非均勻風(fēng)速下翅片管換熱器冷劑流路穩(wěn)健設(shè)計

張春路，高 潔

（同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

翅片管風(fēng)冷換熱器廣泛應(yīng)用于制冷空調(diào)裝置中.由于換熱器通常安裝于受限空間內(nèi)，所以迎面風(fēng)速往往不均勻分布，造成換熱器的制冷劑流路布置對系統(tǒng)性能有顯著影響.在熱泵空調(diào)中，室內(nèi)換熱器在制冷運行時為蒸發(fā)器，制熱運行時為冷凝器，而室外換熱器則反之.室內(nèi)換熱器有多檔風(fēng)速變化、甚至變頻無級調(diào)速.風(fēng)速的變化同時會造成風(fēng)速不均勻分布的變化.在火車、地鐵等空調(diào)制冷系統(tǒng)中，由于運行速度及環(huán)境的變化導(dǎo)致風(fēng)壓變化，換熱器迎面風(fēng)速的大小及不均勻分布會相應(yīng)變化.此外，在換熱器的使用過程中，由于翅片表面氧化或積灰等原因也會造成迎面風(fēng)速及其分布的改變.因此，在翅片管換熱器制冷劑流路設(shè)計時，如何降低風(fēng)速不均勻分布及其變化對換熱器性能的影響是一個關(guān)鍵技術(shù)問題.

由于翅片管換熱器設(shè)計涉及的變量多，且互相影響，因此難以通過單一的實驗手段進行研究.目前，國內(nèi)外越來越多的學(xué)者利用計算機仿真技術(shù)對翅片管換熱器的性能進行模擬與分析［1－2］.Domanski等［3］開發(fā)了 EVAP-COND 軟件［4］并使用其 對 不 同制冷劑的蒸發(fā)器性能進行了模擬分析.黃東等［5－6］也采用該軟件對翅片管蒸發(fā)器在風(fēng)速不均勻分布時的性能進行了研究，換熱器流路為常見的平行布置.柳成文等［7］針對50kW空氣源熱泵V形風(fēng)側(cè)換熱器，仿真研究了風(fēng)速分布不均勻?qū)ζ鋼Q熱器性能的影響.而最近K?rn等［8］通過仿真研究了一個雙排、雙支路蒸發(fā)器在風(fēng)速不均勻分布下的性能，研究表明采用X型的流路交錯布置（一個支路為逆流、另一個支路為順流）和出口狀態(tài)控制可以有效降低風(fēng)速不均勻分布對換熱器性能的影響.綜合迄今的相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn)：風(fēng)速不均勻分布對換熱器性能的影響多采用仿真手段；多數(shù)研究者指出了風(fēng)速不均勻分布可能對換熱器性能造成顯著的負面影響，但如何通過改進流路設(shè)計來降低其影響的深入研究不多；實踐中具體的換熱器風(fēng)速分布往往難以獲得，而且風(fēng)速分布還會在實際運行中發(fā)生變化，對此研究者未予以足夠重視；熱泵型機組在制冷和制熱兩者模式下制冷劑的流向會反向，導(dǎo)致風(fēng)速不均勻分布下的流路布置更為復(fù)雜，相關(guān)研究缺乏.

本文針對熱泵型機組，通過仿真手段研究不同的風(fēng)速不均勻分布形式和不均勻程度下翅片管換熱器（制冷時為蒸發(fā)器、制熱時為冷凝器）流路的穩(wěn)健設(shè)計，即通過流路設(shè)計降低風(fēng)速不均勻分布對換熱器性能的影響，特別是提出并研究了全逆流（冷凝器）流路全交錯布置對換熱器性能的改善.

1 仿真工具與運行條件

1.1 仿真工具介紹

盡管作者所在的團隊也開發(fā)了翅片管換熱器仿真軟件，但是為了方便讀者進行對比研究，本文采用美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院NIST開發(fā)的、可以免費下載使用的EVAP-COND 3.0軟件.該軟件適用于5排以內(nèi)的翅片管蒸發(fā)器和冷凝器仿真，可以進行制冷劑流路設(shè)計，且考慮了一維的風(fēng)速不均勻分布.該軟件也提供了不同的換熱與壓降關(guān)聯(lián)式供用戶選擇，本文計算均采用軟件推薦的默認選項.

