10 kW制冷機組用冷凝器空氣側(cè)性能試驗研究

王振環(huán)，崔然成，權(quán)寧哲，趙新學(xué)

（1.濱州學(xué)院 機電工程學(xué)院，山東濱州 256600；2.韓國制冷空調(diào)認(rèn)證中心，韓國 京畿道華城 18608；3.韓國鮮文大學(xué) 機械ICT融合工程學(xué)院，韓國 天安牙山 31640）

0 引言

近年來，隨著人們飲食生活的多樣化以及在線或離線購買方式的流行，對物品的新鮮度要求越來越高，需冷凍車輛運送，因此，冷藏/冷凍食品的配送需求日益增加。安裝在冷藏/冷凍車輛中的制冷裝置起著保持物品（例如蔬菜，肉類和藥品）高新鮮的作用，所以車輛空間溫度控制尤其重要。冷藏/冷凍車輛中制冷機組是消耗大量能量的設(shè)備［1-6］，由于缺乏優(yōu)化設(shè)計和節(jié)能的相關(guān)研究，大多數(shù)現(xiàn)有制冷機組不具備高能效，因此，迫切需要研究優(yōu)化制冷機組的性能以開發(fā)用于高效的冷藏/冷凍車輛。

國內(nèi)外研究人員對冷凝器空氣側(cè)性能進(jìn)行了大量的實驗和數(shù)值模擬研究。龔毅等［7］基于數(shù)值模擬方法對比分析了5種新型的板片結(jié)構(gòu)，研究了板片構(gòu)型、噴淋水噴淋密度、空氣入口速度等因素對氣液兩相流流體流動及傳熱性能的影響。LEE等［8］提出了從冷凝器的耐熱性與泵功率之間的關(guān)系得出最佳回路數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。丁煒堃等［9］基于傳熱單元數(shù)法，建立了空調(diào)冷凝器的穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型。運用該模型以大管徑（7 mm）空調(diào)冷凝器性能為基準(zhǔn)，進(jìn)行小管徑（5 mm）空調(diào)冷凝器流路設(shè)計。CHO等［10］基于換熱器實驗獲得的空氣和制冷劑性能數(shù)據(jù)進(jìn)行了換熱器仿真模擬比較。陳潔璐等［11］基于FLUENT軟件構(gòu)建3種翅片類型結(jié)構(gòu)換熱器空氣側(cè)的傳熱和阻力特性進(jìn)行了研究。SON等［12］研究了用于冰箱的平板式冷凝器的傳熱性能，并研究確認(rèn)了3種類型的熱交換器的性能和空氣側(cè)的壓降。CHA等［13］基于CFD分析了在大氣條件下風(fēng)冷式冷凝器的性能，并報告了其性能隨風(fēng)速的變化而變化。郭夢茹等［14］對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的冷凝器性能進(jìn)行仿真，分析管徑、翅片間距、管間距等對管翅式冷凝器性能以及成本的影響。KIM［15］對百葉窗翅片的熱交換器的空氣側(cè)傳熱性能進(jìn)行了試驗研究，并從實驗數(shù)據(jù)中得出了Colburn j-factor因子和摩擦f-factor因子之間的相關(guān)性。秋雨豪［16］分別采用干空氣工況和濕空氣工況的試驗條件，對3種常見的翅片型式換熱器性能的影響進(jìn)行了研究。SHON等［17］研究了使用低GWP制冷劑的冷凝器的傳熱和壓降特性，結(jié)果表明質(zhì)量流量是主要影響因素。張園明等［18］對7個帶親水層和3個不帶親水層波紋翅片管換熱器在析濕工況下空氣側(cè)的換熱壓降特性進(jìn)行了試驗研究，并且在不同的入口風(fēng)速和入口相對濕度下比較了干濕工況下的空氣側(cè)特性。

