風(fēng)冷機組翅片盤管換熱器設(shè)計參數(shù)相關(guān)性分析

王磊

（英格索蘭亞太工程技術(shù)中心，上海 200051）

0 引言

翅片盤管換熱器是大型風(fēng)冷制冷機組中常見的換熱設(shè)備，也是機組的關(guān)鍵部件之一。該換熱器的設(shè)計對機組的整體尺寸有著決定性的作用，對整機的系統(tǒng)性能也影響較大。

翅片盤管換熱器的設(shè)計參數(shù)比較多，比如流路、管型、翅片形式、翅片密度/間距、管間距、管徑等，而且很多變量之間是相互影響的。如何理解各個變量之間的耦合相關(guān)性，從而簡便可靠地優(yōu)化機組系統(tǒng)性能，是大家關(guān)心的問題。

韓廣明等[1]分析了在不同迎面風(fēng)速、制冷劑質(zhì)量流量以及管內(nèi)徑尺寸下低GWP工質(zhì)換熱量和壓降的變化情況。尹斌等[2]對R134a制冷工質(zhì)在銅管內(nèi)的冷凝換熱系數(shù)以及空氣在翅片側(cè)的表面換熱系數(shù)進行了模擬比較，同時考慮了空氣流過冷凝器時壓降的變化。鄭明等[3]對于管排數(shù)，REMERO等[4]和黃浩亮等[5]對翅片密度，徐靜等[6]對流程布置，以及張智等[7-8]、孟輝等[9]和WANG等[10]對翅片形式進行了研究。趙夫峰[11]和肖皓斌[12]比較了翅片厚度的影響。劉鵬等[13]在對R410A的風(fēng)冷機組研究中發(fā)現(xiàn)了最佳翅片密度的現(xiàn)象，并認為這是由于換熱系數(shù)提升的原因。熊偉等[14]研究了在析濕過程時翅片管換熱性能的表現(xiàn)。商萍君等[15]著眼于換熱器在過冷段的應(yīng)用研究。這些研究主要著重于單個參數(shù)對換熱器的影響，但對于各個設(shè)計變量之間的相關(guān)性，以及它們的相關(guān)度探討比較少。陳潔璐等[16]在分析冷凝器的翅片形式對換熱影響時引入了場協(xié)同理論，指出氣流流動與溫度梯度的協(xié)同性可導(dǎo)致?lián)Q熱性能的提升。在實際換熱器的設(shè)計過程中，這些參數(shù)往往是同時變化的，研究參數(shù)的相關(guān)性對設(shè)計是有借鑒意義的。

本文以R134a制冷系統(tǒng)為研究對象，對翅片密度/翅片間距、盤管排數(shù)、盤管高度這些設(shè)計變量與風(fēng)機的關(guān)聯(lián)度進行了解耦定性分析，并通過模擬計算，對冷凝器進行了定量比較。

圖1所示為翅片盤管換熱器參數(shù)示意圖。

圖1 翅片盤管換熱器參數(shù)示意圖

1 換熱器的設(shè)計參數(shù)相關(guān)性影響

對于換熱器的換熱量，主要的影響參數(shù)可以從基本的傳熱計算公式得知：

式中：

Q——換熱量，W；

K——傳熱系數(shù)，包括制冷劑內(nèi)側(cè)與空氣外側(cè)，W/(m2·℃) ；

F——盤管換熱面積，m2；

ΔT——管內(nèi)側(cè)制冷劑與外側(cè)空氣的換熱溫差，℃。

在設(shè)計換熱器時，當(dāng)制冷量不足或希望提升系統(tǒng)能效時，通常的方法是增加管排數(shù)、盤管高度或翅片密度來增加換熱面積。但在實際應(yīng)用時我們發(fā)現(xiàn)沒有達到預(yù)期效果。因為當(dāng)換熱面積改變時，傳熱系數(shù)以及換熱溫差也在同步變化。

與空氣側(cè)相關(guān)的換熱公式為：

式中：

m——空氣質(zhì)量流量，kg；

Cp——空氣等壓比熱，W/(kg·℃) ；

Δt——空氣進出口溫差，℃。

空氣流量m和空氣溫升Δt是相互影響的，從而會改變ΔT。

1.1 盤管管排數(shù)相關(guān)性

當(dāng)盤管管排數(shù)增加時，對空氣側(cè)流動換熱影響的相關(guān)性如下。

1）正向影響

整個翅片的寬度增加，盤管換熱面積F成正比例增加。

2）反向影響

由于空氣穿越翅片的流動距離增加，從而空氣側(cè)壓降增加，當(dāng)同一風(fēng)機工作時輸送的空氣流量m降低。由于流量的減少，在同樣的流通面積下，流速降低，傳熱系數(shù)K變??；此外，流量降低后，空氣溫差Δt增加，使得制冷劑側(cè)與空氣側(cè)溫差ΔT變小。

