管翅式的换热器管路布置优化设计的数值研究

[ 字号: ] [ 关闭 ] 2008-11-30 15:55:56 来自网络 作者:admin 浏览次数: 发表评论

关键词:换热器

管翅式换热器在制冷、空调、化工以及工业废气冷热处理、压缩机中间冷却等工程领域中有着广泛的应用。换热器研制过程要考虑两方面的问题[1]:一是热交换器中传热过程的强化,二是整体性能要求的提高。对于多流路的翅片管换热器,制冷剂经过分配流入换热器的不同流路,在各流路中换热的均匀性对提高换热器的整体性能有很大的影响。因此,对多流路换热器中制冷剂的流路布置进行优化,使各流路换热均匀是提高换热器整体性能的一个重要措施。目前对流路的设计,还主要停留在实验尝试阶段,每一种新的流路设计方案的开发,都需要经过样机的实验测试,延长了研发周期,增加了研发成本[2]。

    本文针对一种常用的双流路管翅式换热器,采用分布参数法模型,通过数值模拟的方法,在空气及制冷剂不同进口条件下,分析了其换热性能;并对管路布置进行了优化分析,说明了在双流程管翅式换热器中,存在一个最佳流程管径比。

    1 物理模型

     图 1(a)为所研究的管翅式换热器的外观结构示意图,图 1(b)为空气及制冷剂的流程示意图,从图(b)中可以清楚地看到,经膨胀阀出口的制冷剂分成 a、b 两个流路进入蒸发器,在管内蜿蜒流动换热。空气吹过管外翅片构成的狭缝通道,流动方向与制冷剂的流动方向垂直。换热器的结构尺寸参见表1。

                  

      该管翅式换热器沿着空气流动方向是双流路布置(a 和 b 两个流路),在该布置条件下,由于 a 流路空气的进口温度较高,空气和制冷剂间的温差较大,使流路 a 的换热效果明显比流路 b 好。因此,如果两流路的管径一致,制冷剂流量在 a、b 两个流路平均分配,那么很有可能是 b 流路出口尚处于两相区,而 a 流路出口已经达到了过热,从而使得两个流路的换热不均匀,恶化了换热器的整体换热性能。而且,在相同的制冷剂质量流量下,制冷剂在过热区流动的压降比两相区要大,因此,如果在 a流路出现过热的情况下,a 流路制冷剂的压降肯定比 b 流路大。为了满足换热器在稳定工况下,不同流路制冷剂进出口压力一致的要求,a 流路中的制冷剂分配量必须小于 b 流路,而这样的流量分配又会更进一步恶化换热器的换热性能。

      本文的优化设计思想是:通过减小流路 b 的管径,使得制冷剂在流路 a 中的分配量大于在流路 b中的分配,从而使换热器两个流路的换热均匀,换热性能得到优化;同时由于流路 b 的管径较小,可以保证其在较小的流量下仍然具有同流路 a 相同的压降,满足不同流路制冷剂进出口压力一致的要求。但是,随着流路 b 的管径进一步减小,主要的制冷剂流量都分配到了流路 a,这样会出现流路 a 的出口仍在两相区,而流路 b 的出口已经过热,再次出现换热不均匀现象,使换热性能恶化,因此,两流路管径之间存在一个最佳比值,在该比值下换热器可以达到最佳的换热性能。本文对该优化方案进行数值验证。

                  

    2 数学模型

    2.1控制方程

   对换热器使用分布参数法模型,采用热力学分析的方法,将计算过程转化为在划分的计算单元内求解传热方程和热平衡方程,并补充求解经验关联式,从而得到换热器的性能参数。取计算单元如图2 所示。

                 

        在编写数值模拟程序时做了如下假设:

    (1)每个单元当作一个独立换热器处理;

    (2)忽略管壁热阻;

    (3)忽略空气中水蒸气凝结的影响,换热器表面当成干表面处理。

    基于上述假设,对于一个给定的换热单元,可以得到如下控制方程。

    空气侧能量平衡方程

                 

     在上述控制方程的基础上,结合空气及制冷剂进口边界条件(通常采用直接给定入口温度及其他相关物性参数的第一类边界条件),即可开展换热器性能的模拟计算。然而要确定传热方程中的传热系数k 以及空气和制冷剂的出口压力,需要预先知道空气及制冷剂侧的换热和阻力系数,因此需要选定相关的实验关联式。

    2.2  换热及压降关联式

    2.2.1 空气侧

    对管翅式换热器 Wang[3]曾经做过大量的实验研究,并得出了具有较高预测精度的换热及压降实验关联式,本文选用 Wang 关联式

                 

    2.2.2 制冷剂侧

    制冷剂在蒸发器内的换热伴随着相变过程,因此在制冷剂侧的换热和流动分成两相区与过热区两个区域。

    对于过热区,采用 Dittus-Boelter[5]换热关联式来计算换热系数

                 

                  

