[word doc]管排数对翅片管蒸发器换热性能影响的仿真计算

[worddoc]管排数对翅片管蒸发器换热性能影响的仿真计算管排数对翅片管蒸发器换热性能影响的仿真计算低温与超导第38卷第11期制冷技术RefrigerationCryo.&SupercondVo1.38No.11管排数对翅片管蒸发器换热性能影响的仿真计算刘金平,袁玉玲(华南理工大学电力学院,广州510640)摘要:通过对翅片管蒸发器建立集中参数模型,研究了管排数对变频空调蒸发器换热性能的影响.研究结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,管排数增加,总换热量的增加并不显着,但管排数每增加一排平均每排管的换热量减少18%左右;风机功率越大,达到最大换热量的管排数也越多.关键词:蒸发器;管排数;换热性能;仿真模拟Numericalsimulationofinfluenceofthenumberoftuberowsonheattransferperformances0fthefin—tubeevaporatorLiuJinping,YuanYuling(SchoolofElectricPower,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)parametermodeloftube—finevaporatorwasproposeAbstract:Alumped—d.Theinfluenceofnumberoftuberowsontheheattransferperformancesofevaporatorininverterair—conditionersystemwasanalyzed.Theresultsshowthatthetotalheattransferrateincreasesindistinctivelyasnumberoftuberowsincreases,whiletheaverageheattransferrateofeachtuberowre—ducesabout18%foronerowadded.ThenumberoftuberOWSincreasesasthepoweroffanincreaseswhenthetotalheattransferratereachesmaximum.Keywords:Evaporator,TuberOWnumber,Heattransferperformance,Simulation1前言风冷翅片管式换热器作为空调制冷系统的主要换热设备和能耗设备,凭借其高效,方便,低污染的优势而被普遍应用和推广.制冷空调系统换热器的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 呈现紧凑化,微型化发展的趋势,内螺纹换热管的管外径从9.52mm开始,朝着7ram,5mm的方向发展,现在外径为5mm的铜管已经在小型换热器中使用,并成为国内外各大空调公司研究开发的重点.研究发现,风冷翅片管式换热器管内热阻与铜管翅片的接触热阻及管外空气侧的热阻比为2:1:7….可见管外翅片的换热仍然是制约换热器效能的主要因素,因此,强化空气侧的换热成了翅片管式换热器强化传热的重要问题.从1971年Rich开展对平直翅片的研究以来,人们对翅片的结构及尺度参数进行了广泛研究,取得了大量成果.Rich发现翅片间距对传热系数有显着影响,而管排数对空气压降几乎没有影响…;康海军对9种平直翅片管的传热与阻力进行了实验研究,发现翅片间距对传热的影响依赖于临界雷诺数Re_2;Bernard对波纹翅片通道内传热机理进行研究,发现存在临界雷诺数,管排数对传热影响趋势与平直翅片相反,但变化的量值比平直翅片管束要小得多_3;辛荣昌的研究表明,翅片间距的影响受控于管排数,翅片间距越小,阻力系数越大,而且管排数对阻力系数的影响很小_4;Madi等人 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了波纹翅片的厚度,翅片间距以及管排数等参数对传热与阻力系数的影响,认为管排数对阻力系数.厂几乎无影响,翅片厚度越小,传热越好;张幕瑾研究发现,管排数越少,传热系数越大,管排数最好不要大于3l1;DuYJ对7.152mm管径的研究表明,当Re<2000时,单排管换热系数大于多排管的换热系数.本文通过建立变频空调蒸发器集中参数模收稿13期:2010—07—26基金项目:”十一五”国家科技支撑计划重大项目(2006BAJ03A06);粤港关键领域重点突破项目(TC07BF09—5)资助.