1.2 翅片密度相關(guān)性

當(dāng)盤管翅片密度增加時，影響相關(guān)性分析如下。

1）正向影響

翅片數(shù)增加，盤管換熱面積增加。

2）反向影響

翅片密度增加導(dǎo)致空氣的流通面積變小，空氣壓降增加，使風(fēng)機輸送的空氣流量m變小。與1.1分析相同，空氣溫差增加，制冷劑側(cè)與空氣側(cè)溫差變小。

3）不確定影響

空氣流量與翅片流道的流通面積是同時發(fā)生變化的，因此空氣流速的變化取決于此兩者的變化速率。當(dāng)流量下降速率低于流通面積變化時，空氣流速有所上升, 換熱系數(shù)變大；當(dāng)流量下降速率高于流通面積變化時，流速下降，換熱系數(shù)變大。

1.3 盤管高度相關(guān)性

當(dāng)盤管高度增加時，其影響相關(guān)性分析如下。

1）正向影響：整個翅片的高度增加，盤管換熱面積成正比例增加。

2）反向影響：在風(fēng)機不變時，空氣的流通面積變大，導(dǎo)致壓降變小，空氣的流量變大。由式2可知，整體流量增加使得空氣側(cè)進出口溫差變小，從而制冷劑側(cè)與空氣側(cè)溫差變大。

3）不確定影響：流通面積增加，空氣流速的變化取決于流量的上升速率。由于流速變化不確定，故換熱系數(shù)變化方向不確定。

表1總結(jié)了在這3類參數(shù)變化時換熱面積、傳熱系數(shù)以及傳熱溫差變化的方向。由于這些因素之間的相互影響，故單純加大換熱器面積的方法不能確認換熱量的變化量。

為了定量地分析其參數(shù)變化的相關(guān)性，本文以一臺制冷量為100冷噸的螺桿壓縮機制冷機組為設(shè)計目標，進行了模擬計算，其參數(shù)為強化內(nèi)螺紋管，管間距25.4 mm，管徑9.52 mm，波紋翅片。

表1 設(shè)計參數(shù)相關(guān)性定性分析

2 盤管管排數(shù)的變化

圖2所示對100冷噸冷量的機組分別采用2、3和4排盤管時，在達到同樣的換熱量時所需的盤管長度（假設(shè)機組的盤管高度和翅片密度不變）以及機組的盤管換熱面積變化。所有對比都以3排管為基準。

圖2 不同管排數(shù)下所需盤管長度與面積

2排管的換熱面積最小，僅為3排管的80.7%，但機組長度增加了21%。4排管有效地減少了機組長度14.4%，但總盤管換熱面積需求增加了13.9%。從這個數(shù)據(jù)我們可以看到如果風(fēng)機配備相同，2排管的換熱性能優(yōu)于3排管性能，并且大大優(yōu)于4排管性能。

圖3為在2、3、4排盤管時冷凝器的風(fēng)量與壓力匹配的工作點。虛線為風(fēng)機運行曲線，實線為在不同的管排數(shù)情況下盤管阻力曲線?？諝饬鬟^盤管的阻力不同從而使風(fēng)機的運行點發(fā)生變化，2、3、4排管的空氣流量分別為15,100 m3/h、13,300 m3/h和11,900 m3/h，分別降低了約13%和12%。

假設(shè)2、3、4排管的盤管面積與管排數(shù)為比例關(guān)系，可推算出傳熱系數(shù)與傳熱溫差乘積的變化量如表2所示。

隨著管排數(shù)，即傳熱面積的顯著增加，換熱系數(shù)與溫差的乘積K·ΔT在不斷下降，換熱效果有所弱化，但整體的換熱量還是在上升。

圖3 風(fēng)機與不同管排數(shù)下的工作曲線

表2 盤管管排數(shù)定量影響

3 翅片密度的變化

圖4～圖6是在機組相同制冷量下，隨著翅片密度的變化，所需盤管的長度、空氣側(cè)壓降、空氣迎面風(fēng)速的關(guān)系。翅片密度變化范圍為(11～20)片/25.4 mm。

圖4所示，隨著翅片密度的增加，翅片間距減小，單位長度內(nèi)換熱面積相應(yīng)增加。在同樣的制冷量要求下，盤管長度可相應(yīng)降低。翅片密度從11片/25.4 mm增加到15片/25.4 mm時，盤管長度變化較大，減少了約15%。從15片/25.4 mm增加到18片/25.4 mm時，盤管長度變化較小，不到5%。當(dāng)翅片密度超過18片/25.4 mm，對盤管長度的變化影響已非常有限；也就是說在翅片密度較低時，增大換熱面積有助于換熱量的上升。但在達到一定量以后，繼續(xù)加大翅片數(shù)來提高換熱面積，對換熱量的提升沒有幫助。這個現(xiàn)象可以由風(fēng)量和迎面風(fēng)速的影響來分析。