     关联式的具体说明可参见相关参考文献,这里为了内容简洁,将不作详细描述。

    3 模拟结果及讨论

    作者自主开发了换热器的数值模拟程序,对换热器在不同的空气及制冷剂进口状态下的工作性能进行预测,同时也可以为换热器的优化设计提供数值验证。为了验证数学模型及模拟程序的可靠性,本文先对管带式换热器进行了模拟计算,并将模拟0结果同实验结果进行了对比,如图3所示。从图3中可以看出模拟结果同实验结果符合良好,换热量的最大偏差小于 8%,压降的最大偏差小于 7%。经过分析可以发现,模拟的偏差主要是由于实验关联式本身的偏差引起的,现有的实验关联式的偏差通常都在±10%左右。

     下面对本文研究的管翅式换热器进行模拟分析,计算的额定工况如表 2 所示。在计算过程中,每次只改变其中一个参数,分析在该参数变化条件下,换热器两流程的不同管径比对换热性能的影响。同时为了便于说明,约定d2代表流路b的铜管管径,而d1代表流路a的铜管管径。

               

                

     图4是在不同空气流量下,换热器的换热和阻力性能曲线。在图 4(a)中,换热器的换热量随着空气流量的增加而增加,开始时增加较大,然后增加趋势减小。这主要是因为换热器的迎风面积不变,空气流速随着流量的增加而增加,而随着流速增加空气侧的换热系数也在逐渐增加,但增加趋势逐渐减缓。在不同的空气流量下都存在一个最佳的两流程管径比 d2/d1=0.8,可以使空气流量在 200 m3·h-1、228.38 m3·h-1、250 m3·h-1这3 种工况下的换热器的换热性能分别比相同管径下提高 10%、11%和 7%。同时从图 4(b)可以看到空气流量的增加,加快了空气流速,使空气侧的压降也在增加,而且压降还随着管径比的增加而增加,在最佳管径比 0.8 的条件下,空气阻力比相同管径下小 2%。

                  

      图 5 是不同空气进口温度下,换热器的换热性能曲线,由于空气的进口温度对空气侧压降的影响较小,这里不再讨论压降的变化关系。空气的进口温度越高,空气和制冷剂之间的换热温差就越大,换热器的换热效果也越好,因此,换热器的换热性能随空气进口温度的增加而增加。而且在不同空气进口温度下,同样有一个最佳的管径比在 0.8 左右,在该最佳管径比下可以使空气进口温度为 25℃、27℃、29 ℃,3 种工况的换热性能分别提高 8%、11%和 7%。

     图 6是不同制冷剂进口温度(蒸发温度)条件下换热器的换热器性能随管径比的变化关系。随着蒸发温度的提高,一方面空气和制冷剂之间的温差减小,另一方面制冷剂的潜热换热量也减小,因此造成换热器换热性能随蒸发温度的升高而降低。在不同制冷剂进口温度下,同样存在一个最佳管径比,而且最佳管径比同样在 0.8 左右,可以使蒸发温度分别在 1 ℃、3 ℃、5 ℃,3 种制冷剂进口温度下的换热性能比相同管径条件下分别提高 7%、11%和 9%。

     图 7 是在制冷剂不同进口干度条件下,换热器换热性能曲线。随着制冷剂进口干度的增加,制冷剂的潜热换热量减小,换热器换热性能也逐渐减小。在不同制冷剂进口干度条件下,仍然存在最佳管径比 0.8,使得换热性能在 0.2、0.246、0.3,3 种制冷剂不同进口干度下,比相同管径分别提高 9%、11%和 7%。

                

                

      图8是制冷剂不同质量流量下的换热器性能曲线。随着制冷剂流量的增加,制冷剂的流速及潜热换热量都在增加,因此换热器换热性能随着制冷剂的质量流量的增加而增加。在不同的质量流量下,换热性能同样随管径比的增加,先增加再减小,存在一个最佳管径比为 0.8。在该最佳值条件下,对应制冷剂流量为 0.46 kg·m-1、0.5 kg·m-1、0.55 kg·m-1, 3 种工况换热性能比相同管径分别提高 11%,9%和6%。

   通过以上的计算分析,可以看出在不同的制冷剂及空气进口条件下,对换热器的换热性能来说,都存在一个最佳管径比,因此证明本文先前提出的优化设计思路及设计方案的正确性。

                 

    4 结 论

    针对一种双流路布置的管翅式换热器,采用分布参数法模型,开发了数值计算程序,并对换热器在不同工况下的工作性能进行了分析。提出了改变不同流路管径比的管路布置优化方案,并从数值计算的角度给出了验证,得到结论如下。

    (1)换热器的换热性能随着空气流量、空气进口温度、制冷剂流量的增加而增加;随着蒸发温度、制冷剂进口干度的增加而减小。

    (2)在各种工况下,都存在最佳流路管径比,本文计算得到的最佳管径比在 0.8 左右,在该管径比下可以使换热器的换热性能比相同管径下提高6%~11%,同时空气侧的阻力减小 2%。

    (3)对于多流程换热器,应当适当调整制冷剂在各流程间的流量分配,尽可能使得各流程换热均匀。而改变不同流程的管径比,可以有效地调整制冷剂在各流程间的分配,从而使换热器的整体换热性能得到较好的优化。
 



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