管排數(shù)對翅片管式換熱器換熱性能的影響

劉夢悅， 柳建華， 張 良

（上海理工大學(xué) 上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海 200093）

換熱器又稱作熱交換器，在動力、石油、暖通、化工等生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。翅片管式換熱器是一種帶翅的管式熱交換器，翅片管由基管與翅片組成的，基管一般分為圓管、橢圓管與扁平管，翅片的種類主要有平翅、波紋翅與間斷翅等。翅片管式換熱器中，管內(nèi)外流體通過管壁和翅片進行熱量的交換，因而翅片管式換熱器的傳熱面積得以增加，并且還可以促進流體的湍流，相較于光管提高了傳熱系數(shù)。目前，風(fēng)冷翅片管式換熱器廣泛應(yīng)用于家用變頻空調(diào)器中，具有高效、結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧等優(yōu)點。

張幕瑾研究發(fā)現(xiàn)，管排數(shù)越少，傳熱系數(shù)越大，管排數(shù)最好不要大于3[1]。Wang C C[2]利用風(fēng)洞試驗，對18臺具有不同幾何參數(shù)的波紋翅片管式換熱器做出研究，結(jié)果表明翅片間距對J因子的影響可以忽略不計，管排數(shù)對壓降因子的因子可忽略。張圓明等[3]對7個帶親水層的波紋翅片管換熱器進行試驗研究，分別用換熱因子和摩擦因子來反映空氣側(cè)換熱和壓降特性，發(fā)現(xiàn)空氣側(cè)的換熱因子隨著管排數(shù)的增加而減小，管排數(shù)對摩擦因子的影響不顯著，帶親水層的波紋翅片管換熱器空氣側(cè)的壓降特性比不帶親水層的換熱器要更好一些。Fethi Hal?c?等[4]在保證雷諾數(shù)一定，氣流速度范圍為0.9～4 m/s的前提下，確定了不同管束排數(shù)下的傳熱系數(shù)、換熱因子和摩擦因子，結(jié)果表明，濕表面的換熱因子和摩擦因子均高于干表面，并且在這兩種情況下，隨著管排數(shù)的增加，換熱因子和摩擦因子均減小。

對于不同管排數(shù)的翅片管換熱器，一些學(xué)者通過實驗研究了管排數(shù)不同對傳熱系數(shù)、壓降因子、換熱因子和摩擦因子等方面的影響，而針對換熱器的管排數(shù)不同以及結(jié)合不同制冷劑質(zhì)量流量變化對換熱量和壓降等方面的影響研究較少，因此本文首先選擇市場上銷售量占比較高的格力與美的品牌的3臺1.5匹家用變頻空調(diào)器進行拆機調(diào)研，室外換熱器的管排數(shù)分別為1、2、3排，充注的制冷劑均為R410A，通過焓差實驗研究管排數(shù)不同對換熱量的影響。其次為了驗證Coil Designer軟件的誤差，將其中的1排管換熱器用焓差實驗與Coil Designer軟件模擬進行對比驗證后，改變制冷劑R410A與R32的質(zhì)量流量，模擬得出不同制冷劑質(zhì)量流量變化時對不同管排數(shù)換熱器的換熱量與壓降性能的影響，可為翅片管式換熱器的設(shè)計提供借鑒，有利于翅片管換熱器的應(yīng)用與發(fā)展。

1 實驗

圖1為實驗裝置原理圖，進風(fēng)干、濕球溫度分別為35℃、24℃，測得換熱器進出口空氣的溫度與壓力后查壓焓圖，從而得到換熱器進出口之間的焓差，再乘以噴嘴流量計測得的空氣流量便可知換熱量。

其中，干/濕球溫度傳感器的精度為0.50%，壓差傳感器（0～300 kPa）的精度為0.01%，噴嘴流量計（0～300 m3/h）的精度為0.25%。3臺換熱器中充注的制冷劑均為R410A，其測試條件如表1所示。

表1 室外換熱器測試條件

通過實驗利用空氣焓差法測得換熱量后，應(yīng)用理論計算得到換熱面積以及傳熱系數(shù)等，結(jié)果如表2所示。計算過程如式（1）～（5）所示。

管內(nèi)換熱面積：

式中：Ai為管內(nèi)換熱面積，m2；fi為每米管長管內(nèi)面積，m2/m；L為管總長，m。

圖1 實驗裝置布置原理圖

管外換熱面積：

式中：Ao為管外換熱面積，m2；fof為每米管長翅片側(cè)總面積，m2/m；L為管總長，m。

其次，計算這3臺變頻空調(diào)器室外換熱器的管內(nèi)/外側(cè)換熱系數(shù)。

叉排管束空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：

式中：αof為管外側(cè)換熱系數(shù)，W/m2·℃；C、Ψ為系數(shù)；λa為空氣的導(dǎo)熱率，W/m·℃；de為當(dāng)量直徑，m；Ref為雷諾數(shù)；b為翅片寬度，m；m、n為指數(shù)。