圖4 盤管長度與翅片密度的關(guān)系

圖5為通過盤管的空氣壓降與翅片密度的關(guān)系。隨著翅片密度增加，空氣壓降迅速上升，從而使風(fēng)機風(fēng)量減少?？諝饬髁康慕档蛯?dǎo)致單位面積換熱量降低，這一原因解釋了翅片密度過高是不合適的。但這里未能說明為什么在翅片密度較低的時候，提高翅片密度能有效地增加換熱，因為這時整個風(fēng)量也是在衰減的。這就需要用迎面風(fēng)速的變化進行分析。

圖6所示為通過盤管的空氣迎面風(fēng)速與翅片密度的關(guān)系?？諝庥骘L(fēng)速是空氣量與流通面積的比值。當(dāng)翅片密度較低時，翅片間距大，即空氣的流通面積較大。即使是在較大的空氣流量情況下，迎面風(fēng)速還是不夠理想。當(dāng)翅片密度增大到約15片/25.4 mm，截面面積與空氣流量之間有一個比較好的匹配關(guān)系，使得迎面風(fēng)速處于較優(yōu)的狀態(tài)，即有理想的換熱系數(shù)來增強換熱。但翅片密度過大時，由于風(fēng)量的衰減，迎面風(fēng)速再次降低。對于不同的翅片類型，最佳的迎面風(fēng)速點是不同的，與翅片的阻力系數(shù)相關(guān)。

隨著翅片密度的變化，換熱量將出現(xiàn)先上升、后不變的現(xiàn)象。在實際設(shè)計時應(yīng)在考慮翅片類型的情況下，選擇合理的翅片密度。

圖5 空氣壓降與翅片密度的關(guān)系

圖6 迎面風(fēng)速與翅片密度的關(guān)系

4 盤管高度分析

在設(shè)計風(fēng)冷機組時，由于機組外形的不同，盤管的高度是不一樣的。如果在滿足了安裝與運輸規(guī)范的前提下，對于同樣換熱面積的要求，機組高度越高則占地面積越小，是比較受歡迎的選擇方案。從表1的分析可知，這時換熱面積與換熱溫差都是會上升的，但傳熱系數(shù)處于不確定的情況。實際這時的傳熱系數(shù)變化量是非常大的，不但是由于原先定性分析中談到的風(fēng)量影響，還由于迎風(fēng)面風(fēng)速不同的緣故。尤其當(dāng)機組高度過高時，由于空氣流場的不均勻性，會發(fā)生盤管底部流動與換熱性能惡化的現(xiàn)象。王敬歡等[17]比較了不同高度的換熱器，指出高換熱器的風(fēng)量損失與不均勻最大。MAO等[18]和王強等[19]也都指出了不均勻空氣流場的影響。圖7為針對某一盤管所做的流動分析，沿機組高度垂直方向的空氣流場分布和流速變化情況。軸流風(fēng)機是安裝在頂部的，受風(fēng)機吸風(fēng)場影響，離吸口位置越近，風(fēng)速越高。離吸口越遠，風(fēng)機的吸入速率下降非?？欤钸h端盤管流過的空氣流量非常有限。在圖中，最高與最低處的風(fēng)速差別超過50%。這樣底部的換熱量會大大降低，不能達到設(shè)計要求。受換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響，以及風(fēng)機特性的不同，吸風(fēng)場的空氣流場分布圖會有區(qū)別，但底部的換熱衰減是一定會發(fā)生的，只是衰減的幅度大小不同。

隨著盤管高度的增加，換熱量將出現(xiàn)換熱器上部換熱加強、下部換熱弱化的現(xiàn)象。整體的換熱量變化與風(fēng)機和機組的匹配相關(guān)。

圖7 盤管高度與吸風(fēng)場流場關(guān)

5 結(jié)論

對常見的翅片盤管換熱器設(shè)計參數(shù)進行分析后可以發(fā)現(xiàn)，換熱器的性能與風(fēng)機、結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在進行換熱器設(shè)計時，關(guān)注較多的是換熱器本身，如管內(nèi)和管外的傳熱系數(shù)，以及換熱面積。但對于翅片盤管換熱器，由于主要的傳熱熱阻在空氣側(cè)，風(fēng)量、風(fēng)壓及風(fēng)速的變化對換熱的影響較大。故在實際設(shè)計應(yīng)用過程中，必須基于系統(tǒng)的觀點來進行此換熱器的設(shè)計。

換熱器的盤管排數(shù)、翅片密度、盤管高度的增加能提高換熱量，但不會與換熱面積的變化成比例增加，因為傳熱系數(shù)與傳熱溫差的變化方向是不一致或不確定的。

換熱器換熱面積的變化與風(fēng)機輸送的空氣流量變化是一對相反的作用因子。因此，在考慮改變換熱面積時，同樣需考慮風(fēng)機風(fēng)量以及流場的影響。

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