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翅片管換熱器廣泛應(yīng)用于家庭、商業(yè)和工業(yè)制冷空調(diào)系統(tǒng)中。采用翅片管換熱器作為蒸發(fā)器和冷凝器的空調(diào)系統(tǒng)，使用一定年限后翅片表面會(huì)形成灰塵和微生物等空氣側(cè)污垢，影響蒸發(fā)器的性能。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究微生物污垢對(duì)翅片管換熱器換熱和壓降特性的影響。為了減少親水層脫落與接觸熱阻的影響，實(shí)驗(yàn)中使用全新的換熱器。為了加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，采用人工加速培養(yǎng)微生物生長(zhǎng)的方法模擬翅片表面生長(zhǎng)微生物污垢。
1)、軋制成型翅片管（extruded fin tube）；
2)、焊接成型翅片管（高頻焊翅片管、埋弧焊翅片管）；
3)、滾壓成型翅片管；
4)、套裝成型翅片管；
5)、鑄造翅片管；
6)、張力纏繞翅片管；
7)、鑲片管。
換熱器按照其工作原理可分為間壁式、混合式和蓄熱式三類(lèi)。
間壁式換熱器,熱流體和冷流體間有一固體壁面,兩種流體被固體壁面隔開(kāi),彼此不接觸,熱量的傳遞必須通過(guò)壁面。
混合式換熱器依靠冷、熱流體的直接接觸而進(jìn)行換熱,換熱后理論上應(yīng)變成同溫同壓的混合介質(zhì)流出。
蓄熱式換熱器則依靠固體填充物組成的蓄熱體傳遞熱量,冷熱流體依次交替的流過(guò)由蓄熱體組成的流道。當(dāng)熱流體流過(guò)時(shí),把熱量?jī)?chǔ)存于蓄熱體中,其溫度逐漸升高,而當(dāng)冷流體流過(guò)時(shí),蓄熱體因放出熱量溫度逐漸降低,如此反復(fù)進(jìn)行。
下面我們主要談的是間壁式換熱器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行熱力對(duì)比計(jì)算。
提高換熱器換熱性能的途徑
傳熱方程是Q = KAΔt，很多研究者研究的主題方向是提高傳熱系數(shù)K。對(duì)強(qiáng)制循環(huán)空氣冷卻器,采取有效措施降低空氣側(cè)的傳熱熱阻或在制冷劑側(cè)采用選擇供液方式,控制供液量,或采用傳熱管可明顯提高傳熱系數(shù)。另外提高流體的流速可以增大傳熱系數(shù),但流動(dòng)阻力也相應(yīng)增大,因此通過(guò)增大流體的流速以增強(qiáng)傳熱系數(shù)K 有一定的限度。此外增強(qiáng)傳熱可通過(guò)增加傳熱面積實(shí)現(xiàn),但增加傳熱面積不應(yīng)靠加大整體設(shè)備的尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn),而應(yīng)從設(shè)備的自身結(jié)構(gòu)來(lái)考慮。
增加傳熱面積總體上分為兩種途徑:管外表面的擴(kuò)大和管內(nèi)表面積的擴(kuò)大。
目前管外表面積的增加主要是在管外加翅片或擴(kuò)展表面即肋化表面,它是通過(guò)附加肋片擴(kuò)大傳熱面積來(lái)減少對(duì)流換熱熱阻,從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。
可通過(guò)下列途徑來(lái)增大設(shè)備單位體積的有效傳熱面積:
①傳遞面采用擴(kuò)展面,如在對(duì)流傳熱系數(shù)較小一側(cè)的熱傳遞表面上附加翅片、筋片、銷(xiāo)釘?shù)?