作者简介:刘金平(1962一),男,博士,教授,主要研究方向为制冷换热设备的优化设计和空调系统的优化控制.?64?制冷技术Refrigeration第11期型,研究了迎面风速,管排数等因素对蒸发器换热和压降性能的影响规律,对蒸发器的设计开发具有一定的指导意义.2模型的建立在建立翅片管式换热器模型之前,首先进行如下假设:(1)管内制冷剂和管外空气均作一维稳态流动;(2)空气和制冷剂在各点的流量不随时间变化;(3)所有热量均在制冷剂跟空气间进行,忽略轴向传热;(4)忽略管壁热阻.2.1空气侧模型空气侧传热和流动的计算根据空气工况的不同又可以分为干工况,湿(析水)工况以及结霜工况.空气冷却过程的差别将影响到蒸发器的传热过程.本文只研究干工况和析湿工况两种情况.(1)干工况空气侧换热方程:Q.=Ma(h一h:)(1)其中,Q:空气侧换热量,kw;Ma:空气质量流量,kg/s;:空气进口焓值,kJ/kg;h:空气出口焓值,kJ/kg.空气侧换热系数关联式]:=(2)其中,Ot:空气侧换热系数,W/(Ill.K);B:片型修正系数,w/(In.K);:最窄面空气流速,m/s.(2)湿工况当翅片表面温度低于来流空气露点温度时,湿空气中部分水蒸气将在外表面上凝结,形成一层水膜,二者之间同时进行热,湿交换过程.此时推动湿空气与水膜之间热湿交换的动力是比焓差而不是温差,蒸发器的冷却能力与湿空气的比焓值有直接关系.微元面上的总换热量:d:Ola/Cp(h—h)dA析湿系数:发器外表面的显热换热系数,W/(in.oC);Cp:空气定压比热,kJ/(kg.?);一h:湿空气与水膜之间的比焓差,kJ/kg;dA:微元面积,m;:析湿系数;:显热交换量,kW;t:空气进口温度,oC;t2:空气出口温度,oC;o:空气侧当量换热系数,W/(nl.oC);卵,:肋片效率;As:单位管长肋片表面积,in/m;A:单位管长基管外表面积,nl/m;A:单位管长总表面积,In/m;叼:肋片管效率.根据稳态传热原理,冷却空气干式蒸发器的总换热量也可以按照以下公式计算:=KAnt(8)其中,:总换热量,kw;:传热系数,W/(1TI.oC);A:传热面积,nl;At:传热温差,?.2.2制冷剂侧模型(1)制冷剂侧换热方程:Q=M(h一h)(9)其中,Q,:制冷剂侧换热量,kW;,:制冷剂质量流量,kg/s;h:制冷剂出口焓值,kJ/kg;h:制冷剂进口焓值,kJ/kg.(2)水平光管内平均沸腾换热系数关联式引:%=0.00573A~’加?(dill000)(10)其中,A:冷凝液的导热系数,w/(1TI.?);:冷凝液的动力粘度,N.s/m;:热流密度,w/ITI;Vm:质量流速,kg/(ITI.S);d:管内径.根据文献[9]的研究,在干度为0.6以上,光管与内螺纹传热系数相差2倍以上.因此,对于内螺纹管的平均沸腾换热系数约为光管的2倍.3蒸发器求解算法(3)3.1仿真算法的思路=/=(h1一h2)/C(一t2)(4)d.=d=亭(t—t)dA(5)空气侧当量换热系数:=缸(叼,,+A)/A(6)对于翅片管,以基管外表面温度为计算基准,上式改写为:d=扣6(t—tP)da:0(t—tP)(7)其中,d:微元面上的总换热量,kW;:蒸将蒸发器看成一个整体,已知蒸发温度,冷凝温度,假设迎面风速根据迎风面积,空气进口温度和湿度计算出风量以及空气侧平均换热系数;再假设一个空气出口温度,计算换热量;利用物性数据库RefProp7.0得出制冷剂的物性参数,计算出制冷剂侧平均换热系数,平均传热温差,并对空气出口温度进行迭代计算,直到满足条件,停止迭代.整个算法流程中输人参数为空气进口状态,风速,冷凝温度,蒸发温度,蒸发器结构参数,输出第11期制冷技术Refrigeration?65?参数为换热量,空气侧换热系数,制冷剂侧平均换热系数,传热系数,风侧压降以及风机功率.4仿真计算及结果分析3.2仿真算法流程已知空气进口状态,蒸发器结构参数,蒸发温度,冷凝温度上计算出迎风面积,传热面积占给定迎面风速计算风量,空气侧平均换热系数一?假设空气出口温度t2占计算对数平均温差Tm=(11一t2)/ln((t~一te)2一te))上重置计算换热量,制冷剂质量流率占厢值计算制冷剂侧平均换热系数,析湿系数进{以及湿工况下当量换热系数行迭占代计计算传热系数鼻占计算对数平均温差T=Qo,(K’AI)否?