制冷劑在管內(nèi)凝結(jié)放熱系數(shù)：

式中：αi為管內(nèi)側(cè)換熱系數(shù)，W·(m2·℃)-1；B為系數(shù)；di為翅片管基管內(nèi)徑，m；tk為冷凝溫度，℃；twi為管內(nèi)壁溫度，℃。

冷凝器的總傳熱系數(shù)：

式中：Kof為總傳熱系數(shù)，W·(m2·℃)-1；β為翅化系數(shù)；αi為管內(nèi)側(cè)換熱系數(shù)，W/m2·℃；r0為污垢熱阻，W·(m2·℃)-1；αj為當(dāng)量表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W·(m2·℃)-1。

表2 性能參數(shù)對比

隨著換熱器管排數(shù)的增加，管外換熱面積和管內(nèi)換熱面積逐漸增大，其增長趨勢如圖2左圖所示，管排數(shù)從1排增加至2排后，管外換熱面積增加了22.33%，管內(nèi)換熱面積增加44.55%；管排數(shù)從2排增加至3排，管外換熱面積增加72.42%，管內(nèi)換熱面積增加43.35%。傳熱系數(shù)隨著管排數(shù)的增加緩慢降低，這是因為換熱器的熱阻大部分是在空氣側(cè)，所以管外側(cè)換熱系數(shù)的變化對傳熱系數(shù)的影響更大。換熱量隨著管排數(shù)的增加而提高，變化趨勢如圖2右圖所示，管排數(shù)從1排增加至2排，傳熱系數(shù)降低7.77%，換熱量增加15.58%；管排數(shù)從2排增加至3排，傳熱系數(shù)降低13.70%，換熱量僅增加7.59%。管排數(shù)增加，換熱量的增加幅度減小，是因為空氣側(cè)的壓降增加，風(fēng)量變小使管外側(cè)的換熱系數(shù)逐漸變小，并且，濕空氣比焓差的增加量逐漸減小，所以總換熱量的增加趨勢變小[5]。

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比

為了驗證Coil Designer軟件的誤差，選擇1排換熱器進行模擬與實驗，將兩者得出的結(jié)果進行對比驗證。1號空調(diào)的室外換熱器基本參數(shù)：制冷劑為R410A，充注量為1.12 kg，室外換熱器的長度為880 mm，內(nèi)螺紋銅管的外徑為9.52 mm，內(nèi)徑為8.66 mm，管間距、排間距分別為25.25 mm、21.87 mm，管排數(shù)為1排，翅片節(jié)距為1.11 mm，翅片厚度為0.08 mm。

模擬的條件：大氣壓力為101 325 Pa，空氣進口風(fēng)速1.45～1.75 m/s，空氣側(cè)進風(fēng)干球溫度35℃，進風(fēng)濕球溫度24℃；制冷劑進口壓力為3.118 MPa，進口溫度352.19 K。模擬中用到的經(jīng)驗公式如表3所示，1排換熱器的流程布置如圖3所示。

表3 經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式

制冷劑出口溫度以及換熱器換熱量的實驗數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果對比如圖 4、5所示，從圖中可以看出，模擬與實驗的差值比較小。模擬得出的出口溫度比實驗測出的低大約 2℃；換熱量方面，模擬結(jié)果比實驗結(jié)果偏小，誤差在9%以內(nèi)。因而，使用Coil Designer軟件對換熱器進行模擬研究是合理的。

圖2 室外換熱器性能隨管排數(shù)的變化

圖3 換熱器流程布置

2.2 模擬結(jié)果及分析

為了研究不同制冷劑的質(zhì)量流量變化時不同管排數(shù)對翅片管式換熱器壓降以及換熱量的影響，對這3臺換熱器用Coil Designer軟件進行模擬。

模擬條件：大氣壓力為101 325 Pa，空氣進口風(fēng)速1.75 m/s，空氣側(cè)進風(fēng)干球溫度35℃，進風(fēng)濕球溫度24℃；制冷劑進口壓力為3.118 MPa，進口溫度352.19 K，質(zhì)量流量范圍為0.01～0.10 kg/s。