由于對現(xiàn)有熱交換器的研究集中在家用、工業(yè)空調(diào)和制冷用熱交換器的設(shè)計和優(yōu)化，因此它不適合直接用作車輛的冷藏/冷凍熱交換器。尤其較少有關(guān)于冷凝器用作低溫10 kW冷藏/冷凍車輛的制冷裝置的研究。因此，為了研究和優(yōu)化車輛制冷裝置的室外環(huán)境相對應(yīng)的冷凝器的性能，在保持車輛室外溫度環(huán)境的同時，改變冷凝器的翅片形狀，翅片節(jié)距，管排數(shù)和空氣流量的同時并對冷凝器空氣側(cè)傳熱和壓降性能進(jìn)行了試驗研究，并且從試驗中獲得的性能特征和優(yōu)化數(shù)據(jù)旨在用于制冷機組冷凝器的詳細(xì)設(shè)計和商業(yè)化。

1 試驗設(shè)備及方法

本試驗采用空氣焓差法來測量冷凝器的各項性能參數(shù)，包括容量、制冷能力、風(fēng)量、功耗等，可作為冷凝器檢測和設(shè)計開發(fā)的重要手段。為了測試制冷機組冷凝器的傳熱和壓降性能，設(shè)計了空氣焓差室試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)由熱量計（psychrometric calorimeter）和風(fēng)量測量裝置（cord tester）等組成，具體如圖1所示。圖中，Td，Tw和ΔP分別表示為空氣側(cè)干球溫度、濕球溫度和壓差的測量位置，通過測量干/濕球溫度和壓差計算冷凝器的吸入/排出焓和容量，在制冷系統(tǒng)中，T和P表示制冷劑側(cè)的溫度和壓力的測量位置，并且為了計算制冷劑側(cè)的熱量，配置了制冷循環(huán)系統(tǒng)。

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

通過PID控制，將箱體的干/濕球溫度保持在設(shè)定值的允許范圍內(nèi)（±0.3 ℃）。在制冷劑方面，制冷系統(tǒng)的每個部分都安裝了RTD溫度傳感器（精度為±0.1 ℃），壓力表（精度為0.13%）和質(zhì)量流量計（精度為0.1%），以測量制冷劑的溫度，壓力和流量數(shù)據(jù)。測得的試驗數(shù)據(jù)以2 s的間隔存儲，對5 min的測量值進(jìn)行平均，并測量7次，收集35 min的數(shù)據(jù)以計算總平均值。本試驗系統(tǒng)可達(dá)到測試精度2%以內(nèi)，重復(fù)性精度±1%以內(nèi)。為了研究冷凝器的性能，為此，根據(jù)式（1）～（3）計算出空氣側(cè)熱量Qa、制冷側(cè)熱量Qr、平均熱量Q。

a，oa，ia，r，or，ir —— 下標(biāo)，空氣、空氣側(cè)出口、空氣側(cè)入口、制冷劑、制冷劑側(cè)出口、制冷劑側(cè)入口。

圖2所示為冷凝器左側(cè)和右側(cè)的管道連接示意，由20段和5個通道組成。對冷凝器結(jié)構(gòu)中4種不同翅片形狀進(jìn)行了試驗研究。圖3示出了平板狀翅片、波紋狀翅片、條縫翅片和百葉窗翅片的結(jié)構(gòu)示意。表1列出了制冷機組冷凝器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸，并且試驗中使用的冷凝器的翅片厚度、路徑、外徑尺寸等參數(shù)均相同。通過對4種翅片形狀、5種翅片節(jié)距和4種冷凝器的管排數(shù)變化進(jìn)行了試驗研究，并且對6種空氣流量的變化，對冷凝器空氣側(cè)性能進(jìn)行了研究。

圖2 冷凝器路徑示意Fig.2 Schematic diagram of the condenser path

圖3 冷凝器的翅片形狀Fig.3 Fin shape of the condenser

表1 冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸Tab.1 Condenser structural specifications

