不同管型結(jié)構(gòu)空調(diào)冷凝器傳熱性能研究

李麗霞

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

1 前言

隨著能源供應(yīng)的日益緊張，節(jié)能成為當(dāng)務(wù)之急。強(qiáng)化傳熱技術(shù)，由于能使各種換熱設(shè)備的效率提高、重量和體積減小，一直受到科技界和工業(yè)界的重視。高效強(qiáng)化傳熱管的研究一直是傳統(tǒng)領(lǐng)域最活躍和最有生命力的重要研究之一。本文主要介紹了螺旋槽強(qiáng)化管、直槽強(qiáng)化管和交叉槽強(qiáng)化管在家用空調(diào)冷凝器中的換熱情況。

2 冷凝器模型的建立和驗(yàn)證

由壓縮機(jī)排出的過熱氣體經(jīng)過冷凝器冷卻，這一過程，需要經(jīng)過過熱氣體區(qū)、兩相區(qū)和過冷液體區(qū)。以微元模型為基礎(chǔ)，對(duì)不同的制冷劑狀態(tài)需要采用不同的計(jì)算模型，對(duì)于單相區(qū)，由于參數(shù)變化小，比較容易求均值，可以采用集中參數(shù)模型或較少分割單元的一維分布模型，對(duì)于兩相區(qū)，參數(shù)變化大，需要采用較多分割單元的一維分布參數(shù)模型。

無論每個(gè)區(qū)采用何種模型，我們都假設(shè)冷凝器模型是由若干個(gè)微元組成的一系列流動(dòng)換熱模型，如圖1所示。

對(duì)于微元模型，在三大控制方程（質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒）的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展為如下方程組 ：

圖1 冷凝器一維模型微元示意圖

圖2 三種強(qiáng)化管

圖3 質(zhì)量流量相同時(shí)，三種強(qiáng)化管的換熱和壓降圖

空氣側(cè)能量方程：

制冷劑側(cè)能量方程：

兩側(cè)能量平衡方程：

微元換熱方程：

上式中，Q、h、T和m分別為換熱量、焓值、溫度和質(zhì)量流量，U為基于制冷劑側(cè)換熱面積的總傳熱系數(shù)，A 為制冷劑側(cè)換熱面積，下標(biāo)a代表空氣側(cè)，r代表制冷劑側(cè)，in和out分別代表進(jìn)口和出口，△T 為對(duì)數(shù)平均溫差。

本文以某家用空調(diào)冷凝器為物理模型（雙排，內(nèi)徑為Ф7的內(nèi)螺旋槽管翅式換熱器），應(yīng)用上述方程組建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)該冷凝器的換熱量進(jìn)行計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)所測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。對(duì)于計(jì)算模型和實(shí)驗(yàn)機(jī)型，在其他參數(shù)不變，調(diào)節(jié)室外側(cè)空氣進(jìn)口干球溫度值，運(yùn)行穩(wěn)定后記錄換熱量，對(duì)比數(shù)據(jù)表1所示，計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的換熱量偏差均在5%以內(nèi) ，說明這一計(jì)算模型是切實(shí)可行的。

表1 冷凝器計(jì)算模型與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

3 不同類型換熱管的換熱能力

在空調(diào)系統(tǒng)中現(xiàn)廣泛使用的傳熱管為螺旋槽強(qiáng)化管，除此之外，常見的強(qiáng)化管還有直槽強(qiáng)化管和交叉槽強(qiáng)化管，如圖2所示。本文在第二部分已驗(yàn)證的冷凝器模型的基礎(chǔ)上，對(duì)相同尺寸的螺旋槽強(qiáng)化管、光管、直槽強(qiáng)化管和交叉槽強(qiáng)化管的換熱量和壓降進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 計(jì)算用冷凝器的測(cè)試工況和結(jié)構(gòu)參數(shù)

應(yīng)用模型進(jìn)行計(jì)算分析，首先需要確定計(jì)算用冷凝器的入口工況參數(shù)和冷凝器的結(jié)構(gòu)參數(shù)（見表2和表3）。

3.2 不同類型換熱管對(duì)換熱量和壓降的影響

3.2.1 不同室外側(cè)空氣進(jìn)口干球溫度時(shí)的換熱量和壓降

以光管為基準(zhǔn)，給定相同的質(zhì)量流量，在室外側(cè)空氣進(jìn)口干球溫度不同的情況下，螺旋槽強(qiáng)化管、直槽強(qiáng)化管和交叉槽強(qiáng)化管的換熱量比較接近，比光管高2.27%～2.77%；而三種強(qiáng)化管在不同的溫度下，壓降相差較明顯，螺旋槽強(qiáng)化管的壓降最大，比光管高76.48%，交叉槽強(qiáng)化管次之，直槽強(qiáng)化管壓降最小，如圖3所示。

表2 冷凝器計(jì)算工況參數(shù)