②增大原有熱傳遞表面,如將表面處理成憎水性覆蓋層、多孔性覆蓋層、雙波紋狀管等
③在換熱器中管子的強(qiáng)化方面主要是異型管的開(kāi)發(fā),從而達(dá)到增加傳熱面積的目的。異型管的種類(lèi)包括螺旋槽紋管、橫紋槽管、縮放管、波節(jié)管、旋流管、粗糙表面管、螺旋扁管。
強(qiáng)化換熱器換熱的方法及熱力計(jì)算
通過(guò)對(duì)翅片管式換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化設(shè)計(jì),然后對(duì)其換熱性能與改進(jìn)前換熱器進(jìn)行對(duì)比計(jì)算,結(jié)果是改進(jìn)后的換熱器的傳熱系數(shù)得到了提高。
一、調(diào)整換熱器的翅片間距,設(shè)計(jì)成為變翅片間距。
1、設(shè)計(jì)原理
本方法適用于將該換熱器用于低溫制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)器(在0 ℃及其以下條件工作時(shí),翅片盤(pán)管外表面溫度等于或低于濕空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，由于在低溫工況下工作的蒸發(fā)器表面存在結(jié)霜問(wèn)題,且蒸發(fā)器前幾排管子的結(jié)霜較嚴(yán)重,而后幾排管子的結(jié)霜相對(duì)較輕,因而可采用變間距的翅片設(shè)置,亦即沿風(fēng)向片距越來(lái)越小。霜開(kāi)始形成時(shí)表面粗糙度增大,引起傳熱面積增大,同時(shí)氣體流速也增大,從而導(dǎo)致在結(jié)霜初期傳熱系數(shù)K 增大,但隨著霜層的不斷增厚傳熱熱阻增加,終導(dǎo)致傳熱系數(shù)K 減小,結(jié)霜對(duì)換熱器性能的影響表現(xiàn)在降低其傳熱系數(shù)和增大其阻力兩方面,合理的換熱器結(jié)構(gòu)應(yīng)同時(shí)減小這兩方面的影響。
當(dāng)氣流通過(guò)蒸發(fā)器時(shí),由于空氣中的水蒸氣不斷地在翅片管表面沉積,空氣由于除濕作用相對(duì)濕度降低,沿氣流方向翅片盤(pán)管表面結(jié)霜量是遞減的,如果采取變片距結(jié)構(gòu),可以在結(jié)霜條件下保持其較高的傳熱效率,并延長(zhǎng)其沖霜時(shí)間。當(dāng)蒸發(fā)器采用變翅片間距結(jié)構(gòu)時(shí),實(shí)際上已構(gòu)成了翅片的錯(cuò)列分布,當(dāng)空氣橫掠錯(cuò)列翅片時(shí),翅片的交錯(cuò)分布使得上游翅片對(duì)下游翅片有繞流作用,由于前面翅片的繞流,翅片的前半部分換熱加強(qiáng),后面的翅片的分布又使得流道變窄,流速提高,翅片后半部分的換熱也得到強(qiáng)化。
2、變翅片間距的結(jié)構(gòu)示意圖及對(duì)比計(jì)算
由于該改進(jìn)方案采用的是變翅片間距形式,在理論上可近似認(rèn)為是錯(cuò)列翅片,因此在分析中可借用錯(cuò)列翅片的理論。圖1 是所研究的流體縱掠錯(cuò)列翅片的一個(gè)二維模型,翅片間距為H ,厚度為t 。
由于該結(jié)構(gòu)形式實(shí)際為錯(cuò)列翅片,當(dāng)流體縱掠翅片時(shí),氣流在上游翅片先受到擾動(dòng),因此在前幾排管上的翅片換熱加強(qiáng),當(dāng)氣流流經(jīng)后幾排管子時(shí),由于流通截面迅速變窄,流速提高,使流體在原有的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步受到擠壓,擾動(dòng)更加劇烈,因此通過(guò)后加上的一組翅片,使換熱也得到了強(qiáng)化。
通過(guò)變翅片間距的結(jié)構(gòu)改進(jìn),冷風(fēng)機(jī)在外形尺寸即高度、寬度和管總長(zhǎng)度不變的前提下,在結(jié)霜工況下運(yùn)行時(shí)仍可保持較高的傳熱系數(shù),且采用變翅片間距結(jié)構(gòu)的冷風(fēng)機(jī)比等翅片間距結(jié)構(gòu)冷風(fēng)機(jī)的傳熱系數(shù)提高了9. 8 % ,且傳熱面積有所提高,通過(guò)提高傳熱系數(shù)和傳熱面積從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的(圖2) 。
對(duì)于翅片管式換熱器,其傳熱系數(shù)的計(jì)算采用下列公式。
