翅片管式蒸发器流程布置的优化改进与实验验证.doc

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OptimizationofRefrigerantCircuitryinFin-and—TubeEvaporatorandExperimentalVerification

韩维哲丁国良上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海200240
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摘要：换热器内制冷剂流程布置对换热器的整体性能有着重要影响。通过对一般换热器内流程布置方式的研究与分析，对某大型中央空调的蒸发盘管提出了两种流程布置的优化方案，并采用计算机仿真对优化后的蒸发器进行了仿真计算，同时采用焓差实验台对两种优化方案下的蒸发器分别进行了实验测试，测试结果表明，在保证蒸发器换热能力前提下的优化方案节省了25%的铜管用量；在不改变管路数目的前提下的优化方案使蒸发器的换热量提高了3。18％。
关键词:流程优化实验
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0前言
目前制冷空调中应用较为广泛的是翅片管式换热器,通过改变换热器内制冷剂流路的布置来提高换热温差是一种简单有效的手段.对于换热器内流程的布置，国外学者进行了大量的研究，如Domanski［2］，S。YLiang［3］等.Domanski利用传热单元法分别对蒸发器和冷凝器的流程布置进行了研究;S。YLiang使用火用分析方法分别对“Z”字型、“双进单出"、“单进双出"和“双进双出”等多种冷凝器的流程布置进行了分析.国内学者如C.CWang，张绍志［4］，郭进军［6］等也针对不同形式的换热器（如“Z”字型、“U”字型)等建立了各自的数值模型并研究了流程布置。他们的研究结果表明，对于一般的2排管换热器而言，换热器逆流布置最优，叉流布置次之,顺流布置最差。此外,在合适的点进行分流,可以提高换热管内液相流速，增加换热能力.但是上述研究大多是2排管换热器内流程的布置，对于结构和流程较为复杂的换热器则没有涉及，且有些研究中没有考虑换热器在实际生产中由于制造工艺的要求而受到的结构限制。因此需要找出更好的换热器流程布置方法。
目前换热器优化的研究目标多集中在成本最低和换热能力最大两个方面.本文针对这两种优化目标分别对某大型中央空调器蒸发盘管中的流程布置提出了两种优化设计方案，并采用翅片管式换热器仿真程序进行了仿真计算，最后通过实验验证了仿真程序的可靠性以及优化设计方案的有效性。
1翅片管式蒸发器流程布置优化
1.1翅片管蒸发器流程布置方式与优化设计原则
（1）顺流、逆流和叉流
翅片管换热器内制冷剂流程布置从管内冷媒和管外空气流动方向的不同来分主要可以分为3种，即顺流布置，叉流布置和逆流布置。顺流布置方式如图1(a）和(b）所示，逆流布置方式如图1(c)和(d)所示，叉流布置方式如图1(e）所示.在其他条件相同的情况下，逆流布置时换热器的换热能力最高,其次是叉流布置（即“Z"字型布置），顺流布置时换热能力最低.
(2）利用重力作用
由于重力作用，换热器在流程布置中应尽量使液态或两相状态的制冷剂从高处流向低处，借助于重力的影响可以有效地减少流动阻力使压降降低。换热器内的管路连接一般可以分为“U”字型（如图1(a）和（c））和“n”字型（如图1(b)和（d)）。对于蒸发器，入口制冷剂为两相混合物状态，出口为过热状态，采用“U”字型连接可以使入口两相状态的制冷剂依靠重力作用从高出流向低处，以减少流动阻力,降低压降损失，而出口为过热状态气体，重力影响不大。对于冷凝器，入口制冷剂为过热气体，出口为过冷液体或两相状态，则应该采用“n”字型流路布置,这样在制冷剂的流动过程中可以尽量使液态制冷剂依靠重力从高处流向低处.
(3）逆向导热问题
制冷剂在换热器中经历相变过程，各相区之间温差较大,制冷剂在入口和出口处可能存在较大的温差,制冷剂在入口和出口处可能存在较大的温差，特别是冷凝器，制冷剂入口处于过热状态温度较高，经过和空气的热交换后，制冷剂出口处于过冷状态,温度相对较低，此时冷凝器入口处的换热管会通过铝翅片向温度相对较低的出口处的换热管传热，这部分热量被管内制冷剂吸收从而降低了制冷剂的放热效果，削弱了冷凝器的换热能力。对于蒸发器，当出口制冷剂的过热度较大时，也会存在逆向导热的问题.消除逆向导热的方法主要有两种：1）将相邻的两排管之间的翅片全部开槽或部分开槽；2）除去一部分迎风面侧的换热管.
(a）(b)（c)（d）(e)
图1几种典型的换热器流程