變間距對稱圓孔翅片管式換熱器結(jié)霜工況下的節(jié)能性能

(重慶大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶，400044)

冷藏室和冰箱作為食品的存儲地，室內(nèi)或箱體內(nèi)空氣溫度較低，蒸發(fā)器換熱面(通常為翅片)容易結(jié)霜。運行一段時間后，翅片表面結(jié)滿霜層，換熱效果變差，能效比迅速降低。因此，研究結(jié)霜工況下制冷換熱器的換熱效果對該類換熱器高效節(jié)能及其經(jīng)濟運行具有重要意義。目前，國內(nèi)外研究主要集中在冷風(fēng)機和冰箱上[1?3]。呂金虎等[4]在試驗的基礎(chǔ)上分析翅片管的片距對空氣冷卻器傳熱系數(shù)和制冷量的影響；羅超等[5]對間冷式冰箱蒸發(fā)器結(jié)霜換熱性能進(jìn)行實驗研究，認(rèn)為隨著時間的變化，空氣側(cè)壓降呈指數(shù)關(guān)系增長，結(jié)霜量呈直線關(guān)系增長；Ding等[6]利用新的數(shù)學(xué)模型開發(fā)提高間冷式冰箱蒸發(fā)器仿真精確性的計算方法。Yan[7]在確定各種因素對換熱器性能的影響的同時，獲得傳熱量、總換熱系數(shù)和換熱器阻力隨時間的變化。Lee等[8]運用最優(yōu)化程序，把翅片間距作為設(shè)計常數(shù)，平均換熱效率、結(jié)霜量和運行時間作為目標(biāo)函數(shù)，采用反應(yīng)表來優(yōu)化設(shè)計，得出平均換熱系數(shù)和運行時間。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，三維模擬技術(shù)被大量應(yīng)用于翅片換熱器強化傳熱的優(yōu)化設(shè)計研究[9?14]。目前，積霜工況下工作的翅片管式制冷換熱器的翅片結(jié)構(gòu)主要是以平翅片為主要片型，且換熱器機構(gòu)多為非變間距換熱器，這在冷庫里的冷風(fēng)機上較常見。但當(dāng)換熱器運行一段時間時，翅片表面積滿霜層，前排翅片管被霜層嚴(yán)重堵塞，導(dǎo)致?lián)Q熱效果變差，需頻繁除霜，耗電量大。因此，在變翅片間距制冷換熱器中，采用高效翅片來增強換熱，有重要的節(jié)能意義。該方面的研究尚未見到報道。王厚華等[15]提出大直徑圓孔高效翅片片型，利用冰箱制冷系統(tǒng)實驗研究大直徑圓孔翅片管的傳熱與制冷性能，研究結(jié)果證明：在迎面風(fēng)速為0.5 m/s時，圓孔翅片的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比平翅片提高18.84%，制冷系數(shù)提高6.83%，相同制冷量下可節(jié)電6.39%。方趙嵩[16]利用風(fēng)洞實驗臺，進(jìn)行對比性試驗研究，結(jié)果表明：在迎面平均風(fēng)速1.87～5.00 m/s的范圍內(nèi),大直徑圓孔翅片管式制冷換熱器的翅片表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大 48.8%～69.4%，平均增幅達(dá)57.7%；壓縮機能效比提高3.0%～25.0%，平均提高12.0%。因此，在制冷工況下，研究變間距圓孔翅片管式制冷換熱器的節(jié)能性能，對制冷換熱器的優(yōu)化設(shè)計、節(jié)能等方面具有重要意義。在文獻(xiàn)[15?16]研究的基礎(chǔ)上，本文作者利用風(fēng)洞試驗臺，對結(jié)霜工況下空氣外掠三排變間距圓孔翅片管式換熱器的對比性實驗進(jìn)行研究。

