流程布置对翅片管换热器换热性能影响的研究现状与展望Ξ姜盈霓1),2)　虎小红1)　1)(武警工程学院)　2)(西安交通大学)摘　要　综述国内外在流程布置对翅片管换热器换热性能影响方面的研究进展,并针对存在的问题指出今后的研究方向。

关键词　流程布置　翅片管换热器　冷凝器　蒸发器Prospect and research status of the effect of circuit arrangement on the heat exchanger performance of f inned tube exchangerJiang Y ingni1),2)　Hu Xiaohong2)　1)(Engineering College of Armed Police Force)　2)(Xi’an Jiaotong University)ABSTRACT　Introduces the research of of circuit arrangement on the heat exchange performance of finned tube exchanger some advices for the future research in this field.KE Y WOR DS　circuit arrangement;finned tube heat exchanger;condenser;evaporator 纵观强化传热的研究文献,可以看到强化传热可以通过提高传热系数、增加传热面积和增大空气侧和制冷剂侧传热温差3种途径来实现。

制冷空调中制冷剂以及冷却介质大都呈强制对流换热,因此强化的重点在于单相流体对流换热的强化、凝结与沸腾换热的强化。

以往的研究多集中在管内和管外的结构以及寻找更高效、环保的替代制冷剂上,这些研究取得了很好的强化换热效果。

在换热强化的第3个措施上(即增大传热温差),研究人员投入的精力并不多。

因为通常认为当高、低温介质一定时,传热平均温差就随之而定了。

这种观点是片面的,事实上,流程布置对换热性能的影响是不可忽略的。

1　研究流程布置对翅片管换热器换热性能影响的意义人们早就注意到当高温、低温介质的进口温度一定时,逆流传热比顺流传热有着更大的传热平均温差,因而也具有更大的换热量,叉流的换热量处于这两者之间。

这说明换热器流程布置会改变传热温差的分布,会对换热量产生影响。

研究翅片管式换热器流程布置是一项复杂的工作,因为对其造成影响的因素很多,主要有两方面的原因:一是在实际设计中,流程布置的方法几乎有无限多种,很难找到一个可行的方法来描述所有的可能布置形式;二是很难找到一个耗时少且精度高的方法来求解控制方程。

通常都希望换热器有一个均匀和高效的换热和流动性能,这就需要采用复杂的流程布置形式,然而复杂的流程布置又会造成传热的不均匀性,这是进行流程布置研究尤其是复杂流程布置研究中应尽量避免的。

换热器流程布置不仅仅指换热管的排列方式,还包括换热管组的分叉流动等情况。

当制冷剂流量一定时,通路数和分叉与否直接影响制冷剂的流速,从而也会影响换热系数。

因此,这里不但涉及到平均温差,而且涉及到传热系数。

最优的管组连接方式应使两者的综合效果最佳,以取得较高的换热量。

考虑到上述因素,对于冷凝器和蒸发器来说逆流是不是都总是最好的布置方式?布置方式对换热器的影响到底有多大?能不能找到较优的连接方式,使压降较低,又能提高换热量?而且对于热泵型空调器来说,当制冷剂倒流时,原来设计的制冷运行的蒸发器(或冷凝器)最优流程是否是制热运行的冷凝器的最优流程?流程布置对非共沸混合物替代工质换热器的影响有多大?风扇来流不均对换热器的流程布置及换热性能有何影响?因此,进一步深入研究流程布置对翅片管换热器的换热性能影响,无论对理论研究还是工程应用方面,都具有重要的意义。

2　目前国内外的研究状况2.1　试验研究众所周知,制冷剂流程布置方式对传热有着很大的影响,不管是冷凝器还是蒸发器,逆流方式布置管路比顺流方式可以取得更好的能效,叉流处于这两者之间。

理论上来讲,流程布置形式可以有无限多种,但在实际生产中主要是凭经验来进行设计,这有很大的盲目性。

因此就迫切需要对换热器的流程布置进行优化设计,但对翅片管换热器流程布置方式优化的研究并不多见。

这些研究一般是针对特定的几种模型进行试验,都有一定的局限性。

Chi2Chuan Wang等人[1]使用R22对特定尺寸的8种流程布置双排管的波纹翅片的空冷冷凝器进行了试验测试。

这8种流程布置包括6种单回路的和2种双回路的布置形式。

试验结果表明,对于单回路的流程布置形式,逆流的换热性能要高于顺流和叉流,但翅片间的逆向导热,又影响了换热器性能。

为了减少和消除逆向导热,提出了2种改进措施:一是抽取迎风侧的几根管子;二是在两排管之间开缝。

对于双回路的流程布置形式,明显存在由于重力影响而造成2个回路制冷剂流量分配不均,从而使得在出口处一路已经冷凝而另一路却还是两相区,这将导致出口制冷剂混合时的能量损失。

J.H.Lee[2]在2002年对R22和R407C制冷剂冷凝器的在单回路“Z”字形、“U”字形2种流程布置下的性能作了试验研究。

结果显示,对于“Z”字形布置,R22比R407C性能好;然而对于“U”字形布置,用2种制冷剂的效果相差不大。

但试验只是对同种流程布置形式作了不同制冷剂的对比,而没有考虑同种制冷剂的不同流程布置形式的对比。

国内的张智针对双排管4种较复杂的不同制冷剂流路类型的翅片管冷凝器的换热特性进行了试验研究,并对试验结果进行了讨论[3]。

试验用的冷凝器分别为1～4个回路,在试验条件下,两回路的设计达到了最大的换热量。

作者认为,制冷剂的流程布置应遵循以下几点:对于多路流动而言,不同流路间制冷剂分配应均匀;制冷剂和外界空气应进行逆流换热;避免出现复热和回液。

试验结果显示,两回路的冷凝器的总换热系数最大,三回路的其次,所以作者认为在冷凝器的设计中,应当考虑分路流动,在设计分路时,不同路的入口应尽量靠近,出口也应靠近,进口与出口应尽量远,以避免由于复热而损失部分换热量,避免流量分配不均匀;四回路的总换热系数最小,甚至低于单回路的情况。