计算两侧压降,风机功率l输出结果lI.1图1蒸发器仿真算法流程图Fig.1Theflowchartofthesimulationcalculation本文利用仿真模拟程序对已知结构参数的翅片管蒸发器进行模拟计算,根据制冷剂和空气的人口参数仿真计算空气出口参数.4.1管排数对换热和压降性能的影响在仿真计算中,保持风机功率不变,蒸发温度为5~C,冷凝温度为40?,蒸发器每排l6根管,铜管内径9.52mm,管问距25.4mm,排间距22ram,增加管排数,分析传热面积发生变化时,换热,压降性能的变化规律.计算结果如表1.当迎风面积不变时,增加管排数,则空气侧压降增大,且每增加1排管,压降增加10%左右,管排数从3排增加到7排,压降增大45.5Pa,约增加了46.6%.由于保持风机功率不变,管排数增加导致压降增大,这使得风机全压增大,因此风量随着管排数的增加而减少.风量的变化如图2所示.从3排管变化到4排管时,风量的减少量最大,管排数再继续增加时,风量的变化量越来越小,说明管排数对压降的影响也越来越小,这与Madi等的研究结果相一致.由于迎风面积不变,只改变管排数,所以在风量减少时,迎面风速也减少,导致空气侧换热系数下降.但是风速随管排数的增加而减少的量比较小,所以空气侧平均换热系数变化并不显着.同时管排数的增加使得传热面积增大,制冷剂的质量流量增大,单位质量制冷量不变,因而总换热量增加.从图3可以看出,从3排管变化到4排管,换热面积增加了1/3,而换热量只增加了8.7%,而且随着管排数的增加,换热量的增加量越来越小,这说明随着管排数的增加,空气侧压降越来越大,风量减少使得空气侧换热系数减少,同时,湿空气比焓差的增加,但是增加量逐渐减少,因而总换热量的增加越来越小.当管排数增加到6排时,换热量相对5排管有所下降,增加到7排管时,换热量比6排管时还要小.这是因增加管排数虽然增大了换热面积,但另二方面使得空气侧阻力加大,导致空气进风量减小;同时从图4可以看出,推动湿空气与水膜之间热湿交换的动力比焓差随着管排数的增加而增大,但是管排数越大,增加的量逐渐减小,从3排到4排增加了39%,而从6排增加到7排,比焓差?66?制冷技术Refrigeration第11期只增加了2.9%,因此当管排数增加到一定值时,总的换热量就会减小.表1蒸发器仿真计算结果Tab.1Thesimulationresultsfortheevaporator34567管排数图2风量随管排数的变化Fig.2VariationoftheairvolumewithnumberoftuberOWS管排数图3换热量随管排数的变化Fig.3Variationofthetotalheattransferratewithnumberoftuberows由于增加管排数导致换热面积的增加,而换热量的增加并不明显,使得管内侧热流密度明显减小,因此管内侧的平均换热系数下降较明显,3排管的管内侧平均换热系数6965W/m.,7排管的管内侧平均换热系数为3692W/m,降低了47%;空气侧的平均换热系数在3排管时最大为78.125W/m,7排管时有最小的换热系数,相比3排管下降了9.5%,对于风冷翅片管式换热器,空气的对流换热系数比制冷剂侧的换热系数小1至2个数量级,因此换热器的热阻70%左右是在空气侧,管内侧换热系数的变化对传热系数的影响较小.传热系数的变化如图5,3排管的传热系数最大为60.5W/m,7排管时下降到47.8W/m,下降了26.5%.34567管排数图4比焓差随管排数的变化Fig.4VariationofthespecificenthalpydifferencewithnumberoftuberOWS辍垛蕞面管排数图5传热系数随管排数的变化Fig.5Variationofthetotalheattransfercoefficientwithnumberoftuberows舵柏勉?勰拍龟一,喇彗OOOOOOOOD????????32221一誊三,捌医均掩撙”“:2粼蕞辎第11期制冷技术Refrigeration?67?656D555.o蕻4.5萋4D353D25管排数图6平均换热量随管排数的变化Fig.6VariationoftheaverageheattransferratewithBum—beroftuberOWS蒸发器的管排数增加时,换热量先增加后减少,而平均每排管的换热量是逐渐递减的,如图6所示,3排管时平均每排管的换热量为5.9kW,每增加1排管,平均每排管的换热量减少18%左右,增加到7排管时,平均每排管换热量减少到2.68kW,相对3排管降低了55%.