1 試驗測試

1.1 實驗原理

實驗裝置由風(fēng)系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和測量裝置3部分組成，圖1所示為實驗裝置原理圖。風(fēng)系統(tǒng)由混合箱、實驗風(fēng)洞、風(fēng)機和循環(huán)管道組成?？諝庥苫旌舷鋬?nèi)的雙扭線吸風(fēng)口進(jìn)入，經(jīng)蜂窩器、均流器后進(jìn)入實驗段。實驗段截面面積為300 mm×300 mm，蒸發(fā)器試件安裝于實驗段中?？諝庠趯嶒灦伪焕鋮s后經(jīng)均流器進(jìn)入測速段，然后被風(fēng)機吸入，經(jīng)風(fēng)閥后送入循環(huán)管道、混合箱，完成循環(huán)。循環(huán)管道內(nèi)安裝有主加熱器、精加熱器和加濕器，以控制濕空氣的入口參數(shù)。制冷系統(tǒng)由壓縮機、水冷式冷凝器、熱力膨脹閥和翅片管式蒸發(fā)器(實驗試件)組成。風(fēng)系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)外表面均采用雙層橡塑嚴(yán)格保溫，熱損失可忽略不計。

圖1 實驗原理圖Fig. 1 Scheme of experiment

試件前后空氣干球溫度由實驗段前后測溫?zé)犭娕季W(wǎng)上均布的各9對熱電偶測定，濕球溫度由圖1所示濕球溫度測量裝置測定，試件基管外表面溫度由每根基管外表面間周向等距嵌置的3對熱電偶測定。試件阻力由試件前后的靜壓環(huán)配合傾斜式微壓計測定，風(fēng)速由畢托管配合傾斜式微壓計測定。畢托管置于測速段，測速段截面積僅為實驗段的1/3，因此，流速較高，測量準(zhǔn)確。冷凝器進(jìn)、出口水溫由標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計測量，流量采用稱量法測量，壓縮機耗電量采用功率表測量。在實驗過程中，同時采用大氣壓力表測量大氣壓力。整個實驗裝置經(jīng)嚴(yán)格標(biāo)定，風(fēng)道截面溫度的不均勻性在?0.1～0.1 K之內(nèi)，風(fēng)、水系統(tǒng)的熱平衡相對誤差在?5%～5%之內(nèi)。

1.2 實驗樣件

三排管圓孔翅片管式蒸發(fā)器實驗試件如圖 2(a)所示，結(jié)構(gòu)為銅管套鋁片。試件蒸發(fā)器采用對稱圓孔翅片管制成，變間距換熱器由3排翅片管組成：第1排換熱器的翅片間距為16 mm，第2排換熱器的翅片間距為13 mm，第3排換熱器的翅片間距為10 mm。非變間距換熱器同樣由3排翅片管組成，每排管翅片數(shù)都是28片，翅片間距均為10 mm。所有翅片基本尺寸如下：基管外徑D0=25 mm，翅片厚度δ=0.5 mm，管間距Y=76 mm，翅片寬度W=61 mm，高度H=296 mm，圓孔直徑D=14mm。圓孔的開設(shè)位置如圖2所示，基管前后各對稱開設(shè)2個圓孔，孔管距e=26 mm，孔管中心距l(xiāng)=21.5 mm。

圖2 試驗樣件Fig. 2 Sample of experiment

實驗試件由專業(yè)廠家精加工制成，翅片與基管采用脹管工藝連接，接觸緊密，實驗結(jié)果整理時不考慮接觸熱阻。

2 實驗數(shù)據(jù)處理

制冷劑采用R22，其充入量嚴(yán)格按照稱量法控制，試件中制冷劑的充入量完全相等。根據(jù)冷庫室內(nèi)空氣被冷卻的特點，設(shè)置實驗步驟，具體如下：啟動風(fēng)機、加熱器與加濕器，直到混合室內(nèi)空氣的溫濕度達(dá)到設(shè)定要求時關(guān)閉加熱器與加濕器，此時啟動壓縮機，讓封閉系統(tǒng)里面的風(fēng)不斷被循環(huán)冷卻。在壓縮機運行0.5 h后開始測量，每隔20 min測量1次，測量數(shù)據(jù)即時輸入計算機，采用Excel電子表格存儲并處理實驗數(shù)據(jù)。風(fēng)速由風(fēng)量調(diào)節(jié)閥控制，由本實驗裝置中安裝的風(fēng)量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)。對于控制的實驗段迎面平均風(fēng)速，選取低風(fēng)速和高風(fēng)速中2個有代表性的風(fēng)速進(jìn)行測試，它們分別為1.87和4.3 m/s。對每一試件在每種風(fēng)速下進(jìn)行1次試驗，實驗時間嚴(yán)格控制為5.5 h。

