四種不同流程布置的風(fēng)冷式冷凝器的試驗(yàn)研究

臧潤清，周會(huì)芳，張晨旭

（天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津商業(yè)大學(xué)，冷凍冷藏技術(shù)教育部工程研究中心，天津市制冷技術(shù)工程中心， 天津 300134）

0 引言

對于風(fēng)冷式冷凝器，空氣側(cè)熱阻是制冷劑熱阻的成百上千倍，所以大多數(shù)的研究方向主要集中在空氣側(cè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化與管內(nèi)制冷劑流動(dòng)換熱特性來提高換熱器的性能，但是流程布置對換熱器換熱性能也有很大影響，對于不同流程布置傳熱溫差［1］、制冷劑的性能［2］、管路分合［3］、逆向?qū)幔?］、重力效應(yīng)［5］均會(huì)對換熱效率有不同的影響，其中管路分合通過改變制冷劑流向、分布位置進(jìn)而改變換熱性能，因此為了獲得更大的換熱效率，研究不同流程布置的風(fēng)冷式冷凝器的送風(fēng)條件對換熱性能的影響是非常必要的。

Joppolo 等［6］通過模擬對11 排管換熱器8 種流程進(jìn)行了分析，結(jié)果表明改變流程布置可以在相同的制冷劑側(cè)壓降下提高冷凝器傳熱速率，降低充注量；張東輝等［7］針對5 種雙排管冷凝器流程布置對其幾何結(jié)構(gòu)布置和制冷劑流路合并點(diǎn)位置進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)高制冷劑流量相對于低制冷劑流量流程布置對換熱性能影響較大。另外，空調(diào)熱泵用的小管排數(shù)［8］的風(fēng)冷式冷凝器［9］已經(jīng)有了一定的研究成果，但對于冷凍冷藏的大型風(fēng)冷式冷凝器流程布置的設(shè)計(jì)原則和優(yōu)化效果研究較少，所以研究不同流程布置的大型風(fēng)冷式冷凝器具有重要的意義［10-13］。

為了更好地研究送風(fēng)條件對換熱性能的影響，本文主要研究4 種不同流程布置的風(fēng)冷式換熱器，設(shè)定制冷劑流量不變，通過大量試驗(yàn)分析不同流程布置的換熱器中迎面風(fēng)速、迎風(fēng)溫度對換熱器性能參數(shù)的影響。

1 風(fēng)冷式冷凝器性能測試系統(tǒng)

風(fēng)冷式冷凝器性能測試的系統(tǒng)分為空氣處理系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。如圖1 所示，空氣處理系統(tǒng)使用閉式風(fēng)洞，為測試?yán)淠魈峁┧璀h(huán)境條件。閉式風(fēng)洞分為4 部分，分別是空氣測量段、空氣處理段、被測冷凝器段和風(fēng)機(jī)段?？諝鉁y量段包括整流器和空氣渦街流量計(jì)；空氣處理段包括冷水機(jī)組和風(fēng)道電加熱器；被測冷凝器段包括整流器、被測冷凝器和制冷機(jī)組，冷凝器迎風(fēng)面布置了溫度測點(diǎn)；風(fēng)機(jī)段包括兩臺(tái)離心風(fēng)機(jī)。

圖1 風(fēng)冷式冷凝器空氣處理系統(tǒng)

圖2是圖1 中制冷系統(tǒng)的示意。為監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行，溫度測量與壓力測量位置在圖2 中均有標(biāo)注，冷凝器溫度測點(diǎn)分布為從每條流路制冷劑進(jìn)口開始，每隔4 根換熱管就布置一個(gè)溫度測點(diǎn)，即每條流路各有7 個(gè)溫度測點(diǎn)。另外還需進(jìn)行風(fēng)量測量和制冷劑流量測量。4 種不同的流程布置如圖3 所示。