表2列出了冷凝器的試驗條件。有關(guān)空氣側(cè)測試條件，參考了ATP標(biāo)準(zhǔn)?？諝鈧?cè)試驗條件設(shè)定為大氣壓、吸入溫度為30 ℃、相對濕度為40%、空氣流量為50～130 m3/min，間隔為20 m3/min。制冷劑側(cè)試驗條件入口壓力設(shè)定為2 100 kPa，循環(huán)流量為347 kg/h。通過使用變頻器控制頻率來改變空氣流量。在空氣側(cè)和制冷劑側(cè)同時測量冷凝器的性能，并且獲得偏差小于±5%的數(shù)據(jù)。冷凝器安裝在數(shù)據(jù)測試儀的入口，并盡可能絕緣，以確保沒有熱量泄漏，從而可以保持恒溫恒濕，在冷凝器的后部安裝了一個混合器以混合廢氣。

表2 冷凝器試驗條件Tab.2 Condenser test inlet conditions

在本試驗研究中，對10 kW級制冷機組的冷凝器性能特征及選擇冷凝器規(guī)格，進(jìn)行了試驗研究。通過改變冷凝器的翅片形狀、管排數(shù)、翅片節(jié)距和空氣流量的同時測量每個冷凝器的容量和壓降，優(yōu)選性能最佳冷凝器。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 翅片形狀對容量和壓降的影響

圖4（a）示出不同翅片形狀和空氣流量70，90，110 m3/min工況下，制冷機組用冷凝器（管排數(shù)為4、翅片節(jié)距為3 mm）的容量變化規(guī)律。由圖可知，在空氣流量70 m3/min時，以平板狀翅片為基準(zhǔn)相比波紋狀、條縫和百葉窗翅片的容量分別增加了10.8%，12.3%，13.8%。空氣流量90 m3/min時，容量分別增加了4.5%，5.5%，6.2%。空氣流量110 m3/min時，容量分別增加了3.3%，4.0%，4.7%。隨著空氣流量的增加，冷凝器容量上升幅度逐漸減小。冷凝器空氣側(cè)的熱流過程會根據(jù)翅片的形狀而變化，因為隨著百葉窗式翅片（圖3）的散熱片表面形狀變得比板式散熱片更復(fù)雜，空氣側(cè)的對流傳熱過程變得更加活躍。在另一方面，當(dāng)翅片形狀變?yōu)槠桨鍫睢y狀→狹縫→百葉窗，隨著翅片形狀的變化，冷凝器的容量逐漸減小。這是因為即使復(fù)雜的設(shè)計翅片形狀而促進(jìn)對流傳熱，也存在冷凝器的傳熱性能的極限。

圖4（b）示出不同翅片形狀和空氣流量70，90，110 m3/min工況下，制冷機組用冷凝器的壓降變化規(guī)律。由圖可知，在空氣流量70 m3/min時，以平板狀翅片為基準(zhǔn)相比波紋狀、條縫和百葉窗翅片的壓降分別增加了5.7%，26.1%，60.9%?？諝饬髁?0 m3/min時，壓降分別增加了7.8%，38.9%，75.3%?？諝饬髁?10 m3/min時，壓降分別增加了6.9%，27.2%，60.7%。在相同的試驗條件下，百葉窗翅片與平板狀、波紋狀、條縫翅片相比下壓降最大。隨著空氣流量增大，4種不同翅片形狀的壓降呈線性增大。綜上所述，由圖4可知，雖然百葉窗翅片的容量最佳，但是相應(yīng)的壓降最大。波紋翅片相對于平板翅片的容量增加最大為4.5%，而壓降的增加最低為5.7%。本試驗結(jié)果表明，存在一種適于優(yōu)化制冷機組冷凝器性能的翅片形狀，因此，選擇了波紋狀翅片作為制冷機組冷凝器的翅片形狀。

