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優化設計方法包括兩部分：翅片結構設計和制冷劑流路設計。由于翅片尺寸決定了管間距，進而影響制冷劑流路分配，因此應首先設計翅片結構，其次設計制冷劑流路。圖1 為優化設計流程圖。1、翅片結構設計 在翅片結構設計中，將采用CFD 方法對翅片結構進行優化設計。優化設計主要分為如下5 個步驟：
步驟1：確定優翅片高寬比Pt/Pl
在本文中，翅片優高寬比是指在相同翅片面積下，翅片效率高的翅片高寬比。翅片效率可定義為：翅片管換熱器實際的換熱量(Qactual,fin)與大可能達到的換熱量(Qideal,fin)之比，如式（1）所示。
Qactual,fin和Qideal,fin 由CFD 計算得到。CFD 幾何模型采用兩排管翅片換熱器；邊界條件為空調蒸發器工況。在實際翅片模型中，翅片與管壁耦合；在理想翅片模型中，設置翅片溫度與管壁溫度相同。空氣上表面和下表面定義為周期性表面。根據CFD 計算結果，可以得到具有高翅片效率的翅片優高寬比Pt/Pl。
步驟2：優化Pt 和Pl
在制冷工況下，蒸發器表面會形成一層冷凝液膜。當析濕較為嚴重時，窗片和橋片都會被這層液膜堵塞，導致其幾何結構類似于平片。因此，在設計中采用了平片的關聯式來確定翅片尺寸。
設計中，設定的優化目標函數以及約束條件函數見式（2）~（4）。優化目標函數用來分析性價比，見式（2）。式（3）~（4）為約束條件，即：小管徑換熱器的換熱性能（UA）應等于或大于規定值；空氣側壓降應等于或者小于規定值。
步驟3：優化翅片開縫結構
在翅片開縫結構的設計中，由于沒有適用于小管徑翅片換熱器的性能預測關聯式，因此本研究采用CFD 方法來模擬換熱器的換熱量和空氣壓降，從而確定優開縫結構。
在窗片的幾何結構參數中，開縫角度和開縫數是自變量，縫高與縫寬可根據兩個自變量確定。因此，只需對窗片開縫角度θ 和開縫條數n 這兩個自變量進行優化設計。在橋片的幾何結構參數中，縫高為翅片間距的一半，縫寬由開縫數確定。因此，對橋片開縫翅片結構的設計，只需對開縫條數進行優化設計。基于CFD 計算結果，可確定具有較高換熱量和較低空氣壓降的翅片開縫結構。
步驟4：換熱器性能測試
小管徑換熱器性能的測試系統如圖2 所示。實驗中的測試工況根據房間空調器標準確定。根據實驗結果，采用多重線性回歸方法開發了小管徑換熱器性能的預測關聯式，并將其應用于制冷劑流路設計的仿真程序中。
2、制冷劑流路設計
在制冷劑流路設計中，采用基于仿真的方法進行設計。圖3 為基于仿真的制冷劑流路設計方法流程圖。設計中首先根據換熱器尺寸確定換熱器的預選結構，并根據換熱器性能及成本調整管路結構，然后計算調整后換熱器的性能，以確定下一步結構的調整方向，終確定換熱器管路結構。設計中采用基于知識的多目標優化方法，控制優化過程，得到優化結果。
本文采用基于圖論的三維分布式模型，預測具有不同流路換熱器的性能。Liu 建立的模型與實驗值的大偏差為±10%。在Liu 的模型中，沿長，寬，高三個方向將換熱器分割成若干個控制體。控制體包含了制冷劑，空氣和翅片換熱器三個部分。制冷劑與空氣的控制能量方程與動量方程如式（7）~（11）所示。
式中，Ai 是制冷劑側換熱面積；Ao 是空氣側換熱面積；Ga,max 是小流通面積處的空氣流率； fa 是空氣摩擦系數；σ 是流通積的收縮比；Qfront, Qback, Qtop和Qbottom 分別是從前排，后排，上列和下列翅片的傳熱量。
本文對換熱系數和壓降預測關聯式的選取如表1所示。
優化采用基于知識的優化方法（KBEM）用于優化換熱器。它包括兩個部分：改進遺傳算法（IGA）和基于知識的優化模塊（KOM）。KBEM 中的IGA 是傳統遺傳算法的改進版，IGA 可以得到初解并控制整個優化過程。采用基于知識的搜尋方法可以減少研究范圍，進而并可以提高優化效率。
三：設計案例
本章節將會采用前一章提出的設計方法來設計采用5 mm 管翅片管換熱器的空調器。空調器的實驗結果將與設計結果進行對比驗證。
在此案例中，室內機換熱器采用了5 mm 管翅片換熱器。室外機換熱器采用具有更大翅片間距的7 mm 管翅片換熱器，以防止熱泵工況時結霜導致的換熱性能惡化。
1、翅片結構設計結果
步驟1：確定優翅片高寬比Pt/Pl
設計Pt/Pl 時，CFD 計算的邊界條件設置如下：進口空氣溫度為300K，管壁溫度為280K。其他邊界條件同前一章。由圖4 所示的CFD 結果，可知優Pt/Pl 比值為1.23，此時翅片效率高。
步驟2：優化Pt和Pl
在翅片尺寸設計中，5 mm管翅片的UA應大于7 mm管翅片，5 mm管翅片換熱器的ΔP應小于7 mm管翅片換熱器。根據上述設計原則，翅片的性價比、傳熱效率和空氣壓降隨Pt的變化趨勢見圖5（a）~（c）。由結果可得：當Pt為18 mm時，w值較大，且滿足UA和ΔP的約束條件。根據優Pt/Pl值，可得到優翅片尺寸為18×14.7 mm。