圖2 制冷系統(tǒng)示意

圖3 4 種不同的流程布置

4 種流程布置對應(yīng)的合流點(diǎn)個(gè)數(shù)不同，4 種 流程布置合流點(diǎn)次數(shù)分別為0，1，2，3，而且所具有的合流點(diǎn)位置與其之前所具有的合流點(diǎn)位置 相同。

2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用閉式風(fēng)洞風(fēng)道全長24 m，調(diào)節(jié)空氣進(jìn)口溫度的風(fēng)道電加熱器最大加熱功率為6 kW，迎風(fēng)面積為1 m2；用于冷卻空氣的冷水機(jī)組的最大水流量為500 L/min，最大制冷量為52.8 kW。2臺(tái)離心風(fēng)機(jī)型號(hào)為DT-No12”-（1）-1.5 kW 和DT-No9”-（1）-1.1 kW，制冷系統(tǒng)使用R404A制冷劑作為制冷工質(zhì)。保溫體規(guī)格為3 m×2 m ×2.8 m，是由厚度為100 mm 的彩鋼夾芯聚氨酯組成的裝配式冷庫，保溫體內(nèi)的電加熱器最大加熱功率為30 kW。制冷機(jī)組是三并聯(lián)制冷機(jī)組，蒸發(fā)器為DJ-200 吊頂式冷風(fēng)機(jī)。機(jī)組所用3 臺(tái)壓縮機(jī)均為2FES-3Y-40S 型活塞壓縮機(jī)，1 臺(tái)定頻，2 臺(tái)變頻。

2.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)分別測試不同迎面風(fēng)速和不同迎風(fēng)溫度對風(fēng)冷式冷凝器性能的影響。迎面風(fēng)速的變化可以通過風(fēng)機(jī)的開停來實(shí)現(xiàn)，迎風(fēng)溫度的變化可以通過風(fēng)洞電加熱器和冷水機(jī)組的配合來實(shí)現(xiàn)，過程中需要調(diào)節(jié)庫溫來匹配合適的蒸發(fā)溫度來保證單一變量。

2 種參數(shù)的變化對風(fēng)冷式冷凝器性能影響的試驗(yàn)步驟統(tǒng)一表示如下：

（1）打開試驗(yàn)系統(tǒng)，穩(wěn)定工況；（2）改變當(dāng)前研究的參數(shù)，然后根據(jù)系統(tǒng)控制面板上的冷凝器進(jìn)口狀態(tài)匹配調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度和保溫體內(nèi)溫度；（3）待當(dāng)前工況穩(wěn)定30 min 后，開始記錄數(shù)據(jù)；（4）重復(fù)（1）～（3），直至所有工況測試完畢；（5）重復(fù)（1）～（4），對每組工況進(jìn)行多次可重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)。

選取3組迎面風(fēng)速工況和3組迎風(fēng)溫度工況，如表1 和表2 所示。

表1 不同迎面風(fēng)速試驗(yàn)工況

表2 不同迎風(fēng)溫度試驗(yàn)工況

3 數(shù)據(jù)與分析

3.1 不同迎面風(fēng)速對風(fēng)冷式冷凝器性能的影響

圖4 為不同流程布置風(fēng)冷式冷凝器換熱量隨迎面風(fēng)速的變化趨勢。從圖中可以看出，4 種流程布置的換熱量都隨迎面風(fēng)速Ua的增加而增加，而且隨著制冷劑合流次數(shù)的增加，換熱量隨迎面風(fēng)速增加的趨勢越來越明顯。在較低的迎面風(fēng)速范圍，具有合流點(diǎn)的流程布置b～d 換熱量都低于沒有合流點(diǎn)的流程布置a，隨著迎面風(fēng)速的增加，所有流程布置形式的換熱量之間的差值逐漸減小，當(dāng)迎面風(fēng)速在Ua=2.4 m/s 附近時(shí)，所有流程布置形式的換熱量比較接近；在較高的迎面風(fēng)速范圍，在同一迎面風(fēng)速下，換熱量隨制冷劑合流次數(shù)的增加而增大，這是由于當(dāng)迎面風(fēng)較低時(shí)換熱不充分，合流之后換熱管制冷劑流量增大，風(fēng)速太小不足以帶走制冷劑放出的熱量，會(huì)加劇換熱不充分這種結(jié)果，迎面風(fēng)速過大時(shí)，合流反而會(huì)有利于換熱，風(fēng)速剛好可以帶走制冷劑放出的熱量，隨著合流次數(shù)的增加，總的換熱量增大。

