直接蒸發(fā)式空氣冷卻器設(shè)計(jì)的優(yōu)化

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摘要：本文對直接蒸發(fā)式空氣冷卻器的換熱特性進(jìn)行了分析，采用計(jì)算機(jī)編程模擬了直接蒸發(fā)式空氣冷卻器的一些性能，為制冷系統(tǒng)的優(yōu)化提供參考。關(guān)鍵詞：接蒸發(fā)式空氣冷卻器流速壓降優(yōu)化分段分析法直接蒸發(fā)式空氣冷卻器選用合適的風(fēng)速和制冷劑質(zhì)量流速對于其換熱性能及能耗有重要的影響。本文利用計(jì)算機(jī)采用分段分析法模擬了直接蒸發(fā)式空氣冷卻器的一些性能，為制冷系統(tǒng)的優(yōu)化提供參考。1直接蒸發(fā)式空氣冷卻器的結(jié)構(gòu)空氣冷卻器的表面式蒸發(fā)器都采用翅片管式。氟利昂翅片管式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)常用紫銅管外套鋁片制成。銅管直徑由至，鋁片厚。在以上工作的蒸發(fā)器翅片節(jié)距在之間，并采用整套片式?？照{(diào)用空冷器由于傳熱系數(shù)高，因而排數(shù)少，一般不超過6排。2直接蒸發(fā)式空氣冷卻器的傳熱過程空冷器中的傳熱過程包括：管內(nèi)制冷劑的流動(dòng)沸騰換熱；通過金屬壁、垢層的導(dǎo)熱過程；管外空氣的放熱過程（對流換熱）。2.1制冷劑側(cè)的換熱制冷劑側(cè)沸騰換熱采用分段分析法，即按照干度來分段計(jì)算。每一段的制冷劑側(cè)的沸騰換熱系數(shù)的求法按照文獻(xiàn)[2]推薦的公式計(jì)算。2.2空氣橫向掠過肋管管束時(shí)的換熱空氣橫向掠過肋管管束時(shí)的換熱系數(shù)的計(jì)算按照文獻(xiàn)[3]中提供的公式計(jì)算。這里就不做重復(fù)了。2.3通過管壁與垢層的附加熱阻管壁熱阻為（），對于銅管，由于其導(dǎo)熱系數(shù)很高，該項(xiàng)熱阻可以不計(jì)。但對于鋼管則應(yīng)予以考慮，本論文的設(shè)計(jì)程序中取為。油膜熱阻的考慮，若為氟里昂制冷劑，一般控制含油濃度，設(shè)計(jì)時(shí)可以不考慮。直接蒸發(fā)式空氣冷卻器肋管外表面積灰等造成的附加熱阻，計(jì)算時(shí)一般取0.0003～0.0001。3采用分段分析法對直接蒸發(fā)式空氣冷卻器計(jì)算機(jī)模擬的計(jì)算步驟在這里，我們只給出制冷劑為純質(zhì)時(shí)的直接蒸發(fā)式空氣冷卻器計(jì)算機(jī)模擬的計(jì)算步驟：1）輸入已知蒸發(fā)器入口制冷劑參數(shù)，蒸發(fā)壓力或蒸發(fā)溫度，并求入口焓；2）輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)及物性參數(shù)：結(jié)構(gòu)參數(shù)中需給出基管外徑，壁厚，肋片厚度，肋片節(jié)距，排列方式，管中心距；物性參數(shù)中需給出空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，動(dòng)力粘性系數(shù)，密度，比熱，空氣的進(jìn)口狀態(tài)參數(shù)，空氣的出口狀態(tài)參數(shù)和冷卻空氣量，并調(diào)用濕空氣的熱物性計(jì)算程序來計(jì)算空氣進(jìn)出口的其余參數(shù)；3）計(jì)算空氣側(cè)換熱系數(shù)，初步確定沿氣流方向的管子排深數(shù)；4）確定制冷劑循環(huán)量及每排并聯(lián)的肋管根數(shù)；5）根據(jù)干度分段，，分為段；6）計(jì)算局部微元段換熱量；7）假設(shè)局部微元段長度，可求局部微元面積；8）局部微元段熱流密度（以管內(nèi)表面積為基準(zhǔn)），是計(jì)算制冷劑側(cè)換熱系數(shù)的必需已知量；9）調(diào)用制冷劑側(cè)換熱系數(shù)計(jì)算程序，算；10）計(jì)算局部傳熱系數(shù)（以管內(nèi)表面積為基準(zhǔn)）其中為肋化系數(shù)，為空氣側(cè)垢阻，為空氣側(cè)的當(dāng)量換熱系數(shù)；11）計(jì)算局部微元段熱流密度；12）與比較，調(diào)整；13）計(jì)算該干度段的壓降，下一干度段的壓力為，返回6），進(jìn)行下一干度段的計(jì)算；14）每個(gè)通路肋管總長；15）計(jì)算蒸發(fā)器的長寬高。4直接蒸發(fā)式空氣冷卻器設(shè)計(jì)的優(yōu)化隨著現(xiàn)代科技和生產(chǎn)的發(fā)展，人們在設(shè)計(jì)一個(gè)工程系統(tǒng)時(shí)，總是希望得到一個(gè)最優(yōu)的方案。所謂最優(yōu)，往往表現(xiàn)為投資最少，利潤最大，時(shí)間最省，產(chǎn)量最高，運(yùn)行費(fèi)最省等等。從數(shù)學(xué)的角度看，最優(yōu)化的問題實(shí)質(zhì)就是求最大最小的問題。從優(yōu)化的對象看，我們在這里進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化，即通過優(yōu)化制冷裝置的參數(shù)來節(jié)能。因此，制冷裝置設(shè)計(jì)的優(yōu)化問題，就是確定一組設(shè)備結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)的最優(yōu)值。