这说明管排数的增加,使得总换热量有所增加,但是平均到每排管时,平均换热量将会减少18%,所以增加管排数尽管增大了传热面积,但不能使总换热量显着增加,因此并不是一种经济的强化换热方式.改变铜管管径,对铜管内径为6.3ram,管间距为22mm,排间距为19mm的小型蒸发器进行仿真计算,结果如表2.表2小型蒸发器仿真结果Tab.2Thesimulationresultsforthesmallevaporator当管排数从1排增加到2排时,换热量增加了约85%,一方面说明管排数增加到2排时,由于风速较小,空气侧压降也较小,对传热系数以及换热温差影响较小,而换热面积变成原来的2倍,所以换热量几乎为原来的2倍;另一方面,通过计算得出,在1排管时,空气侧是干工况,而2排管时空气侧出现析湿现象,换热量明显增加,空气侧换热系数也增加.当管排数继续增加到3排,4排时,换热量变化不大,这说明当管排数继续增加,压降越大,使得传热系数和换热温差减少,所以尽管换热面积增加,总的换热量几乎不变.4.2风速对蒸发器换热性能的影响在蒸发温度,冷凝温度以及蒸发器结构参数不变的情况下,增加管排数,分别对迎面风速为1.5m/s,2.Om/s,2.5m/s进行了计算,得出了换热量随管排数的增加而变化的情况,如7图所示.迎面风速一定时,只增加管排数,换热量随着管排数的增加而增加,3种风速情况下,都是从2排管到3排管换热量增加最多,分别增加了32%,33%,44%,随管排数的再增加,换热量的增加量减少,可以从图7看出.同时,随着风速的增大,换热量也增加.在风速为1.5m/s时,2排管换热量最小为10.95kW.而在风速为2.5m/s时,8排管的换热量最大为31.9kW,换热量增大了65.6%.平均每排管的换热量变化情况如图8所示,风速从1.5m/s变化到2.5m/s,平均每排管的换热量逐渐减少,减少趋势一致.从2排管增加到8排管时分别下降了122%,108.6%和80.5%.这说明增加管排数,虽然总换热镀增加,但是平均到每排管的换热量则减少,而且增加到8排管时,平均换热量几乎减少了一倍.增加管排数,换热面积增大,制造成本也相应增加,但是并没有有效地改善换热性能,平均每排管的换热量反而逐渐减少,这样的强化方式实质上并没有强234567/3管排数图7换热量随管排数和风速的变化Fig.7Variationofthetotalheattransferratewithnumberoftuberowsandairvelocity帮霰\?68?制冷技术Refrigeration第11期7D宝605.0辎4D扭蔷3l02_o2345878管排数图8平均换热量随管排数和风速的变化Fig.8Variationoftheaverageheattransferratewithnl/m—beroftuberowsandairvelocity262422高20s161412化换热,不仅增加了成本,也没有得到相应的收益.4.3风机功率改变时管排数对换热性能的影响在蒸发温度,冷凝温度以及蒸发器结构参数不变的情况下,改变风机功率,计算管排数对换热性能的影响.换热面积相同的情况下,3排管的风速为1.5m/s时,换热量为14.725kW,风速分别增加到2.0m/s,2.5m/s时,此时风机功率分别增加了1倍和2.6倍,换热量分别增加到17.754kW和20.244kW,各增加了20.5%和37.4%.在这3种不同功率的情况下,换热量随管排数的变化如图9所示.表3改变风机功率的计算结果Tab.3Thesimulationresultsunderdifferentfanpower排数换热面积风速换热量风速换热量风速换热量327.4232.50020.2442l7.754I.514.725436.5642.26522.6521.819.3081.337l5.297545.7052.09O23.5411.65219.4781.2215.012654.8461.95423.7111.53619.1611.1314.665763.9871.84223.2891.44418.741.O614.1O6罔93种不同功率条件下换热量随管排数的变化Fig.9Variationofthetotalheattransferratewithnumberoftuberowsunderthreedifferentfanpowers从上图可以看出,风机功率较小即迎面风速较小时,在4排管时的换热量最大,再增加管排数,换热量将减小,随着风机功率的增大,换热量达到最大值的管排数也增加.通过计算,功率增加到159W,5排管的换热量最大,功率为287W时,6排管的换热量最大.