圖4 換熱量隨迎面風(fēng)速的變化趨勢

根據(jù)圖4 可知，在Ua＜2.4 m/s 時(shí)，推薦使用流程布置a 和流程布置b 兩種流程布置形式；在 2.4 m/s＜Ua＜2.7 m/s 范圍內(nèi)時(shí)，流程布置b，c，d 的換熱量非常接近，都可以選用；在Ua＞2.7 m/s 時(shí)，推薦使用流程布置d 作為風(fēng)冷式冷凝器流程布置形式。隨著制冷劑流路中合流次數(shù)的增加，風(fēng)冷式冷凝器的流動(dòng)換熱特性在相同迎面風(fēng)速變化區(qū)間內(nèi)的變化率越來越大。表3 為流程布置d 在迎面風(fēng)速Ua=2.5，3.5m/s 時(shí)換熱性能參數(shù)的對比。從表3 中數(shù)據(jù)可知，隨著迎面風(fēng)速Ua從2.5 m/s增加到3.5 m/s，流程布置d 的平均總傳熱系數(shù)增加了2.6%，而換熱量則增加了21.48%，顯然換熱量的增加不只是平均傳熱系數(shù)增加的結(jié)果，換熱過程的平均傳熱溫差同樣是增加的。

表3 流程布置d 在不同迎面風(fēng)速下?lián)Q熱性能參數(shù)

圖5 示出了迎面風(fēng)速Ua分別為2.5，3.5 m/s的情況下，流程布置d 制冷劑側(cè)對流換熱系數(shù)沿流動(dòng)方向的變化，從圖中可以看出，較低的迎面風(fēng)速具有較高的制冷劑側(cè)對流換熱系數(shù)是因?yàn)橹评鋭Q熱不完全導(dǎo)致制冷劑對流換熱系數(shù)高的兩相區(qū)域換熱管長度增加，甚至在風(fēng)冷式冷凝器出口的制冷劑狀態(tài)仍是兩相狀態(tài)，這也意味著在制冷劑合流之后存在較大的壓力梯度。

圖5 流程布置d 制冷劑側(cè)對流換熱系數(shù)沿流動(dòng) 方向的變化

圖6 為相區(qū)長度隨迎面風(fēng)速的變化趨勢。從圖中可以看出，所有流程布置的過熱區(qū)長度隨著迎面風(fēng)速的增加到而略微減小，兩相區(qū)的長度隨迎面風(fēng)速的增加變化較大，所有流程布置的兩相區(qū)長度均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；過冷區(qū)的長度隨迎面風(fēng)速的增加變化同樣較大，所有流程布置的過冷長度均呈現(xiàn)增加的趨勢，且增加幅度相差不大，導(dǎo)致流程布置b，c，d 各相區(qū)長度變化一致的原因是同一流程布置中各支路制冷劑壓降近似，進(jìn)而使各支路制冷劑流量相近。

