換熱器的流路優(yōu)化是提升換熱器和系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文總結(jié)了現(xiàn)有的國內(nèi)外翅片管換熱器的流路優(yōu)化研究,得出如下結(jié)論。
(1)流路優(yōu)化方法主要有基于空氣側(cè)與制冷劑側(cè)參數(shù)的優(yōu)化,基于管路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,基于微元換熱最大化的優(yōu)化,基于不可逆損失最小的優(yōu)化,遺傳算法等。其中?分析與熵產(chǎn)最小化都存在通用性不強(qiáng)的問題,而熱阻平衡法是目前適用性較好的方法;可變流路以及遺傳算法都是未來的重點(diǎn)研究方向。
(2)流路優(yōu)化的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有基于換熱量和壓降的指標(biāo)以及基于不可逆損失的指標(biāo)。其中基于換熱量和壓降的指標(biāo)中以等泵功率下?lián)Q熱量的大小作為評(píng)價(jià)指標(biāo)是較好的;基于不可逆損失的指標(biāo)中?損與熵產(chǎn)都缺乏通用性,而熱阻平衡適用性較好。
盡管翅片管換熱器的流路優(yōu)化已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展,并且諸多方案得到應(yīng)用,但仍有一些問題值得研究。
(1)變制冷劑流路的原理不復(fù)雜,但目前實(shí)現(xiàn)方式較少,除了利用單向閥以外,可以采用截止閥以及對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)控制閥門的開關(guān)使得制冷與制熱的流路數(shù)更接近最佳流路數(shù)。
(2)熵產(chǎn)最小化方法由于壓降對(duì)冷凝器影響較小而不適用,可以對(duì)壓降的熵產(chǎn)數(shù)乘以小于1的修正系數(shù)以減弱冷凝器流路優(yōu)化時(shí)壓降對(duì)最佳流路數(shù)計(jì)算的影響。
(3)遺傳算法目前仍存在管路連接雜亂、實(shí)用性不高的問題,未來可以通過優(yōu)化遺傳算子以及約束條件等方法去減少跨管連接的現(xiàn)象。
(4)翅片管換熱器的流路優(yōu)化并沒有一個(gè)準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)指標(biāo),理論最優(yōu)與實(shí)際最優(yōu)仍存在差距,評(píng)價(jià)指標(biāo)的適用范圍以及準(zhǔn)確性都需要進(jìn)一步研究。
符號(hào)說明
A——換熱器的換熱面積,m2
Nsl——熵產(chǎn)數(shù)
Nu——努塞爾數(shù)
p——壓降,Pa
Q——換熱量,W
Re——雷諾數(shù)
U——換熱器的總傳熱系數(shù),W/(m2·K)
V——體積流量,m3/s
ξ——阻力因子