圖4 翅片形狀的變化下容量和壓降Fig.4 Capacity and pressure drop by fin type

2.2 翅片節(jié)距對容量和壓降的影響

在空氣流量為90 m3/min的工況下，隨著不同翅片節(jié)距的變化，冷凝器（管排數(shù)4）的容量變化規(guī)律，如圖5（a）所示。

圖5 翅片節(jié)距的變化下容量和壓降Fig.5 Capacity and pressure drop by fin pitch

對于翅片形狀，根據(jù)圖4的結(jié)果，波紋狀翅片被選定為制冷機組冷凝器的翅片。由圖可知，當(dāng)波紋狀翅片節(jié)距在1～3 mm范圍內(nèi)時，冷凝器的容量隨著節(jié)距的增加逐漸下降。但波紋狀翅片節(jié)距在3～5 mm范圍內(nèi)時，冷凝器的容量隨著節(jié)距的增加急劇下降。當(dāng)節(jié)距由1 mm變?yōu)? mm時，冷凝器的容量因節(jié)距變化而降低約0.7%；當(dāng)節(jié)距由2 mm變?yōu)? mm時降低約3.3%；當(dāng)由3 mm變?yōu)? mm以及由4 mm變?yōu)? mm時降低約14.4%和18.1%。本試驗范圍內(nèi)，如果翅片節(jié)距超過3 mm，容量減少幅度為11.1%。反之，冷凝器的容量逐漸增加。在空氣流量為90 m3/min的工況下，隨著翅片節(jié)距的變化，冷凝器的壓降變化規(guī)律如圖5（b）所示。由圖可知，當(dāng)波紋狀翅片節(jié)距在1～3 mm范圍內(nèi)時，冷凝器的壓降隨著節(jié)距的增加急劇下降。但波紋狀翅片節(jié)距在3～5 mm范圍內(nèi)時，冷凝器的壓降隨著節(jié)距的增加逐漸下降。當(dāng)節(jié)距由1 mm變?yōu)? mm時，冷凝器的壓降因節(jié)距變化而降低約58.6%；當(dāng)節(jié)距由2 mm變?yōu)? mm時，降低約27.3%；當(dāng)節(jié)距由3 mm變?yōu)? mm以及由4 mm變?yōu)? mm時，降低約14.5%和11.6%。綜上所述，由圖5可知，翅片節(jié)距3 mm以上時，冷凝器的容量急劇減少，翅片節(jié)距3 mm以下時，冷凝器的壓降大幅上升。因此在本試驗范圍內(nèi)，觀察到翅片節(jié)距為3 mm時最為合適。

2.3 管排數(shù)對容量和壓降的影響

隨著管排數(shù)的變化，波紋狀冷凝器（翅片節(jié)距3）的容量和單位管排數(shù)容量變化規(guī)律如圖6（a）所示。單位管排數(shù)容量是試驗得到的容量除以管排數(shù)計算出的單位容量。由圖可知，隨著管排數(shù)數(shù)量的增加，冷凝器容量明顯增加，但是在增加到6排之后，增加量略有放緩。當(dāng)管排數(shù)由2變?yōu)?時，冷凝器容量因管排數(shù)變化而增加約78.9%；從4變?yōu)?時，冷凝器容量增加約35.3%；從6變?yōu)?時，冷凝器容量增加約15.2%。在另一方面，從單位容量來看，管排數(shù)為2時單位容量最大為5.1 kW，隨著管排數(shù)數(shù)量的增加，單位容量幾乎呈線性下降，這是由于在圓管的后端產(chǎn)生尾流的影響，隨著熱量的增加，后排中的傳熱性能逐漸降低。

圖6 管排數(shù)的變化下容量和壓降Fig.6 Capacity and pressure drop by tube rows

隨著管排數(shù)的變化，波紋狀冷凝器的壓降和單位管排數(shù)壓降變化規(guī)律，如圖6（b）所示。單位管排數(shù)壓降是試驗得到的壓降除以管排數(shù)計算出的單位壓降。由圖可知，隨著管排數(shù)數(shù)量的增加，空氣側(cè)壓降明顯的增加，幾乎呈線性的增加。當(dāng)管排數(shù)由2變?yōu)?時，冷凝器壓降因管排數(shù)變化而增加約92.9%；變?yōu)?時，冷凝器壓降增加約177.2%；變?yōu)?時，冷凝器壓降增加約251.7%。在另一方面，從單位壓降來看，管排數(shù)2的壓降最大為28.2 Pa，隨著管排數(shù)數(shù)量的增加，觀察到單位管排數(shù)的壓降呈逐漸下降趨勢。綜上所述，由圖6可知，根據(jù)管排數(shù)的容量和壓降綜合判斷，當(dāng)管排數(shù)為4時，冷凝器容量的增加明顯，而壓力增加的程度也被認(rèn)為是最合適的，因此，管排數(shù)4性能是最為合適的。

