微型多元平行流冷凝器的流程布置和風(fēng)速優(yōu)化

何予東， 張 毅

（1.新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司， 河南 新鄉(xiāng) 453049； 2.中鐵工程裝備集團(tuán)隧道設(shè)備制造有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453100）

1 多元平行流冷凝器的相關(guān)概述

平行流冷凝器由扁管和波紋百葉窗翅片組成。扁管各截一根，扁管兩端各有集氣管。對(duì)于多單元平行流冷凝器，集流管內(nèi)有隔板，且每段管數(shù)不同。制冷劑進(jìn)入冷凝器時(shí)，制冷劑處于氣態(tài)，比體積最大，管數(shù)最多。隨著制冷劑逐漸冷凝成液體，其比體積減小，管數(shù)減少，這種柔性工藝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使冷凝器的有效容積得到最合理的利用，它具有空氣和制冷劑側(cè)壓力損失低、傳熱系數(shù)高、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、制冷劑充注量少等優(yōu)點(diǎn)，使制冷劑的流動(dòng)和傳熱更加合理。微制冷系統(tǒng)要求冷凝器具有工作性能高、體積小、質(zhì)量輕、安裝方便、耐用、運(yùn)行安全可靠的特點(diǎn)。因此，多元平行流冷凝器非常適合微型制冷系統(tǒng)冷凝器的開發(fā)。比較國內(nèi)外來說，新型的熱水循環(huán)泵HPK-L的結(jié)構(gòu)簡單且性能好，并且機(jī)械密封選型進(jìn)行起來容易，不用外加冷卻水以及配用價(jià)格離譜的冷卻器來冷卻機(jī)械密封和軸承，泵就能安全穩(wěn)定地運(yùn)行，運(yùn)行成本低，安裝以及維修也方便，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2 單雙層冷凝器熱力性能試驗(yàn)分析

通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，有專門的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了14 mm厚單雙層冷凝器熱力性能試驗(yàn)，并得出了一些有效結(jié)論。值得注意的是，這個(gè)試驗(yàn)是研發(fā)中心內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在的通用成熟平臺(tái)（14×1.8-9.8）并不能達(dá)到一些集團(tuán)企業(yè)如新航集團(tuán)和新航特?fù)Q軍品客戶的相關(guān)要求。因而在產(chǎn)品生產(chǎn)方面，為了盡最大可能滿足用戶需求，相關(guān)企業(yè)主要生產(chǎn)雙層冷凝器芯體，以此在迎風(fēng)面積不變且加大換熱面積的情況下達(dá)到相關(guān)性能要求。軍品冷凝器的負(fù)責(zé)人曾表示，現(xiàn)在關(guān)于自身雙層冷凝器以及單層冷凝器單體的熱力性能大小比對(duì)并不精確，缺乏相關(guān)依據(jù)，因而對(duì)軍品雙層冷凝器性能預(yù)估的準(zhǔn)確性也較差。但是由于雙層冷凝器的加工比較復(fù)雜，很難確?？蛻舻南嚓P(guān)要求，因此在了解了雙層冷凝器和單層冷凝器單體具有的熱力性能之后，就會(huì)通過判斷客戶條件和要求來確定現(xiàn)有的單層冷凝器是否達(dá)標(biāo)，如果不能達(dá)標(biāo)則要按照單雙層單體之間性能提升的具體百分比來對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化提升。有學(xué)者通過將實(shí)驗(yàn)得到的換熱量（空氣側(cè)）數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得知：當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，相關(guān)雙芯體換熱量提升百分比也會(huì)增大，當(dāng)增幅減小時(shí)，風(fēng)速增加到某個(gè)值之后，提升百分比停止增加，甚至?xí)档?。雙芯體流程逆排布置時(shí)會(huì)高于順排布置。具體原因是：逆排布置時(shí)，芯體平均溫差小于順排時(shí)平均溫差，對(duì)空氣側(cè)換熱有益處。前后芯體的迎風(fēng)面積本不能重合，而逆排的前后迎風(fēng)面積能夠重合，且順排芯體的外表面黑漆和翅片倒伏以及在護(hù)板里面的鉚釘破壞翅片結(jié)構(gòu)等一些問題會(huì)使芯體的換熱能力降低，進(jìn)而就會(huì)使高風(fēng)速的換熱強(qiáng)度降低。

分析數(shù)據(jù)先要以確定、懷疑、校正、確認(rèn)的態(tài)度來分析，檢查輸入?yún)?shù)是不是符合試驗(yàn)申請(qǐng)單，避免出現(xiàn)錯(cuò)誤的結(jié)果。這個(gè)試驗(yàn)的單雙層芯體流程就較為單一，且試驗(yàn)情況只有一種。而且還要較多誤差，如人為加工誤差、測(cè)量誤差、驗(yàn)設(shè)備帶來的誤差、操作誤差等，在這一背景下，試驗(yàn)所得結(jié)果只能解決一些問題，如芯體零部件的參數(shù)尺寸和試驗(yàn)工況等，但是并不能全部解決，具體還要通過實(shí)際情況來分析。在該試驗(yàn)中，試驗(yàn)芯體外觀的噴漆和翅片倒伏，會(huì)使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，還會(huì)對(duì)曲線趨勢(shì)走向造成影響。