我們在這里選用作為性能指標(biāo)，其中，為空氣側(cè)耗功，為制冷劑側(cè)耗功。選用風(fēng)速和制冷劑質(zhì)量流速作為獨(dú)立變量。以下我們將要討論這兩個(gè)獨(dú)立變量對性能指標(biāo)的影響，以及其最佳取值。4.1蒸發(fā)器中制冷劑的質(zhì)量流速與壓力降問題制冷劑在管內(nèi)蒸發(fā)時(shí)，管內(nèi)制冷劑的質(zhì)量流速越大，管內(nèi)沸騰換熱系數(shù)越高，然而流速的加大又將引起管內(nèi)制冷劑的壓力降增大，所以對每一種情況，必然存在一個(gè)最優(yōu)值。4.1.1沿程壓降公式Jung等人（1989，1993）【4】針對R22，R114，R12，R152a等工質(zhì)及其混合物在水平管內(nèi)受迫對流沸騰時(shí)的壓降實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與以往的知名公式作了比較，并擬合出更符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的壓降公式。（1）其中本公式適用于純質(zhì)和混合物。4.1.2局部壓降公式局部壓降公式我們采用文獻(xiàn)【3】推薦的公式：（2）其中為每個(gè)通路的彎頭數(shù)；為彎頭的局部阻力系數(shù)，無油時(shí)約等于0.8~1.0；為彎頭的摩擦阻力系數(shù)，無油時(shí)，此處是彎曲半徑；為制冷劑的平均比容，單位為；為制冷劑質(zhì)量流速，單位為4.1.3制冷劑最佳質(zhì)量流速的選擇制冷劑最佳質(zhì)量流速處在使最大的時(shí)候，其中，為制冷劑通過蒸發(fā)器時(shí)的壓降，為制冷劑的體積流量。經(jīng)比較，作者推薦的取值范圍為，具體取值請通過程序參照下面的例子選擇。此取值對實(shí)驗(yàn)起指導(dǎo)作用，實(shí)驗(yàn)用值還需根據(jù)具體情況由實(shí)驗(yàn)確定。比較舉例：R22在、、時(shí)表1制冷劑側(cè)最佳流速的選擇801.44901.476941.486952.131002.091102.021201.94由上表可知，此時(shí)的最佳值為4.2考慮壓降和不考慮壓降的比較作者在這里只比較一下R22和R134a考慮壓降和不考慮壓降情況下設(shè)計(jì)出的蒸發(fā)器尺寸值。表2R22考慮壓降和不考慮壓降的比較R22蒸發(fā)溫度被冷卻空氣進(jìn)出口溫度（℃）蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)考慮壓降H1.081.110.923～12B10.9951.181L0.1560.1560.156壓降（kpa）2.782.02.2溫降（℃）0.120.080.09不考慮壓降H1.081.110.9B1.0.99741.184L0.1560.1560.156面積變化00.24%0.25%制冷熱負(fù)荷（w）705706200050460表3R134a考慮壓降和不考慮壓降的比較R134a蒸發(fā)溫度被冷卻空氣進(jìn)出口溫度（℃）蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)考慮壓降H1.111.170.9623～12B10.9761.15L0.1560.1560.156壓降（kpa）3.862.582.74溫降（℃）0.250.160.17不考慮壓降H1.111.170.96B1.010.981.155L0.1560.1560.156面積變化1%0.410.43%制冷熱負(fù)荷（w）705706200050460由以上比較可以看出，考慮壓降比不考慮壓降設(shè)計(jì)出的蒸發(fā)器尺寸稍微小一點(diǎn)，這主要是因?yàn)殡S壓力降低，蒸發(fā)溫度降低。但考慮壓降和不考慮壓降情況設(shè)計(jì)出的蒸發(fā)器尺寸相差不大。4.3空氣側(cè)流速空氣流經(jīng)空氣冷卻器時(shí)的流動(dòng)阻力可按文獻(xiàn)【3】中推薦的公式計(jì)算（3）式中，為表面狀況系數(shù)，對于不平整的表面，對于精工制作的表面，其它符號意義同前?？諝鈧?cè)最佳流速處在使最大的時(shí)候，其中，，為空氣橫向掠過肋管時(shí)的壓降（參見文獻(xiàn)[3]），為空氣的體積流量。作者經(jīng)比較知當(dāng)管外為平翅片時(shí)最佳空氣流速為左右。5小結(jié)1．采用分段分析法對直接蒸發(fā)式空氣冷卻器進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，對空氣側(cè)和制冷劑側(cè)的壓降都給予了考慮，并推薦出了最佳空氣流速和最佳制冷劑側(cè)流速的決定方法。模擬的結(jié)果比較表明，考慮制冷劑側(cè)壓降對換熱的影響不大。參考文獻(xiàn)1施林徳爾，換熱器設(shè)計(jì)手冊（第二卷），機(jī)械工業(yè)出版社，1988.2陳民，R134a及R32/R134a水平管內(nèi)流動(dòng)凝結(jié)與沸騰換熱的研究，西安交通大學(xué)博士論文，1997.33彥啟森，空氣調(diào)節(jié)用制冷技術(shù)，建筑工業(yè)出版社，1980.4JungandRadermacher,Predictionofpressuredropduringhorizontalannularflowboilingofpureandmixedrefrigerants,Int.J.HeatMassTransfer,1989,vol.32,No.12,PP2435-2446