2.4 空氣流量對容量和壓降的影響

隨著空氣流量及翅片形狀的變化，冷凝器（管排數(shù)為4和翅片節(jié)距為3 mm）容量及壓降變化規(guī)律如圖7所示。由圖可知，隨著空氣流量的增大，空氣流量在50～90 m3/min時，冷凝器容量明顯上升，但空氣流量在90～130 m3/min時，容量增加幅度略有放緩。這是因為隨著空氣流量的增加，翅片管中的對流傳熱增加，從而冷凝器容量接近最大制冷能力。對于平板狀翅片，隨著空氣流量的增加，冷凝器容量上升，但空氣流量在90 m3/min以上時，容量增加量略有放緩。特別是，在本試驗空氣流量范圍內(nèi)，波紋狀、狹縫和百葉窗顯示出比平板狀更高的性能。對于條縫、波紋狀和百葉窗翅片，在空氣流量90 m3/min以上時，容量增加幅度明顯降低，增加幅度為1 kW以下。隨著空氣流量的增加，翅片形狀的影響逐漸減少。從該試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與平板狀翅片相比條縫、波紋狀和百葉窗翅片的順序，在較低的空氣流量中顯示出更佳的容量性能。因此表明，冷凝器設(shè)計中的翅片形狀和空氣流量極大地影響了空氣側(cè)的傳熱過程。由圖7（b）可知，隨著空氣流量的增大，冷凝器空氣側(cè)的壓降明顯增加。對于百葉窗翅片，在空氣流量為130 m3/min時，空氣側(cè)壓降最大為360 Pa，相對于平板狀翅片，波紋狀翅片的壓降增加了約8%，條縫翅片的壓降增加了27%，百葉窗翅片的壓降增加了約57%。

圖7 空氣流量的變化下容量和壓降Fig.7 Capacity and pressure drop by air flow rate

4種不同翅片形狀壓降性能比較順序為平板狀→波紋狀→條縫→百葉窗。綜上所述，由圖7可知，與平板狀翅片不同，條縫、波紋狀和百葉窗翅片的容量增幅在空氣流量超過110 m3/min時明顯減少。因此，在該試驗中，可以判斷出相比于百葉窗和條縫翅片，波紋狀翅片最為合適，冷凝器的壓降越高，風(fēng)扇的功率就越高，耗能就越大，因此，冷凝器的容量和壓降在90 m3/min左右的空氣流量是合適的。

3 結(jié)論

（1）4種不同翅片形狀的冷凝器試驗結(jié)果表明，與容量相比壓降的增加率，波紋狀翅片最低，約為百葉窗翅片的33%，因此選擇了波紋狀翅片的冷凝器。

（2）翅片節(jié)距的試驗結(jié)果表明，與翅片節(jié)距為1 mm的情況相比，當(dāng)翅片節(jié)距為3 mm時，容量減小幅度約為3.3%，但壓降顯著降低至50.5%。

（3）隨著管排數(shù)數(shù)量的增加，冷凝器的容量和壓降同時上升。當(dāng)考慮到冷凝器總?cè)萘康脑黾酉啾扔趬航禃r，管排數(shù)4的容量為14.5 kW，并且壓力相比于管排數(shù)8壓力低約45%。

（4）與平板狀翅片相比，條縫、波紋狀和百葉窗翅片即使在低風(fēng)量下也顯示出優(yōu)異的容量，但是隨著空氣流量的增加，壓降也隨著上升。因此，適用于冷凍/冷藏用波紋狀翅片的冷凝器，在空氣流量為90 m3/min左右時，容量及壓降性能最為合適。