式中: hi ,h0為管內(nèi)制冷劑和管外空氣側(cè)換熱系數(shù)(W/(m2·K) ) ; Fi, F0 為管內(nèi)、外面積( m2 ) ; β為管內(nèi)外面積比; ri , r0為管內(nèi)、外表面的污垢系數(shù)( (m2·K) / W) ;λ為管壁導(dǎo)熱率(W/ (m·K) ) ;η為肋化效率; di , d0為管子內(nèi)/ 外徑(m) 。對(duì)于制冷量Q0 =2. 67 kW 的制冷系統(tǒng),經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn),其熱力性能計(jì)算結(jié)果如表1 所示。
二、加強(qiáng)管內(nèi)流體流動(dòng),管內(nèi)壁加工變螺距內(nèi)螺紋。
銅管外表面光滑,內(nèi)表面有連續(xù)而細(xì)密的螺紋溝槽,稱(chēng)為內(nèi)螺紋管。因其增大了管材內(nèi)表面的散熱面積,使銅管的散熱系數(shù)增加率比光管提高了1. 5 倍。在不增大整體設(shè)備尺寸的前提下,增加其內(nèi)表面換熱面積,加強(qiáng)管內(nèi)流體的擾動(dòng),在原有換熱器的管內(nèi)壁上加工變螺距內(nèi)螺紋。
1、設(shè)計(jì)原理
當(dāng)管內(nèi)工質(zhì)換熱系數(shù)較大而管外工質(zhì)換熱系數(shù)較小時(shí),管外的對(duì)流傳熱熱阻將成為傳熱的主要阻力。采用擴(kuò)展表面,對(duì)于縮小換熱器體積,提高換熱器效率有很重要的作用。目前,已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了針狀翅片、波紋翅片、百葉窗翅片、三角形翅片、單面開(kāi)槽條形片、裂齒矩形翅片等。
管內(nèi)表面積的增大主要集中在異型管的開(kāi)發(fā)方面,綜觀各種不同形狀的強(qiáng)化管,其共同特點(diǎn)是在兼顧壓降的同時(shí),傳熱面積都有不同程度的增加,并通過(guò)兩種機(jī)理提高其傳熱系數(shù)進(jìn)行強(qiáng)化換熱。傳熱邊界層是限制傳熱系數(shù)提高的主要因素,它產(chǎn)生于靠近管壁的層流底層,并有一個(gè)逐漸增厚的過(guò)程。管壁的粗糙以及規(guī)則出現(xiàn)的溝槽、凸肋,會(huì)破壞貼壁層流狀態(tài),抑制邊界層的發(fā)展。同時(shí)溝槽和凸肋對(duì)流體的限流作用有助于邊界層的減薄,而繞流作用使流體產(chǎn)生軸向旋渦,可致使邊界層分離,流體主體徑向溫度梯度減小,有助于熱量傳遞的進(jìn)行。因此采用在已加工好的管壁內(nèi)部加工變螺距內(nèi)螺紋,不但可以擴(kuò)大管子的內(nèi)表面積,增加傳熱面積,并且由于管子不再是光管,內(nèi)部有螺紋所以?xún)?nèi)壁變得粗糙,可以破壞層流邊界層,使管內(nèi)的制冷劑的流態(tài)變成紊流,從而提高管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)。同時(shí),因?yàn)椴捎米兟菥?沿著流體流動(dòng)方向螺距從大變小,這樣可增強(qiáng)流體的擾動(dòng),強(qiáng)化流體的換熱系數(shù)。
2、變間距內(nèi)螺紋翅片管結(jié)構(gòu)示意圖及對(duì)比計(jì)算
對(duì)等間距內(nèi)螺紋翅片管換熱器管內(nèi)螺紋進(jìn)行改進(jìn),由于管內(nèi)有規(guī)則、連續(xù)的凸肋和凹槽發(fā)生改變,使之內(nèi)表面積比等間距增大8. 4 %,傳熱系數(shù)增大3. 82 %,管內(nèi)換熱系數(shù)也增加了4. 89 %。等間距與變間距內(nèi)螺紋管結(jié)構(gòu)示意圖如圖3、圖4 所示。
式中: f m為單位管長(zhǎng)管子平均面積(m2 ) ; f i為單位管長(zhǎng)管子內(nèi)面積(m2) ; f 2為單位管長(zhǎng)管子總外表面積(m2) ;αi為管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)(W/ (m2· K) ) ;αw 為管外對(duì)流換熱系數(shù)(W/ (m2· K) ) 。
對(duì)于汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng),當(dāng)負(fù)荷Q0 = 4 kW ,其熱力性能計(jì)算結(jié)果如表2 所示。
優(yōu)化設(shè)計(jì)方法包括兩部分：翅片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制冷劑流路設(shè)計(jì)。由于翅片尺寸決定了管間距，進(jìn)而影響制冷劑流路分配，因此應(yīng)首先設(shè)計(jì)翅片結(jié)構(gòu)，其次設(shè)計(jì)制冷劑流路。圖1 為優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖。1、翅片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在翅片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將采用CFD 方法對(duì)翅片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)主要分為如下5 個(gè)步驟：