當(dāng)制冷劑為R410A時，換熱器性能變化如圖6所示。當(dāng)制冷劑的質(zhì)量流量從0.01 kg/s增加至0.10 kg/s，換熱量、管內(nèi)側(cè)換熱系數(shù)以及壓降都呈現(xiàn)上升趨勢。管排數(shù)為1排的換熱器換熱量在R410A的質(zhì)量流量為0.01 kg/s～0.03 kg/s時上升較快，在質(zhì)量流量大于0.03 kg/s之后，上升趨勢緩慢；2排管換熱器的換熱量在制冷劑質(zhì)量流量范圍為0.01 kg/s～0.04 kg/s時上升比較快；3排管換熱器的換熱量在R410A的質(zhì)量流量為0.01 kg/s～0.06 kg/s時上升趨勢較為明顯。對于管排數(shù)不同的換熱器，在R410A質(zhì)量流量小于0.07 kg/s時，這3臺換熱器的壓降十分接近，隨后3排管換熱器的壓降增長越來越快，迅速超過另外兩臺換熱器。

當(dāng)換熱器充注制冷劑為R32時，換熱器性能隨制冷劑質(zhì)量流量變化趨勢如圖7。管排數(shù)為1排的換熱器，其換熱量在R32的質(zhì)量流量為0.01 kg/s～0.02 kg/s時上升比較快；在R32質(zhì)量流量范圍為0.01 kg/s～0.03 kg/s時，2排管換熱器的換熱量上升比較快；3排管換熱器的換熱量在R32的質(zhì)量流量為0.01 kg/s～0.04 kg/s時上升趨勢較為明顯。這 3臺換熱器壓降隨著制冷劑質(zhì)量流量的增加而提高，在質(zhì)量流量小于0.05 kg/s時，壓降值基本一致。

圖4 模擬與實驗出口溫度比較

圖5 模擬與實驗換熱量比較

圖6 R410A質(zhì)量流量變化的影響

制冷劑壓降升高會使該制冷系統(tǒng)的高低壓壓力差值增大，進而會增大壓縮機的功耗，導(dǎo)致制冷系統(tǒng)的能效降低。對于管排數(shù)不同的換熱器，存在一個制冷劑質(zhì)量流量最佳區(qū)間，使換熱器在保證壓降不過大的前提下，換熱量也很高，使換熱性能得到綜合性最優(yōu)。因此，為了兼顧壓降和換熱效果，當(dāng)換熱器充注的制冷劑為R410A時，1、2、3排管換熱器制冷劑質(zhì)量流量的最優(yōu)區(qū)間分別為0.02 kg/s～0.03 kg/s、0.03 kg/s～0.04 kg/s、0.04 kg/s～0.05 kg/s；當(dāng)制冷劑為R32時，1、2、3排管換熱器制冷劑質(zhì)量流量的最優(yōu)區(qū)間分別為 0.01 kg/s～0.02 kg/s、0.02 kg/s～0.03 kg/s、0.03 kg/s～0.04 kg/s。

當(dāng)質(zhì)量流量相同時，不論充注的制冷劑是R410A還是R32，3排管換熱器的換熱量最大，這是因為其換熱面積最大，但是管排數(shù)越多的同時用銅量會越高，成本也就越高，在保證換熱量最大的同時要注意成本的問題。

3 結(jié)論

1）制冷量為3 500 W的變頻空調(diào)，制冷劑R410A時，通過焓差實驗得出結(jié)論：管排數(shù)從1排增加至2排、2排增加至3排時，換熱量分別增加了15.58%、7.59%。但是由于空氣側(cè)的壓降增加，風(fēng)量變小使管外側(cè)的換熱系數(shù)逐漸變小，所以換熱量的增加趨勢變小。

2）將1排管換熱器利用焓差實驗與Coil Designer軟件模擬進行對比，模擬得出的出口溫度比實驗測出的低大約2℃，換熱量低9%以內(nèi)，可得出使用Coil Designer軟件模擬是合理的。當(dāng)制冷劑質(zhì)量流量變化時，模擬結(jié)果表明：制冷劑相同時，管排數(shù)不同的翅片管式換熱器，其換熱量和壓降都隨著制冷劑質(zhì)量流量的增加而提高，所以在壓降不能太大的前提下，存在一個質(zhì)量流量最佳區(qū)間，使換熱器換熱性能最優(yōu)化。制冷劑不同時，對于不同管排數(shù)的換熱器，最佳區(qū)間是不一樣的。

3）模擬結(jié)果還表明：不論制冷劑是R410A還是R32，質(zhì)量流量相同時，3排管換熱器的換熱量是最大的，這是因為其換熱面積大于1排和2排的換熱器，但是管排數(shù)越多會造成用銅量增加的后果，成本也會相應(yīng)的提高，所以在設(shè)計翅片管換熱器想要提高換熱量的同時要考慮成本不能太高。

圖7 R32質(zhì)量流量變化的影響