风速对冷凝器换热能力的影响

    1 前言

    翅片管式冷凝器,换热面积大、换热能力强、结构紧凑,广泛用于中央空调系统和风冷热泵冷热水机组中。由于其换热热阻主要集中在空气侧,因此提高空气侧换热系数有利于增强冷凝器的整体换热能力。空气侧换热系数受到翅片形式、换热面积、翅片表面特性和风速等多种因素的影响。而风速对空气侧换热系数与翅片效率的提高、结构型式的优化有重要的意义。

    目前采用数值模拟来仿真换热器内部温度、压力和流场变化等工作过程已经成为换热器设计和性能优化的较为精确和严格的方法。本文采用数值模拟的方法来分析风速对冷凝器换热能力的影响。通过离散求解微分方程组能够清晰的反映冷凝器内部微小的温度和压力变化。

    2 冷凝器的数学模型

    把冷凝器按照制冷剂分路数和管路连接方式分成若干计算微元。在图1所示的微元段上建立制冷剂侧质量守恒、能量守恒、动量守恒、空气侧能量守恒和管壁两侧能量守恒方程。

    对冷凝器的数学模型做以下假设:¹不考虑管路间横向导热,热量传递只在制冷剂和空气之间进行;º不考虑不凝性气体的影响;»不计管内压缩机润滑油膜在管路中对换热的影响;¼在任何流动截面上气液相的压力相等[1]。

    稳态模拟采用一阶向后差分格式离散微分方程组并联立求解,边界条件为制冷剂进口比焓、压力及空气进风温度。

    水平管内两相区冷凝换热系数的计算采用Shah[2]关联式,它较好地关联了已有的关于R22、R12的实验数据。单相区冷凝换热系数采用Dit-tus-Boelter关联式计算。

    空气侧换热系数与翅片形式有关,目前多采用波纹翅片和各种开窗片,并进行亲水膜处理。波纹翅片换热系数比平片表面传热系数约大20%,本文采用三角形波纹翅片管,换热系数的计算采用Webb[3]提出的关联式。由于模拟过程中采用分布参数法计算,需要知道每一确定的换热因子,采用Domanski[4]给出的方法进行计算。

    忽略水平管内重力压降,摩擦压降采用Lock-hart-Martinelli[5]公式计算。

    3 模拟计算与分析

    根据编写的冷凝器仿真程序,在空调工况下对各种管排数的冷凝器进行了模拟计算。所模拟的冷凝器采用V字形结构。制冷量为55 kw,风量为26000 m3/h。不同风速下冷凝器沿空气流通方向上管排数分别为2排、3排、4排三种。若冷凝器沿空气流通方向上管排数多,则迎风面积就小,迎面风速和风侧阻力就大;反之沿空气流通方向上管排数少,则迎风面积就大,迎面风速和风侧阻力就相对要小。

    传热管采用59.52 mm@0.35 mm紫铜管;三角形波纹翅片间距为2.2 mm,波纹厚度为1.0mm,翅片厚度为0.115 mm,空气流通方向上管间距为25.4 mm。为了使三种管排数的冷凝器在仅考虑风速影响的条件下具有可比性,其换热面积应相等,制冷剂回路管长应相等。在此特定条件下,风速对换热能力有决定作用。具体结构尺寸及风速见表1。