,若分路多于两回路时,应当采用集中式分液器和集液器,尽量使不同流路间流量均匀。

此外不同流路间的管程应当相同,而且应当均匀地流过迎风侧和背风侧,使得换热均匀。

2.2　数学计算模型及数值计算对于换热器流程的优化设计,如果纯粹靠样机试验来分析和比较不同流程布置换热器的换热性能,则需要做大量的试验。

这样不仅投资大,而且需要很长的周期。

数值计算作为一种研究传热问题的方法,具有成本低、速度快、适应性强和可模拟真实条件、理想条件的能力等特点,对于把握研究问题的总体规律具有高度概括性的优势,不仅可以提供试验研究不能提供的信息,充分反映几何结构的影响,还可以很方便地对多种不同的选择方案进行分析比较,这对试验研究来说几乎是不可能的。

因而通过建立描述流程布置的换热器的数学计算模型及数值计算来研究流程布置对换热器的换热性能的影响也是亟待解决的问题。

计算换热器的数学模型很多,比如G oldstein,他通过对三回路三排管的空调用蒸发器的实验验证了自己建立的数学模型的有效性[4],并对冷凝器的数值模拟提出了一些建议。

把蒸发器的整个过程分为3个阶段:过冷区、两相区和过热区。

每个阶段作为一个整体,过冷区和两相区用对数平均温差和对数平均焓差法来计算空气和制冷剂的出口参数和换热量,过热区用传热单元数法计算。

该模型并没考虑到流程布置形式的对比。

Y.T.G e则用集总模型法把冷凝器分为过热区、干度小于0.4的两相区、干度大于0.4的两相区和过冷区4部分[5]。

通过实验发现,两相区的传热系数在干度小于0.4时变化较大,大于0.4时变化很小,故将两相区分为2部分来考虑。

这样做的好处是可以在每部分采用各自的最合适的换热系数计算公式。

作者把自己建立的四区集总模型和收集到的文献[7]的试验数据进行了对比,最大偏差为±10%,说明该模型的准确度较高。

作者用该模型模拟对比了分别采用R22和R404A制冷剂的6种流程布置的四排管冷凝器。

结果显示,同样制冷剂条件下,单回路的比多回路的换热性能好;同样条件下,R404A的性能远比R22的差,而且更换制冷剂造成的换热量的下降要比换热器结构上微小的变化造成的下降要明显得多。

但是,如果确定用R404A替代R22,则必须注意重视结构上的流程布置的优化。

最早考虑到制冷剂流程布置的是Ellison。

他针对特殊的流程布置提出了一种基于管对管的计算方法的冷凝器数学模型[6],并通过实验验证了模型的精度。

实验用的冷凝器以R22为制冷剂,一个简单的冷凝器管排数3排,每排的管数一样,有3个流程;另一个复杂的冷凝器管排数也是3排,每排的管数不同,有5个流程,作者假设冷凝器空气侧的来流速度是均匀的,这2个换热器的实验测试结果与作者所建立的数学模型的模拟结果吻合良好。

ACOL5程序是传热与流体流动研究机构开发的用于设计计算大型蒸汽工厂的程序,该程序可以模拟翅片管换热器的非均匀来流。

2000年A.A. Aganda[7]把ACOL5程序用来模拟均匀来流假设下的单回路、四排管的空调用蒸发器(制冷剂R22),经过ACOL5程序预测值和作者的试验值对比后,作者认为ACOL5同样可以用来预测均匀来流情况下制冷剂为R22的空调用蒸发器的出口空气温度和出口制冷剂干度。

J.H.Lee[2]在2002年把管对管的数学模型作了改进,称为分段分析法数学模型,用来研究R22和R407C制冷剂的冷凝器在“Z”字形、“U”字形2种流程布置下的性能。

2种流程布置形式平均起来说,R22制冷剂冷凝器换热量的数值模拟结果比试验结果大10.1%;R407C制冷剂冷凝器换热量的数值模拟结果比试验结果小10.7%,说明该模型可以用于设计计算这2种制冷剂冷凝器的流程布置。

比起管对管的数学模型,这种模型可以考虑到在管长方向上的空气侧的分布不均和制冷剂侧的温度滑移,但是作者没有考虑翅片的逆向导热问题。

以上处理对于工程计算是可以的,但是实际上即使在一个区域里,换热系数和温差也是不同的。

随着计算机技术的发展,为了详细地研究换热器的传热传质过程,通常将换热器分成更小的单元来计算。

S.Y.Liang和T.N.Wong[8]将　分析应用于换热器管路布置研究中,建立了翅片管换热器流程布置的分布参数模型。

这是最早用分布参数模型研究换热器流程布置优化的文献。

与Ellison模型[6]相比,该模型可以把一根管子分成若干个控制容积来计算“Z”字形、“单进双出”、“双进单出”、“单2双2单”(分合点位置不同的2种)共5种流程布置的双排管冷凝器进行了数值模拟和分析。