这说明,在不同的迎面风速下,使换热量达到最大值的管排数不同,当设计蒸发器的管排数较小时,应选择较小的迎面风速,对管排数大的蒸发器,则选择较大的迎面风速.4.4不同制冷剂的管排数变化影响蒸发器结构参数不变,每排l6根管,铜管内径9.52mm,管间距25.4mm,排间距22ram,蒸发温度5?,冷凝温度4O?,制冷剂为R410A,仿真计算管排数对蒸发换热性能的影响.管排数图10相同条件下,R410A,R22的换热量变化Fig.10VariationofthetotalheattransferrateofR410AandR22underthesamecondition40628406O0998887J)I,ii襁,,,第11期制冷技术Refrigeration?69?R410A是一种近共沸混合工质,相变过程中气相和液相浓度发生的变化微小,温度滑移小于0.1oC,而且它的容积制冷量,能效比以及质量流量都与R22非常接近.对制冷剂为R410A蒸发器进行仿真计算结果表明:在条件相同的情况下,R410A的换热量比R22要大一些,3排管时大6.4%,随着管排数的增加,两者换热量的差值减小,换热量的比较如图10所示.对R410A,其管内沸腾换热系数比R22大,所以换热量要稍大?.同时,对于R410A和R22,换热量达到最大值的管排数都是在3排管,换热量的变化趋势一样,这说明管排数对制冷剂为R410A的换热性能影响与R22一致表4制冷剂为R410A时管排数影响的仿真计算结果Tab.4ThesimulationresultsofR410Awithnumberoftuberows5结论(1)在保持风机功率不变的情况下,传热系数和传热温差随管排数的增加均减小,总换热量则先增加后减小,而平均每排管的换热量随着管排数的增加而减小.本文通过计算,每增加.1排管,平均每排管的换热量将减少18%左右,这说明增加管排数尽管增大了传热面积,但不能使总换热量显着增加,因此并不是一种经济的强化换热方式.(2)风速增大的情况下,换热量随风速的增加而增加,增加量随管排数的增加而减少,但是平均每排管的换热量逐渐减少,最大可减少122%.(3)在不同的风机功率水平下,换热量达到最大值的管排数不同,风机功率越大,换热量达到最大值的管排数也增大.同时通过计算得出:在相同条件下制冷剂为R410A的换热量比R22稍大一些,管排数对使用这两种制冷剂的蒸发器换热性能影响趋势一致.参考文献[1]徐百平,朱冬生,黄晓峰,等.管外翅片强化传热途径与研究进展[J].石油化工设备,2004,33(5):4I一44.[2]康海军,李妩,李慧珍.平直翅片管换热器传热与阻力特性的实验研究[J].西安交通大学,1994,28(1):91—98.[3]Bema~WG.Heatandmasstransferoffluidsolidsys—tern[J].ChemicMEngineeringProgress,1951,47(1):10—28.[4]辛荣昌,李慧珍,康海军.三角形波纹翅片管传热与阻力特性的实验研究[J].西安交通大学,1994,28(2):77—84.[5]MadiMA,JohnRA,HeikalMR.Performancecharac—teristicscorrelationforroundtubeandplatefinnedheatexchangers[J].Int.J.Refrig.,1998,21(7):507—5l7.[6]DuYJ,WangCC.Anexperimentalstudyoftheair—sideperformanceofthesuperslitfin——and——tubeheatexchangers[J].1nt.J.HeatMassTransfer,2000,43(24):4475—4482.[7]郑贤德.制冷原理与装置[M].北京:机械工业出版社,2000.[8]彦启森,石文星,田长青.空气调节用制冷技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.[9]苏全伟,张波.水平光管和内螺纹强化管内换热性能的研究[J].河南机电高等专科学校,2005,13(2):40—41.[10]GrecoaA,VanolibGP.Flow—boilingofR22,R134a,R507,R404AandR410Ainsideasmoothhorizontaltube[J].InternationalJournalofRefrigeration,2005,28(6):872—880.