3.2.2 不同質(zhì)量流量時(shí)的換熱量和壓降

同樣仍然以光管為基準(zhǔn)，在室內(nèi)外工況相同，質(zhì)量流量不同時(shí)，三種強(qiáng)化管的換熱量仍然比較接近，比光管高1.58%～2.08%，但螺旋槽強(qiáng)化管的壓降最大，比光管高74.69%，交叉槽強(qiáng)化管次之，直槽強(qiáng)化管最低，這一變化趨勢(shì)與不同室外側(cè)空氣進(jìn)口干球溫度時(shí)是一致的，如圖4所示。

3.3 強(qiáng)化換熱管的綜合性能評(píng)價(jià)

由上分析可以看出，在兩種不同計(jì)算模式下，三種強(qiáng)化管的換熱量都比較接近，但壓降差異較明顯，為了進(jìn)一步比較三種強(qiáng)化管的綜合換熱性能，本文采用常見的單一參數(shù)組合評(píng)價(jià)方法

能量系數(shù)法 進(jìn)行計(jì)算比較。

能量系數(shù)法是基爾比切夫把換熱量與阻力損失結(jié)合在同一指標(biāo)中加以考慮，提出以消耗單位流體輸送機(jī)械的功率N所傳遞的熱量Q作為評(píng)價(jià)換熱器性能的指標(biāo)，即

表3 冷凝器模型結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

圖4 室外進(jìn)口干球溫度相同時(shí)，三種強(qiáng)化管的換熱和壓降圖

式中：

Q傳熱量，W；

N用于冷、熱流體在換熱器中流動(dòng)所必須的泵功，W；

E消耗單位泵功率所得的熱效率;

A 流體流過換熱管壁的面積， ；

u流體平均流速，m/s；

△p壓力降（進(jìn)出口壓差），kPa。

根據(jù)上式，以光管為基礎(chǔ)，分別對(duì)螺旋槽強(qiáng)化管、直槽強(qiáng)化管和交叉槽強(qiáng)化管的換熱和流動(dòng)阻力進(jìn)行綜合性能比較，在相同質(zhì)量流量的情況下，三種強(qiáng)化管的熱效率比較如圖5所示。

從圖5可以看出，三種強(qiáng)化換熱管的熱效率均高于1，說明在消耗相同泵功率的情況下，強(qiáng)化管的綜合換熱能力均優(yōu)于光管；還可以看出，在此情況下，直槽強(qiáng)化管的綜合性能優(yōu)于交叉槽強(qiáng)化管，而交叉槽強(qiáng)化管的綜合性能又優(yōu)于螺旋槽強(qiáng)化管。按照空調(diào)器中制冷劑的流速范圍，本文事先給定了假設(shè)的質(zhì)量流量，那么三種強(qiáng)化管的優(yōu)劣結(jié)論僅適合該流速下的雷諾數(shù)，對(duì)于其他雷諾數(shù)范圍內(nèi)，強(qiáng)化管換熱能力的優(yōu)劣還有待進(jìn)一步證明。

4 結(jié)論

本文首先建立了冷凝器的一維穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型，校核驗(yàn)證后對(duì)螺旋槽強(qiáng)化管、直槽強(qiáng)化管和交叉槽強(qiáng)化管三種強(qiáng)化管在兩種情況下的換熱、壓降及綜合性能進(jìn)行比較，并得到如下結(jié)論：

(1)因三種強(qiáng)化管的換熱性能比較接近，單從換熱方面考慮，空調(diào)冷凝器用強(qiáng)化管可以選擇螺旋槽式的，也可以選用直槽式的和交叉槽式的。

(2)三種強(qiáng)化管中，螺旋槽強(qiáng)化管的壓降最大，交叉槽強(qiáng)化管次之，直槽強(qiáng)化管最小。在空調(diào)器中為了得到更多的制冷量，需要降低冷凝器出口溫度，經(jīng)常采用增大冷凝器壓降的方法，此時(shí)采用螺旋槽強(qiáng)化管就是比較合適的。

(3)在綜合考慮換熱量與阻力損失的情況下，利用能量系數(shù)法可知，交叉槽強(qiáng)化管熱效率優(yōu)于螺旋槽強(qiáng)化管，又不及直槽強(qiáng)化管。

圖5 強(qiáng)化管綜合性能評(píng)價(jià)曲線

[1] 丁國(guó)良，張春路. 制冷空調(diào)裝置仿真與優(yōu)化. 科學(xué)出版社, 2001

[2] 吳揚(yáng)，鄧斌等. 采用不同慣性結(jié)構(gòu)管翅式冷凝器傳熱性能分析與研究. 制冷與空調(diào), 2010(11):176-179

[3] 周啟瑾. 蒸發(fā)管內(nèi)傳熱研究的新進(jìn)展. 制冷技術(shù),2002(02):22-24

[4] 黃鵬. 螺旋槽管強(qiáng)化傳熱特性的數(shù)值模擬. 碩士論文,2011