圖6 4 種流程布置下相區(qū)長度隨迎面風(fēng)速的變化趨勢

在低迎面風(fēng)速區(qū)域，由于換熱不充分導(dǎo)致兩相區(qū)范圍增加，兩相區(qū)較高的壓力梯度使得制冷劑總壓降增加，導(dǎo)致制冷劑兩相區(qū)飽和溫度的降低，進(jìn)而使平均傳熱溫差降低。對于存在合流點(diǎn)的流程布置b，c，d，在制冷劑經(jīng)過合流點(diǎn)之后制冷劑質(zhì)量流量增大，導(dǎo)致?lián)Q熱管中兩相制冷劑壓力梯度較高，質(zhì)量流速較大，從而使制冷劑壓降比沒有合流點(diǎn)的流程布置a 更大。隨著流路中合流次數(shù)的增加，制冷劑壓降的增加和平均傳熱溫差的降低會(huì)更加明顯。

表4 具有合流點(diǎn)的流程布置形式換熱性能參數(shù)

表4 為具有合流點(diǎn)的流程布置b，c，d 在迎面風(fēng)速Ua=2.5 m/s 時(shí)的換熱性能參數(shù)對比，平均總傳熱系數(shù)從小到大依次是流程布置b，c，d，換熱量則是相反的趨勢，顯然平均傳熱溫差從小到大依次是流程布置d，c，b。在高迎面風(fēng)速區(qū)域，由于換熱效果的增強(qiáng)，具有合流點(diǎn)的流程布置制冷劑壓降b，c，d 的兩相區(qū)長度逐漸減小，制冷劑壓降也是減小的趨勢，平均傳熱溫差增加，但是平均傳熱溫差的增加并不只是制冷劑壓降減小的結(jié)果，迎面風(fēng)速的增加使得參與換熱的風(fēng)量增加，這同樣會(huì)增大換熱的平均傳熱溫差。

圖7 示出不同流程布置制冷劑壓降隨迎面風(fēng)速的變化趨勢，圖中制冷劑壓降的變化趨勢與基于相區(qū)長度的壓降分析基本一致。圖6 中，隨著迎面風(fēng)速的增加，各流程布置形式的制冷劑壓降均呈現(xiàn)降低的趨勢，且具有合流點(diǎn)的流程布置制冷劑壓降降低幅度更大，流程布置c 和d 制冷劑壓降在較小迎面風(fēng)速范圍內(nèi)變化較快，在較高迎面風(fēng)速范圍內(nèi)變化減緩。流程布置a，b，c，d 的制冷劑壓降隨著迎面風(fēng)速的增加而減小，隨著迎面風(fēng)速的增加，具有合流點(diǎn)的流程布置b，c，d 的制冷劑壓降逐漸接近流程布置a。

圖7 制冷劑壓降隨迎面風(fēng)速的變化趨勢

3.2 迎風(fēng)溫度對風(fēng)冷式冷凝器性能的影響

圖8 示出不同流程布置風(fēng)冷式冷凝器換熱量隨迎風(fēng)溫度變化的曲線。

圖8 換熱量隨迎風(fēng)溫度的變化趨勢

從圖8 中可知，隨著迎風(fēng)溫度的增加，所有流程布置的換熱量均呈現(xiàn)減小的趨勢，且換熱量減小的速率隨著制冷劑合流次數(shù)的增加而增大。在較低的迎風(fēng)溫度下，流程布置中制冷劑合流次數(shù)越多，換熱量越大；在較高的迎風(fēng)溫度下，流程布置中制冷劑合流次數(shù)越多，換熱量越小。

圖9 示出不同流程布置風(fēng)冷式冷凝器的制冷劑壓降隨迎風(fēng)溫度的變化趨勢。從圖中可以看出，隨著迎風(fēng)溫度的增加，所有流程布置的制冷劑壓降都呈現(xiàn)增加的趨勢，且制冷劑壓降提升速率隨著制冷劑合流次數(shù)的增加越來越大。在同一迎風(fēng)溫度工況下，各個(gè)流程布置的制冷劑壓降隨制冷劑合流次數(shù)的增加而增大，這是由于制冷劑合流使合流點(diǎn)之后的制冷劑質(zhì)量流量增加，從而使沿程壓降也增加。在迎風(fēng)溫度較小時(shí)，各流程布置的制冷劑壓降差值較小；隨著迎風(fēng)溫度的增加，各流程布置的制冷劑壓降差值也逐漸增加。