2.1 制冷量

制冷量采用焓差法計算。由實驗試件前后測量得到空氣進(jìn)口和出口的干、濕球溫度，大氣壓力已知，從相關(guān)焓?濕圖中查得濕空氣對應(yīng)狀態(tài)點的焓。制冷量采用下式計算：

其中：Φ0為制冷量，W；qm為濕空氣的質(zhì)量流量，kg/s；ρ為濕空氣的平均密度，kg/m3；um為實驗段迎面平均風(fēng)速，m/s；Ae為實驗段截面積，m2；ha1和ha2為試件前后濕空氣的質(zhì)量焓，J/kg。ha，um和Ae中下標(biāo)“a，m和e”分別表示“空氣、平均值和實驗段”。

2.2 蒸發(fā)器平均當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

采用平均當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)來說明和綜合比較 2種換熱器換熱效果的優(yōu)劣性。平均當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)采用傳熱學(xué)基本公式：

其中：h0為翅片表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；A0為對流換熱面積，包括翅片表面積和基管換熱面積，m2；ΔT為基管外表面與空氣間的平均對流換熱溫差，K。ΔT由下式計算：

其中：Ts為基管外表面平均溫度，K；Ta1和Ta2為試件濕空氣進(jìn)、出口溫度，K；角標(biāo)“s和a”分別表示基管外表面和空氣。

3 實驗結(jié)果分析比較

3.1 平均當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

表1所示為2種換熱器當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的對比結(jié)果。從表1可知：當(dāng)翅片迎面風(fēng)速從1.87 m/s變?yōu)?.30 m/s時，換熱器當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)均發(fā)生變化，非變間距換熱器當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)略有所增加，而變間接換熱器有所下降。主要原因是：在高風(fēng)速下，由于風(fēng)速增大，且非變間距換熱器翅片數(shù)明顯比變間距換熱器的多，導(dǎo)致高分速下其換熱量增大，當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)略有所增多，但仍比非變間距換熱器的小；在這2種風(fēng)速下變間距翅片管式換熱器表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)平均比非變間距換熱器分別提高18.3%和10%，平均提高了14.15%，且平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高較大的風(fēng)速是1.87 m/s?？梢姡猴L(fēng)速不太高時，變間距技術(shù)對強化傳熱是有利的。

表1 2種制冷換熱器平均當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對比Table 1 Comparison of average surface heat transfer coefficients between two refrigeration heat exchangers

圖3和圖4所示是um為1.87和4.30 m/s時，實測換熱器當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨時間的變化圖。當(dāng)時間τ＜130 min時，當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨運行時間的延長而增大；當(dāng)τ＞130 min后，當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨運行時間的延長而減?。煌瑫r從3和圖4可見：這2種風(fēng)速下變間距換熱器的換熱效果明顯比非變間距換熱器換熱效果好得多。原因是：變間距試驗樣件由3排翅片管組成，空氣在經(jīng)過第1排管時開始被降溫，大部分水蒸汽析出并凝固成霜，后2排翅片管的結(jié)霜量相對較少，且第1和第2排管翅片間距較大，霜層不易堵塞，氣流對翅片管的沖刷較好，圓孔對氣流的擾動劇烈，因此，具有很好的對流換熱效果。對于非變間距換熱器，每排翅片管的翅片間距相等，翅片間距較小，第1排空氣流道霜層形成后減小過流斷面積，且容易堵塞圓孔，使得流阻和熱阻增大，換熱效果下降。

