翅片管換熱器回路長度計算
發布時間：2020-12-08
翅片管換熱器的設計在整個空調系統的設計中非常重要。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,盡力提高系統能力的重要優化方法。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,入口飽和蒸發溫度為2℃,制冷劑質量流量為0.15kg/s。
1.2 穩態分布參數法建模 在分布參數模型中,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,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,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;Ao為ΔL段外表面面積,ΔT為換熱溫差。
1.3 幾個重要參數的選擇 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和壓降以及空氣側換熱系數計算的準確性就非常重要。對于人字型波紋片的換熱系數,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℃,蒸發器的飽和溫度下降2℃為級限。另外為了防止節流機構產生閃發,冷凝器出口有一定的過冷度是必要的;同樣,為防止壓縮機發生濕壓縮,蒸發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長度或長度區間。
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的空調系統和使用R22空調系統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,通過穩態分布參數模型,對其作為冷凝器和蒸發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。