1.2 仿真的運行條件

本文研究風(fēng)速分布情況對某一熱泵型空調(diào)機室內(nèi)換熱器性能的影響，換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1.制冷劑選用R22和R410A兩種，以加強結(jié)論的通用性.在制冷運行時，室內(nèi)換熱器為蒸發(fā)器，其運行工況參數(shù)見表2.制熱運行時，室內(nèi)換熱器為冷凝器，其運行工況參數(shù)見表3.其中，進口空氣的干球和濕球溫度采用了國標(biāo)工況值，而制冷劑側(cè)參數(shù)采用了實踐中的典型值.

對于風(fēng)速分布的設(shè)定，考慮了各種有代表性的分布.除了均勻分布以外，分別考慮上三角、下三角、正三角、倒三角4種情況（如圖1所示，按EVAPCOND 3.0，假設(shè)換熱器是水平放置，空氣由下朝上流動）.此外，考慮到風(fēng)速分布的不均勻程度也會影響換熱器的性能，又將最小風(fēng)速與最大風(fēng)速的比值分為1∶2、1∶5、1∶10三種情況.

表1 換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Specifications of heat exchanger

表2 蒸發(fā)器的運行工況Tab.2 Operating conditions of the evaporator

表3 冷凝器的運行工況Tab.3 Operatingconditions of the condenser

由于是熱泵型空調(diào)，所以室內(nèi)換熱器的流路設(shè)計應(yīng)采用直進直出的設(shè)計（中間沒有分流或匯流）.同時，當(dāng)換熱器在制冷工況下按蒸發(fā)器運行時，制冷劑沿管排的流向應(yīng)該與空氣流向一致（即順流），這樣在制熱工況下按冷凝器運行時可以保證制冷劑與空氣是逆流換熱、有效降低局部換熱溫差的不均勻性，從而保證系統(tǒng)有較高的季節(jié)能效比.如圖2所示，換熱器的制冷劑流路設(shè)計為三路，并給出了三種流路布置方式：第一種方式是平行布置，三條支路都只占三分之一的迎風(fēng)面；第二種方式是半交錯布置，有兩條支路交錯布置，占三分之二的迎風(fēng)面；第三種方式是全交錯布置，三條支路都基本布滿了整個迎風(fēng)面.圖2中箭頭是換熱器作為蒸發(fā)器時制冷劑的流向，因此流路的起始節(jié)點就是蒸發(fā)器的制冷劑入口.

3 仿真結(jié)果與分析

圖1 風(fēng)速分布4種情況圖Fig.1 Four typical air velocity maldistributions

圖2 換熱器制冷劑流路的不同設(shè)計Fig.2 Different refrigerant circuitry designs of heat exchanger

仿真結(jié)果如圖3～圖8所示.為了凸顯出風(fēng)速不均勻分布與風(fēng)速均勻分布時的差別，在繪制仿真結(jié)果圖時，縱坐標(biāo)為不同風(fēng)速分布下的換熱量除以風(fēng)速均勻分布時的換熱量.因此，數(shù)值越接近1就表示換熱量越接近風(fēng)速均勻分布時的值.此外，為了便于比較，圖3～圖8的縱坐標(biāo)刻度采用了相同設(shè)置.

流路設(shè)計A的仿真結(jié)果如圖3和圖4所示.由于每條支路都只占三分之一迎風(fēng)面，風(fēng)速低、風(fēng)量小的一側(cè)支路換熱能力不足，而風(fēng)速高、風(fēng)量大的一側(cè)支路換熱能力過剩，導(dǎo)致?lián)Q熱器平均換熱能力下降.風(fēng)速上三角分布時，蒸發(fā)器的換熱效果最差，正三角分布時，換熱效果最好.

流路設(shè)計B的仿真結(jié)果如圖5和圖6所示.由于有兩條支路交錯布置，通過這兩個支路的平均風(fēng)速或風(fēng)量是相近的，這一改變使得風(fēng)速倒三角分布時，蒸發(fā)器換熱效果有了明顯提高.但是在上三角風(fēng)速下，蒸發(fā)器換熱效果反而惡化.

流路設(shè)計C的仿真結(jié)果如圖7和圖8所示.由于全交錯流路設(shè)計，每條支路都遍歷整個風(fēng)速分布，所以三條支路的換熱能力比較相近，不同風(fēng)速分布下?lián)Q熱器性能更為穩(wěn)定.