圖3 um=1.87 m/s時，2種換熱器當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨時間的變化Fig. 3 Changes of measured surface heat transfer coefficients of two heat exchangers with time at um=1.87 m/s

圖4 um=4.30 m/s時，2種換熱器當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨時間的變化Fig. 4 Changes of measured surface heat transfer coefficients of two heat exchangers with time at um=4.30m/s

3.2 換熱器阻力

圖5所示為2種不同風(fēng)速下蒸發(fā)器阻力隨時間的變化圖。從圖5可見：不同風(fēng)速下曲線的變化趨勢基本一致，非變間距換熱器的阻力明顯要大于變間距換熱器的阻力，且 Δp隨著速度的增大而增大，且隨時間的延長而增大。這是由于變間距換熱器的翅片間距較大，阻力較小，同時，當(dāng)?shù)?排翅片結(jié)霜時，非變間距換熱器霜層對空氣阻力的影響更加明顯。

3.3 制冷量比較

圖5 2種換熱器阻力Δp隨時間的變化曲線Fig. 5 Resistance of two heat exchangers (Δp) changing with time under two different wind speeds

圖6 2種換熱器制冷量φ比較Fig. 6 Comparison of cooling capacities (φ) of two heat exchangers

圖6所示是2種換熱器在不同風(fēng)速下的實測制冷量比較結(jié)果。從圖6可見：變間距翅片管式換熱器在小風(fēng)速下的制冷量(系列 2)明顯比非變間距翅片管式換熱器(系列1)大。計算表明：當(dāng)um=1.87 m/s時，變間距翅片管式換熱器制冷量比非變間距翅片管式換熱器的制冷量高7.6%；但隨著風(fēng)速的增大，制冷量均有所下降。其原因主要是開始隨著風(fēng)速的增大，翅片表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大，翅片表面容易布滿霜層，導(dǎo)致?lián)Q熱量減少；當(dāng)風(fēng)速um=4.3 m/s時，兩者的制冷量基本相同。因此，在低風(fēng)速下使用變間距翅片管式換熱器，不但能夠滿足制冷量的要求，同時還可以減小換熱器的換熱面積，節(jié)省金屬材料。

3.4 換熱器耗材量及低風(fēng)速下的節(jié)能性能比較

非變間距換熱器由3排翅片管組成，每排管套片28片，總計套片84片。變間距換熱器同樣由3排翅片管組成，各排翅片的套片數(shù)分別是17，21和28片，總計66片。兩者相比，后者節(jié)省21.4%的翅片金屬材料。以風(fēng)速um=1.87 m/s為例，比較變間距換熱器與非變間距換熱器的換熱與流阻性能，變間距換熱器當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高 18.26%，阻力減小 48.85%，節(jié)省21.43%的翅片金屬材料，如表2所示。

表2 um=1.87 m/s時，2種換熱器的換熱與阻力性能比較Table 2 Comparison of heat transfer performance and resistance performance between two heat exchangers with the air speed of 1.87 m/s

4 結(jié)論

(1) 在較低風(fēng)速下(um＜4.3 m/s)采用圓孔翅片代替平翅片和變間距技術(shù)能產(chǎn)生明顯的節(jié)能效果，當(dāng)um=1.87 m/s時，換熱量提高7.6%，變間距換熱器當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高 18.26%，阻力減小 48.85%，節(jié)省21.43%的翅片金屬材料。但在低風(fēng)速下，換熱效果明顯，其原因有待深入研究。

(2) 當(dāng)時間τ＜130 min時，當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨運行時間的延長而增大；當(dāng)τ＞130 min后，當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨運行時間的延長而減小，表明在結(jié)霜初期，在翅片表面霜層增大換熱面積和表面粗糙度，增強氣流擾動，起到強化傳熱的效果，但隨著霜層的增厚，換熱效果惡化，換熱量下降。

(3) 變間距對稱圓孔翅片管式換器，在低風(fēng)速下，阻力明顯比非變間距圓孔翅片管式換熱器的小，這可有效降低系統(tǒng)風(fēng)機的壓頭，減少系統(tǒng)的耗電功率，從而提高系統(tǒng)的能效比。

[1] O’Neal D L. The effects of frost growth on extended surface heat exchanger performance: A review[J]. ASHRAE, 1987, 93(2):258?274.