3 微型多元平行流冷凝器的流程布置分析

通過對(duì)微型多元平行流冷凝器的流程布置分析，總結(jié)了一些可行性方案和優(yōu)化風(fēng)速的特點(diǎn)：在有限的結(jié)構(gòu)集管方面，由于入口數(shù)量的不斷增多，在個(gè)體進(jìn)行分發(fā)的液體經(jīng)過多個(gè)結(jié)構(gòu)集管的數(shù)量也在不斷遞增。所以進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)成為了影響液體分配十分重要的因素。液體進(jìn)行分發(fā)的均勻部分主要表現(xiàn)在通過入氣管的長度出現(xiàn)了先減小后增大的變化，而且通過一定數(shù)據(jù)的調(diào)查和分析得知，如果在有限的入口質(zhì)量流量條件下，在集管內(nèi)的液體分發(fā)會(huì)由于組合的長度出現(xiàn)先變小后增大的情況，多個(gè)孔的扁管和集管會(huì)在臨界處結(jié)合長度變化，使整個(gè)液體分放的均勻程度呈現(xiàn)出一個(gè)比較良好的狀況。通過對(duì)較小的管道里液體流動(dòng)的特質(zhì)進(jìn)行計(jì)算分析后發(fā)現(xiàn)，在液體流動(dòng)的情況下，整個(gè)管道的關(guān)鍵部分液體流動(dòng)速度會(huì)變大，直到出口的位置，每個(gè)位置的速度都不會(huì)經(jīng)過管道行程方向的改變而改變，同時(shí)，速度呈現(xiàn)出拋物線的起伏趨勢(shì)，而且在比較小的管道里面液體流入的長度也會(huì)比一般的管道短，通過分析較小的管道的有限尺寸發(fā)現(xiàn)，在比較矮的入口處，制冷量較少的管道就會(huì)快速凝固，由于距離等量地增加，換熱的相關(guān)值逐漸減小，所以這些結(jié)論都對(duì)整個(gè)有了一些考察和參考作用。

4 微型多元平行流冷凝器的風(fēng)速優(yōu)化分析

由于微型多元平行流冷凝器的流程布置以及風(fēng)速的優(yōu)化會(huì)對(duì)各種流程布置產(chǎn)生影響，因此當(dāng)流程數(shù)減少時(shí)，空氣側(cè)以及制冷劑側(cè)總壓降都會(huì)減小，其中制冷劑側(cè)總壓降減小最快；扁管和翅片的總質(zhì)量以及冷凝器的高度、單根扁管的長度都會(huì)進(jìn)一步增加。原因是流程數(shù)減少，所以每一個(gè)流程里面扁管數(shù)會(huì)相應(yīng)增加，冷凝器入口的制冷劑質(zhì)量流量穩(wěn)定，兩相區(qū)的總傳熱系數(shù)減小，冷凝器需要的扁管總數(shù)變多，冷凝器高度增加的同時(shí)總傳熱系數(shù)降低導(dǎo)致單根扁管的長度變化，同時(shí)增加了冷凝器的迎風(fēng)面積，扁管寬度穩(wěn)定并且冷凝器體積增加，最終會(huì)使扁管以及翅片的總質(zhì)量增加，風(fēng)量呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)迎風(fēng)面積增加時(shí)，冷凝器迎面風(fēng)速就會(huì)減小，風(fēng)速減小使得空氣側(cè)摩擦因子以及兩相區(qū)摩擦因子都會(huì)同時(shí)增大，因?yàn)轱L(fēng)速?zèng)Q定了空氣側(cè)壓降，所以空氣側(cè)壓降會(huì)減小，盡管兩相區(qū)摩擦因子會(huì)增加，但是因?yàn)槊恳粋€(gè)流程的制冷劑的流通密度在減小，進(jìn)而出現(xiàn)了兩相區(qū)當(dāng)量制冷劑制冷流量變小，而流程數(shù)減少使得兩相區(qū)流通長度也會(huì)減小，這兩者決定了兩相區(qū)制冷劑壓降。

通過以上的研究與分析，得出以下結(jié)論：

1）平行流式冷凝器換熱量是根據(jù)風(fēng)速增大而增加的，并且會(huì)慢慢達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定數(shù)值。鑒于此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)多元平行流式冷凝器的結(jié)構(gòu)時(shí)，要綜合考慮臨界風(fēng)速的影響，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行合理的布置，使得風(fēng)速呈現(xiàn)出最優(yōu)化的狀態(tài)。

2）多元平行流式冷凝器空氣出口的溫度在扁管回流中會(huì)出現(xiàn)很多變化，而這些變化大多是由于制冷劑相態(tài)變化以及冷凝器流程變化引起的。相比較于空冷式冷凝器，平行流式冷凝器空氣進(jìn)出口的溫差值更大。

3）由于環(huán)境溫度升高，冷凝器傳熱溫差數(shù)值會(huì)減小其，相應(yīng)的換熱量也會(huì)減小。

4）制冷劑的入口質(zhì)量的提升對(duì)增大換熱量有幫助，并且增減幅度也會(huì)減小，但是也會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)壓降增加，要想保證其最佳質(zhì)量流量，可以在壓降較小的時(shí)候?qū)ζ溥M(jìn)行控制，以確保達(dá)到較高的換熱量。

5 結(jié)語

在微型多元平行流冷凝器的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，對(duì)流程布置和風(fēng)速優(yōu)化具有較高的要求，因此要想從根本上提高微型多元平行流冷凝器的性能功能，相關(guān)研究人員要加大對(duì)微型多元平行流冷凝器的流程布置和風(fēng)速優(yōu)化方面的研究，以此來減少微型多元平行流冷凝器在應(yīng)用中的問題，提高其應(yīng)用性能。