步驟1：確定優(yōu)翅片高寬比Pt/Pl
在本文中，翅片優(yōu)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(shí)際的換熱量(Qactual,fin)與大可能達(dá)到的換熱量(Qideal,fin)之比，如式（1）所示。
Qactual,fin和Qideal,fin 由CFD 計(jì)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(diào)蒸發(fā)器工況。在實(shí)際翅片模型中，翅片與管壁耦合；在理想翅片模型中，設(shè)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(jù)CFD 計(jì)算結(jié)果，可以得到具有高翅片效率的翅片優(yōu)高寬比Pt/Pl。
步驟2：優(yōu)化Pt 和Pl
在制冷工況下，蒸發(fā)器表面會(huì)形成一層冷凝液膜。當(dāng)析濕較為嚴(yán)重時(shí)，窗片和橋片都會(huì)被這層液膜堵塞，導(dǎo)致其幾何結(jié)構(gòu)類(lèi)似于平片。因此，在設(shè)計(jì)中采用了平片的關(guān)聯(lián)式來(lái)確定翅片尺寸。
設(shè)計(jì)中，設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)以及約束條件函數(shù)見(jiàn)式（2）~（4）。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)用來(lái)分析性?xún)r(jià)比，見(jiàn)式（2）。式（3）~（4）為約束條件，即：小管徑換熱器的換熱性能（UA）應(yīng)等于或大于規(guī)定值；空氣側(cè)壓降應(yīng)等于或者小于規(guī)定值。
步驟3：優(yōu)化翅片開(kāi)縫結(jié)構(gòu)
在翅片開(kāi)縫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，由于沒(méi)有適用于小管徑翅片換熱器的性能預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式，因此本研究采用CFD 方法來(lái)模擬換熱器的換熱量和空氣壓降，從而確定優(yōu)開(kāi)縫結(jié)構(gòu)。
在窗片的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)中，開(kāi)縫角度和開(kāi)縫數(shù)是自變量，縫高與縫寬可根據(jù)兩個(gè)自變量確定。因此，只需對(duì)窗片開(kāi)縫角度θ 和開(kāi)縫條數(shù)n 這兩個(gè)自變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在橋片的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)中，縫高為翅片間距的一半，縫寬由開(kāi)縫數(shù)確定。因此，對(duì)橋片開(kāi)縫翅片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，只需對(duì)開(kāi)縫條數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于CFD 計(jì)算結(jié)果，可確定具有較高換熱量和較低空氣壓降的翅片開(kāi)縫結(jié)構(gòu)。
步驟4：換熱器性能測(cè)試
小管徑換熱器性能的測(cè)試系統(tǒng)如圖2 所示。實(shí)驗(yàn)中的測(cè)試工況根據(jù)房間空調(diào)器標(biāo)準(zhǔn)確定。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用多重線性回歸方法開(kāi)發(fā)了小管徑換熱器性能的預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式，并將其應(yīng)用于制冷劑流路設(shè)計(jì)的仿真程序中。
2、制冷劑流路設(shè)計(jì)