[2] Rite R W, Crawford R R. A parametric study of the factors governing the rate of frost accumulation on domestic refrigerator freezer finned-tube evaporator coils, Part2[J]. ASHRAE Transactions, 1991, 97(2): 438?446.

[3] Ogawa K, Tanaka N, Takeshita M. Performance improvement of plate fin and-tube heat exchangers under frosting conditions[J].ASHRAE, 1993, 99(1): 762?771.

[4] 呂金虎, 韓寶琦. 不同片距空氣冷卻器性能的實驗研究[J].流體機械, 1996, 24(9): 55?57.LU Jing-hu, HAN Bai-qi. Experimental research on the performance of the difference fin spacing air cooling exchanger[J]. Fluid Machinery, 1996, 24(9): 55?57.

[5] 羅超, 黃興華, 陳江平. 不同環(huán)境參數(shù)對間冷式冰箱蒸發(fā)器結(jié)霜換熱性能的影響[J]. 制冷學(xué)報, 2008, 29(1): 17?22.LUO Chao, HUANG Xing-hua, CHEN Jiang-ping. Effect of different parameters on frosting of evaporator in frost-free refrigerator[J]. Journal of Refrigeration, 2008, 29(1): 17?22.

[6] Ding G, Qiao H, Lu Z. Ways to improve thermal uniformity inside a refrigerator[J]. Applied Thermal Engineering, 2004,24(13): 1827?1840.

[7] YAN Wei-meng. Evaporative cooling of liquid film in turbulent mixed convection channel flows[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2005, 48(15): 3073?3080.

[8] Lee K S, Yang D K, Song S. Fin spacing optimization of a fin-tube heat exchanger under frosting conditions[J] International Journal of Heat and Mass Transfer, 2006, 49(15/16): 2619?2625.

[9] Drakulic R. Numerical modeling of flow and heat transfer in louver fin arrays[D]. Brighton: University of Brighton, 1997.

[10] Cui J, Tafti D K. Computations of flow and heat transfer in a three-dimensional multilouvered fin geometry[J]. Int J of Heat and Mass Transfer, 2002, 45(25): 5007?5023.

[11] Qu Z G, Tao W Q, He Y L. Three dimensional numerical simulation on laminar heat transfer and fluid flow characteristics of strip fin surfaces with X-arrangement of strips[J]. ASME J Heat Transfer, 2004, 126(4): 697?707.

[12] Tao Y B, He Y L, Huang J, et al. Three?dimensional numerical study of wavy fin-and-tube heat exchangers and field synergy principle analysis[J]. Int J of Heat Mass Transfer, 2007, 50(5/6):1163?1175.

[13] TIAN Li-ting, HE Ya-ling, TAO Yu-bing, et al. A comparative study on the air-side performance of wavy fin-and-tube heat exchanger with punched delta winglets in staggered and in-line arrangements[J]. International Journal of Thermal Science, 2009,48(9): 1765?1776.

[14] Wu H L, Gong Y, Zhu X. Air flow and heat transfer in louver-fin round-tube heat exchangers[J]. Journal of Heat Transfer, 2007,129(2): 200?210.

[15] 王厚華, 高建衛(wèi), 彭宣偉. 圓孔翅片管積霜工況下的制冷性能試驗[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報, 2007, 30(5): 4?10.WANG Hou-hua, GAO Jian-wei, PENG Xuan-wei.Experimental study on refrigeration performance of fin-tube with circular hole under the frost condition[J]. Journal of Chongqing University, 2007, 30(5): 4?10.

[16] 方趙嵩. 圓孔翅片管式制冷換熱器的節(jié)能性能研究[D]. 重慶:重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院, 2008: 69?78.FANG Zhao-song. Investigation on energy conservation performance of finned-tube refrigeration heat exchanger with circular holes[D]. Chongqing: Institute of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University, 2008:69?78.