冷凝器流道劃分比例對(duì)換熱效率的影響研究

劉 晨，顏雄超

（1.海裝駐武漢地區(qū)軍事代表局，湖北 武漢，430060；2.海裝駐武漢地區(qū)第七軍事代表室，湖北 武漢，430060）

0 前言

冷凝器是制冷系統(tǒng)中的核心部件之一，它的主要作用是將制冷劑由高壓蒸汽冷卻成液體。為確保制冷劑能夠充分與濕空氣進(jìn)行熱交換，且能獲得一定過(guò)冷度，工業(yè)應(yīng)用上按照一定比例來(lái)劃分多個(gè)流道，為了更好的了解流道劃分比例對(duì)冷凝器傳熱性能的影響，降低單位換熱量下冷凝器的重量，就必須對(duì)流道劃分比例進(jìn)行深入的研究，從而揭示流道劃分比例的規(guī)律。在前人所做工作的基礎(chǔ)上[1-6]，本文對(duì)典型冷凝器進(jìn)行了仿真建模和試驗(yàn)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，分析不同流道劃分比例對(duì)換熱效率的影響，得出了優(yōu)化設(shè)計(jì)冷凝器流道劃分比例的規(guī)律。

1 仿真模型

1.1 換熱器結(jié)構(gòu)特征

選擇多元平行流式冷凝器（圖1）作為研究對(duì)象，其主要結(jié)構(gòu)由扁管和波浪形翅片組成，集流管中有隔片打斷，形成多個(gè)流道，每個(gè)流道內(nèi)包含的扁管數(shù)量不同。制冷劑進(jìn)入冷凝器時(shí)，制冷劑呈氣態(tài)，比熱容較大，隨著制冷劑逐漸冷卻為液體，比熱容減小。合理的劃分流道占冷凝器迎風(fēng)面積的比例，可以使制冷劑的流動(dòng)和換熱情況更趨合理。

1.2 細(xì)節(jié)參數(shù)尺寸

扁管內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖2，為提高單位體積內(nèi)的總換熱面積，扁管內(nèi)部設(shè)置微通道結(jié)構(gòu)，沿扁管寬度方向均勻布置多個(gè)矩形孔。

在扁管之間設(shè)有翅片，主要用于與濕空氣進(jìn)行熱交換，其微觀結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 外部翅片參數(shù)

設(shè)計(jì)熱交換器的各項(xiàng)細(xì)節(jié)尺寸見(jiàn)表1。

表1 冷凝器細(xì)節(jié)參數(shù)表總體參數(shù)計(jì)算

1.3 總體參數(shù)計(jì)算

根據(jù)表1所列詳細(xì)參數(shù)，對(duì)冷凝器逐項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可得到全局參數(shù)，見(jiàn)表2。

圖4 局部與全局尺寸

表2 全局參數(shù)計(jì)算結(jié)果

1.4 模型校準(zhǔn)

為驗(yàn)證模型正確性，使用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)，最終對(duì)制冷劑側(cè)參數(shù)和濕空氣側(cè)參數(shù)作為主要計(jì)算特征的公式進(jìn)行擬合，總換熱系數(shù)采取的擬合公式如下：

其中：Gext是單位迎風(fēng)截面積下濕空氣質(zhì)量流量，Gint是單位容積下的制冷劑流量。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)對(duì)照表見(jiàn)表3，可見(jiàn)擬合數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)最大誤差為2%，擬合結(jié)果滿足后續(xù)對(duì)照仿真分析的需求。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)對(duì)照表

2 典型工況下計(jì)算分析

選擇某典型多元式平行流冷凝器，共含32個(gè)扁管，劃分為4個(gè)流道，建立仿真模型如圖5，按照表1設(shè)定冷凝器各項(xiàng)參數(shù)。制冷劑流動(dòng)通路示意圖見(jiàn)圖6（a）,分別按照表4所列的三種方案劃分流道比例。

圖5 仿真模型示意圖

表4 流道劃分方案

圖6 流道比例劃分方案

為了更加直觀的表征不同流道劃分方案下冷凝器換熱效率的差異，用冷凝器出口處的制冷劑過(guò)冷度來(lái)評(píng)價(jià)冷凝器的換熱效率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7，其中方案二可以使冷凝器獲得最大換熱效率，在壓焓圖（圖8）中可見(jiàn)制冷劑狀態(tài)變化情況。

圖7 各方案過(guò)冷度對(duì)比

圖8 方案二計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

在制冷劑流通方向上布置多個(gè)流道時(shí)，應(yīng)采用遞減的方式安排流道占用冷凝器迎風(fēng)面積的比例，可在高壓高比熱容制冷劑在流入冷凝器后第一個(gè)流道布置較多扁管數(shù)量，使制冷劑充分與濕空氣進(jìn)行熱交換，同時(shí)可以在最后一個(gè)流道內(nèi)布置較少扁管數(shù)量，中間流道占用的扁管比例依次遞減，這種流道比例劃分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以使冷凝器的有效容積得到最合理的利用，從而使制冷劑的流動(dòng)和換熱情況更加合理。本文提出的計(jì)算和分析方法，對(duì)于應(yīng)用在特種設(shè)備上的冷凝器減重優(yōu)化具有重要意義。