在制冷劑流路設(shè)計(jì)中，采用基于仿真的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖3 為基于仿真的制冷劑流路設(shè)計(jì)方法流程圖。設(shè)計(jì)中首先根據(jù)換熱器尺寸確定換熱器的預(yù)選結(jié)構(gòu)，并根據(jù)換熱器性能及成本調(diào)整管路結(jié)構(gòu)，然后計(jì)算調(diào)整后換熱器的性能，以確定下一步結(jié)構(gòu)的調(diào)整方向，終確定換熱器管路結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)中采用基于知識(shí)的多目標(biāo)優(yōu)化方法，控制優(yōu)化過(guò)程，得到優(yōu)化結(jié)果。
本文采用基于圖論的三維分布式模型，預(yù)測(cè)具有不同流路換熱器的性能。Liu 建立的模型與實(shí)驗(yàn)值的大偏差為±10%。在Liu 的模型中，沿長(zhǎng)，寬，高三個(gè)方向?qū)Q熱器分割成若干個(gè)控制體。控制體包含了制冷劑，空氣和翅片換熱器三個(gè)部分。制冷劑與空氣的控制能量方程與動(dòng)量方程如式（7）~（11）所示。
式中，Ai 是制冷劑側(cè)換熱面積；Ao 是空氣側(cè)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(shù)；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(duì)換熱系數(shù)和壓降預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式的選取如表1所示。
優(yōu)化采用基于知識(shí)的優(yōu)化方法（KBEM）用于優(yōu)化換熱器。它包括兩個(gè)部分：改進(jìn)遺傳算法（IGA）和基于知識(shí)的優(yōu)化模塊（KOM）。KBEM 中的IGA 是傳統(tǒng)遺傳算法的改進(jìn)版，IGA 可以得到初解并控制整個(gè)優(yōu)化過(guò)程。采用基于知識(shí)的搜尋方法可以減少研究范圍，進(jìn)而并可以提高優(yōu)化效率。
三：設(shè)計(jì)案例
本章節(jié)將會(huì)采用前一章提出的設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)采用5 mm 管翅片管換熱器的空調(diào)器。空調(diào)器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將與設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。
在此案例中，室內(nèi)機(jī)換熱器采用了5 mm 管翅片換熱器。室外機(jī)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(shí)結(jié)霜導(dǎo)致的換熱性能惡化。
1、翅片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果
步驟1：確定優(yōu)翅片高寬比Pt/Pl
設(shè)計(jì)Pt/Pl 時(shí)，CFD 計(jì)算的邊界條件設(shè)置如下：進(jìn)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(jié)果，可知優(yōu)Pt/Pl 比值為1.23，此時(shí)翅片效率高。
步驟2：優(yōu)化Pt和Pl
在翅片尺寸設(shè)計(jì)中，5 mm管翅片的UA應(yīng)大于7 mm管翅片，5 mm管翅片換熱器的ΔP應(yīng)小于7 mm管翅片換熱器。根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則，翅片的性?xún)r(jià)比、傳熱效率和空氣壓降隨Pt的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5（a）~（c）。由結(jié)果可得：當(dāng)Pt為18 mm時(shí)，w值較大，且滿足UA和ΔP的約束條件。根據(jù)優(yōu)Pt/Pl值，可得到優(yōu)翅片尺寸為18×14.7 mm。
步驟3：優(yōu)化翅片開(kāi)縫結(jié)構(gòu)
根據(jù)所確定的優(yōu)翅片尺寸，利用CFD方法計(jì)算開(kāi)3條縫的窗片和開(kāi)4條縫的窗片的性能。圖6為具有不同開(kāi)縫數(shù)的翅片表面空氣溫度分布圖。換熱量及空氣壓降的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。由計(jì)算結(jié)果可知：由于開(kāi)縫數(shù)的增加導(dǎo)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。
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