翅片管換熱器回路長度計算

發(fā)布時間：2020-12-08

　　翅片管換熱器的設計在整個空調系統(tǒng)的設計中非常重要。對于使用R410A的空氣源熱泵,翅片管換熱器需要重新設計。其中翅片管回路的設計(包括回路長度和回路的安排方式)是在耗材和成本一定的情況下,盡力提高系統(tǒng)能力的重要優(yōu)化方法。因此筆者將針對使用R410A的翅片管換熱器回路較佳長度進行計算機仿真研究。

　　1　模型的建立

　　1.1　換熱器結構和工況說明

　　選取的仿真對象為某個空氣源熱泵的室外換熱器,該翅片管換熱器的結構為:2排管,每排60根管,叉排排列,鋁翅片為人字型波紋片,銅管為內螺紋管,外徑為9.52mm,每根直管的長度為1.5m,翅片間距為1.69mm,翅片厚度為0.11mm,迎面風速為2m/s,回路走向為制冷順流而制熱逆流。 制冷運行時,室外換熱器為冷凝器,設定進風干球溫度35℃,濕球溫度為24℃,換熱器的入口過熱氣體溫度為80℃,冷凝溫度為50℃,制冷劑質量流量為0.3kg/s;制熱運行時,室外換熱器為冷凝器,進風干球溫度為7℃,濕球溫度為6℃,制冷劑入口干度為0.2,入口飽和蒸發(fā)溫度為2℃,制冷劑質量流量為0.15kg/s。

　　1.2　穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)法建模 在分布參數(shù)模型中,需要將傳熱管劃分成若干個微元段,

　　建模時假設:

　　①制冷劑在管內作一維軸向流動;

　　②只考慮制冷劑與管壁和空氣之間的徑向換熱交換,不計軸向的熱傳遞;

　　③冷凝器管壁熱容忽略不計;

　　④兩相區(qū),制冷劑氣體和液體混合均勻;

　　⑤制冷劑氣液看作不可壓縮;

　　⑥空氣和制冷劑在各點的參數(shù)和流量不隨時間變化。 其中,ρ為密度(kg/m3),u為速度(m/s),M為質量流量(kg/s),Di,Do為管的內徑、外徑(m),p為壓力(Pa),f為摩擦系數(shù),h為焓(J/kg),ΔL為微元段長度(m),Q為熱量(W),下標1,2表示控制體入口、出口。且換熱方程:Q=KoAoΔT,其中,Ko為以外表面為基準的綜合傳熱系數(shù);Ao為ΔL段外表面面積,ΔT為換熱溫差。

　　1.3　幾個重要參數(shù)的選擇 本文的主要目的是為了計算得到換熱器的較佳回路長度,因此制冷劑換熱系數(shù)和壓降以及空氣側換熱系數(shù)計算的準確性就非常重要。對于人字型波紋片的換熱系數(shù),筆者選擇了C.C.wang[1]總結的公式,而對于R410A在內螺紋管內的換熱與壓降公式,選擇Cavallini[2]總結的公式。

　　2　仿真結果分析

　　所示為換熱器作冷凝器和蒸發(fā)器運行的仿真結果。以冷凝器為例,從理論分析可以知道,每個回路的長度越長,整個換熱器的回路數(shù)就越少,每個回路的制冷劑流量就越大,管內流速越高,管內換熱系數(shù)就越大,從而增強整個換熱器的換熱能力。但管內流速越高,阻力也就越大,阻力增加會使冷凝壓力下降,冷凝溫度下降,從而減少空氣與制冷劑之間的換熱溫差,反而影響換熱器的換熱能力。因此,存在較佳的較佳回路長度使得換熱量大。蒸發(fā)器也有相似的結論。

　　對于冷凝器來說,由于加速阻力和摩擦阻力方向相反,也就是說加速阻力能在一定程度上抵消摩擦阻力,因此整個冷凝器的壓降不會很大;而蒸發(fā)器中,加速阻力和摩擦阻力方向相同,兩者同時使壓降增加,因此蒸發(fā)器的壓降相對較大。對于熱泵機組的換熱器須同時考慮換熱器作冷凝器運行和作蒸發(fā)器運行的情況。因此根據經驗一般將冷凝器的飽和溫度下降1℃,蒸發(fā)器的飽和溫度下降2℃為級限。另外為了防止節(jié)流機構產生閃發(fā),冷凝器出口有一定的過冷度是必要的;同樣,為防止壓縮機發(fā)生濕壓縮,蒸發(fā)器出口有一定的過熱度也是須的。所以在上述條件的限制下,能夠找到制冷劑回路的較優(yōu)長度或長度區(qū)間。

　　R410A是R22較有希望的替代方案之一,由于熱力性質的差別,使用R410A的空調系統(tǒng)和使用R22空調系統(tǒng)在設計上需要做較大的改動。筆者針對使用R410A的空氣源熱泵室外換熱器,通過穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型,對其作為冷凝器和蒸發(fā)器運行時的較佳回路長度做了初步的計算。 由結果可以看出,R410A在內螺紋管內的阻力比R22要小,因此較佳回路長度也可以加長,后面得到了采用R410A時,換熱器的較佳回路長度范圍應在14.5～18m之間。