圖3 蒸發(fā)器換熱量隨風(fēng)速分布的變化（設(shè)計A）Fig.3 Variation in evaporator capacity with air velocity distribution（Design A）

圖4 冷凝器換熱量隨風(fēng)速分布的變化（設(shè)計A）Fig.4 Variation in condenser capacity with air velocity distribution（Design A）

圖5 蒸發(fā)器換熱量隨風(fēng)速分布的變化（設(shè)計B）Fig.5 Variation in evaporator capacity with air velocity distribution（Design B）

圖6 冷凝器換熱量隨風(fēng)速分布的變化（設(shè)計B）Fig.6 Variation in condenser capacity with air velocity distribution（Design B）

圖7 蒸發(fā)器換熱量隨風(fēng)速分布的變化（設(shè)計C）Fig.7 Variation in evaporator capacity with air velocity distribution（Design C）

圖8 冷凝器換熱量隨風(fēng)速分布的變化（設(shè)計C）Fig.8 Variation in condenser capacity with air velocity distribution（Design C）

此外，圖3至圖8仿真結(jié)果體現(xiàn)出的共性結(jié)論還包括：無論是使用R22還是R410A，風(fēng)速分布不均勻?qū)φ舭l(fā)器和冷凝器性能的影響均較大.風(fēng)速分布形式不同，對不同流路設(shè)計的換熱器性能的影響程度也不同.4種風(fēng)速分布形式對蒸發(fā)器的影響差異較大，但對冷凝器的影響差異較小.

從圖3～圖8還可以看到，當(dāng)最小風(fēng)速與最大風(fēng)速的比值越小，即風(fēng)速不均勻度越大時，換熱器性能就越差.當(dāng)該比值從1∶2變成1∶5時，是換熱器性能變化最大的一段，可以用此時換熱器的性能差來定量表征風(fēng)速不均勻度對換熱器性能的影響，換熱器性能差δ定義如下：

式中，Q1∶1、Q1∶2和Q1∶5分別表示風(fēng)速比1∶1（即均勻風(fēng)速）、1∶2和1∶5時的換熱器換熱量.

表4為蒸發(fā)器性能差.設(shè)計A的蒸發(fā)器最大性能差最大，下三角分布對R22蒸發(fā)器的影響達到20%，對R410A蒸發(fā)器的影響也達17%.設(shè)計C的蒸發(fā)器性能差最小，除上三角分布的影響有6%，其余三種分布的影響都在2%左右.

表5為冷凝器性能差.相比之下，冷凝器受風(fēng)速不均勻分布的影響要比蒸發(fā)器小，三種設(shè)計的最大性能差都在10%以內(nèi).設(shè)計C的最大性能差仍是最小.這從另一個角度說明了制冷劑流路交錯設(shè)計可以減弱風(fēng)速不均勻分布對換熱器性能的影響，而且無需知道具體的風(fēng)速分布，便于實際應(yīng)用.

表4 風(fēng)速比從1∶2變化到1∶5時的蒸發(fā)器性能差Tab.4 Performance difference of evaporator with air velocity ratio change from 1∶2to 1∶5%

表5 風(fēng)速比從1∶2變化到1∶5時的冷凝器性能差Tab.5 Performance difference of condenser with air velocity ratio change from 1∶2to 1∶5%

3 結(jié)論

本文研究了風(fēng)速不均勻分布下熱泵型空調(diào)中翅片管換熱器的制冷劑流路設(shè)計問題.通過大量仿真計算與分析，獲得以下主要結(jié)論：

（1）風(fēng)速不均勻分布時會對換熱器性能產(chǎn)生不同程度的影響，對蒸發(fā)器性能的影響比對冷凝器性能的影響更顯著.風(fēng)速不均勻程度越大，蒸發(fā)器和冷凝器的換熱性能都越差，蒸發(fā)器性能下降幅度較冷凝器更大.

（2）不同流路設(shè)計的換熱器受風(fēng)速不均勻分布的影響不同.全交錯型流路設(shè)計可以顯著降低風(fēng)速不均勻分布對換熱器性能的影響，且無需知道具體的風(fēng)速分布，有很高的實用性.

最后需要指出的是，全交錯型流路設(shè)計適用于支路數(shù)與管排數(shù)相近的翅片管換熱器，即中小型制冷空調(diào)機組（例如家用空調(diào)器、車輛空調(diào)等），對于支路數(shù)遠大于管排數(shù)的中大型風(fēng)冷制冷空調(diào)機組并不合適，因為無法使得一個支路可以遍歷整個風(fēng)速分布.

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