步驟3：優化翅片開縫結構
根據所確定的優翅片尺寸，利用CFD方法計算開3條縫的窗片和開4條縫的窗片的性能。圖6為具有不同開縫數的翅片表面空氣溫度分布圖。換熱量及空氣壓降的計算結果見表2。由計算結果可知：由于開縫數的增加導致縫高的降低，4條縫窗片具有更高的換熱量，和更低的空氣壓降。
翅片管是為了提高換熱效率，通常在換熱管的表面通過加翅片，增大換熱管的外表面積（或內表面積），從而達到提高換熱效率的目的，這樣一種換熱管。冷凝器是空調系統的機件，能將管子中的熱量，以很快的方式，傳到管子附近的空氣，大部分的汽車置于水箱前方。
把氣體或蒸氣轉變成液體的裝置。發電廠要用許多冷凝器使渦輪機排出的蒸氣得到冷凝；在冷凍廠中用冷凝器來冷凝氨和氟利昂之類的致冷蒸氣。石油化學工業中用冷凝器使烴類及其他化學蒸氣冷凝。在蒸餾過程中，把蒸氣轉變成液態的裝置稱為冷凝器。所有的冷凝器都是把氣體或蒸氣的熱量帶走而運轉的。
1、常見冷凝器類型與特點
冷凝器又稱“液化器”，是使蒸氣在其中放出熱量而液化的換熱器。根據冷卻介質和冷卻方式的不同，冷凝器可分為水冷式、空冷式、蒸發式三種類型。
1）水冷式冷凝器
水冷式冷凝器是以水作為冷卻介質，靠水的溫升帶走冷凝熱量。水冷式冷凝器具有傳熱效率高、結構緊湊的特點。目前，由于水資源短缺，水冷式冷凝器中使用的冷卻水普遍循環使用，其主要缺點是需要設置專門的冷卻水循環系統，初投資高，水處理費用大。常用的水冷式冷凝器有臥式殼管式、立式殼管式和套管式等型式。
在大中型空調制冷裝置及工業制冷中一般均采用水冷式冷凝器，其中又以殼管式冷凝器常用。在殼管式冷凝器中，制冷劑通常在管外冷凝，水在管內流動。目前使用的殼管式冷凝器有光管管束與滾壓低翅片管（即螺旋管）兩種。一般，氨用臥式殼管式冷凝器多采用光管管束，氟里昂冷凝器多采用滾壓低翅片管。
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在翅片管和熱管設計的時候，一般翅片管側的換熱和流動是被關注的重點，甚至傳熱系數的計算和取值也主要依賴于翅片側的換熱。這容易造成一種錯覺：管內的流動和換熱似乎是不怎么重要了，似乎在設計中可以不用考慮了。
事實上，這是不對的。我們既要考慮管內的流動和換熱，還要保證管內的流體具有足夠高的換熱系數和合理的流動條件。我們要從如下問題來考慮。
一、翅片管的放置形式
是立放，橫向，還是傾斜放置。如下圖所示，因為只有清楚管子的放置形式才有利于看清楚理解不同情況下管內的相變過程。
二、管內流體管程的考慮
對單相流體（如水），一般應保證管內平均流速在1m/s左右，要通過合理的管程布置來調節管內的流速，所謂管程是指管內流體在換熱器中走幾個來回，管程數目越多，則每個管程“分攤”的管子數目越少，則管內流速就越高。如上面的附圖所示，從水入口到水出口，水在管內走了六個來回，即管程數目為6。
每一個管程對應一排翅片管。對于管內流量特別小的場合，甚至可以做到每1支管或兩支管作為一個管程；對于管內流量特別巨大的場合，可以選擇1排或幾排管作為一個管程。應當注意，對于管內為相變換熱（蒸發或凝結）的場合，一般只取一個管程就可以了。
三、關于翅片管束的分組處理
關于翅片管束的分組處理，我們需要多方考慮。
分組布置的好處在于：
* 可使箱體分段加工，便于安裝和運輸；
* 可以安裝吹灰孔和吹灰器；* 便于管束的檢修和更換；
例如：若后幾排管有露點腐蝕的風險，則應將其單獨設為一組，便于拆檢和更換。
如果在煙氣的流動方向上，我們就該這樣來進行設計處理，如下圖所示：
四、小結
作為階段小結，下面提出設計的幾點經驗，供參考：
（1）翅片管換熱器和其他型式的換熱器一樣，設計的成功與否，50%（甚至更高）取決于經驗，而經驗是在工程項目設計實踐中獲得的。如果參與了10項以上的工程設計，算作稍有經驗；參與了20項以上的工程設計，可稱作比較有經驗，而如果參與過30項以上的設計，則可認為是相當有經驗了。
（2）成功的經驗和不怎么成功的經驗同等重要，若發現設備運行后，實測熱負荷遠遠偏離設計值，就算不怎么成功，要分析原因；若發現翅片管管子的積灰，腐蝕嚴重，或出現其他沒有預料到的情況，雖然能運行，也算不怎么成功，也應從設計上找原因；若出現問題，則屬于失敗的設計，因為“”具有一票否決權，更要仔細地調查分析發生的原因。
（3）為了做到設計的成功，或不出現大的失誤，重要的莫過于設計前的現場調查和取證。尤其是翅片管多作為余熱回收設備應用，是在主設備上“附加”的節能設備，所以，地掌握主設備的運行情況和現場的環境是至關重要的。
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