圖9 制冷劑壓降隨空氣進(jìn)口溫度的變化趨勢

圖10 示出流程布置d 在不同迎風(fēng)溫度下平均傳熱溫差和制冷劑飽和溫度沿程變化趨勢。

圖10 流程布置d 平均傳熱溫差和制冷劑飽和溫度 沿程變化趨勢

從圖中可以看出較小的迎風(fēng)溫度具有較大的平均傳熱溫差。在制冷劑換熱初期相對長度小于0.18 時(shí)的后排管段部分，2 種迎風(fēng)溫度的平均換熱溫差相差并不大，這是由于低迎風(fēng)溫度具有較大的換熱量將空氣溫度升高，使后排管的空氣進(jìn)口溫度與較高迎風(fēng)溫度下后排管空氣進(jìn)口溫度相差不大。當(dāng)相對長度大于0.18 時(shí)，2 種工況下的制冷劑都從過熱狀態(tài)進(jìn)入了兩相狀態(tài)，兩種迎風(fēng)溫度的平均傳熱溫差差距較大。隨著相對管長的增加，兩種迎風(fēng)溫度平均傳熱溫差之間的差距再次縮小，說明Tai=25 ℃工況下，管內(nèi)制冷劑在相對長度等于0.74 的位置已經(jīng)進(jìn)入過冷區(qū)，且制冷劑溫度隨換熱過程的進(jìn)行繼續(xù)降低導(dǎo)致平均傳熱溫差的降低。當(dāng)制冷劑進(jìn)入換熱流程相對長度大于0.88 時(shí)，兩種迎風(fēng)溫度工況下的平均傳熱溫差再次出現(xiàn)分離。在Tai=33 ℃工況下的平均傳熱溫差逐漸減小，甚至低于0 ℃；在Tai=25 ℃工況下的平均傳熱溫差則一直保持著接近2 ℃的平均傳熱溫差。從制冷劑飽和溫度與相對長度的對應(yīng)關(guān)系來看，因?yàn)門ai=33 ℃工況下流程布置d 的所有制冷劑合流點(diǎn)都處于兩相區(qū)，導(dǎo)致合流之后制冷劑同時(shí)存在較大的壓力梯度和較大的質(zhì)量流速，使得制冷劑兩相區(qū)飽和溫度急劇下降至低于空氣側(cè)平均溫度的溫度區(qū)域。

4 結(jié)論

（1）在較低迎面風(fēng)速下，合流點(diǎn)次數(shù)對風(fēng)冷式冷凝器換熱量影響不大，在較高迎面風(fēng)速下增加合流點(diǎn)次數(shù)使換熱量增加；但較低的迎面風(fēng)速下增加合流點(diǎn)次數(shù)使兩相區(qū)換熱管長度增加，具有較高的制冷劑側(cè)對流換熱系數(shù)。

（2）在較低的迎風(fēng)溫度下，換熱量隨制冷劑合流次數(shù)的增加而增大；在較高的迎風(fēng)溫度下，換熱量隨制冷劑合流次數(shù)的增加而減小。制冷劑壓降差值隨迎風(fēng)溫度的增加而增加。

（3）Tai=25 ℃，管內(nèi)制冷劑在相對長度等于0.74 的位置已經(jīng)進(jìn)入過冷區(qū)，Tai=33 ℃時(shí)流程布置d 的所有制冷劑合流點(diǎn)都處于兩相區(qū)，導(dǎo)致合流之后制冷劑同時(shí)存在較大的壓力梯度和較大的質(zhì)量流速，使得制冷劑兩相區(qū)飽和溫度急劇下降至低于空氣側(cè)平均溫度的溫度區(qū)域。