冷凝器流程布置的数值模拟研究

冷凝器流程布置的数值模拟研究——数学模型的建立与验证

关键词：铝排管　蒸发式冷凝器　速冻机

0 引言
    风冷换热器被广泛地应用于空调制冷行业中,为了改善其性能,常常采用以下几种方式来强化换热:1)增大换热系数;2)增加换热面积;3)增大空气侧和制冷剂侧的平均温差[1]。大量的文献[25]将研究重点放在了前两种方式上,对于第三种方式,很少有文献涉及,但是研究发现,改变换热器的流程将使换热器的换热特性产生很大的变化[69]。例如,当高、低温介质的进口温度一定时,换热器逆流换热比顺流换热有更大的传热平均温差,因而有更大的换热量,叉流换热的换热量则处于两者之间。本文研究了冷凝器流程对其性能的影响。
1 冷凝器的数学模型[9]
为了详细研究冷凝器的传热特性,建立数学模型时将冷凝器划分成许多小单元(如图1 所示),每个单元为一个控制体。用于研究的控制体根据冷凝器的结构选取,本文选取的控制体如图2 所示。控制体沿管长方向的长度为δy(应大于肋片间距),沿垂直管长方向的长度为δx,为方便起见,取空气流动方向与δx 方向一致。

数学模型的基本假设是:
1) 制冷剂及空气进口参数恒定;
2) 制冷剂中无不凝性气体;
3) 不计换热管的轴向导热;
4) 不计换热管管排之间逆向导热的影响;
5) 肋片沿换热管长度方向均匀分布;
6) 空气在计算单元内没有沿轴向方向的掺混。
对每一个控制单元,采用效能传热单元数法(εNTU 法)[1]计算:
一旦ε确定后,换热量即可确定:
总的换热系数可由下式确定:
式(1)～(3)中 ε为效能;NTU 为传热单元数;U0 为总换热系数,W/(m2·℃);A0为总换热面积,m2;qm 为流体的质量流量,kg/s;c 为流体的比热容,kJ/(kg·℃);t′ 1,t ′ 2 分别为管内外流体的进口温度, ℃ ;hi 为制冷剂侧换热系数,W/(m2·℃);At,i 为管内总换热面积,m2;δ为管壁厚度,m;kp 为管材导热系数,W/(m·℃);At,m 为管子平均换热面积,m2;ho 为空气侧换热系数,W/(m2·℃);η为肋片效率。
其中空气侧、制冷剂侧换热系数,肋片效率等参数的计算参见文献[1013];空气侧及制冷剂侧物性参数的计算参见文献[1415]。文献[8]中的冷凝器相同。求解过程如下:
在已知冷凝器进口参数的情况下,按制冷剂流经传热(控制)单元的顺序来计算,这样每个传热单元的制冷剂进口参数都是已知的或可以直接由上一单元的出口参数得到。在计算时,必须先假定制冷剂出口参数以获得平均物性参数,然后再迭代计算。空气出口参数由前一排管对应单元空气出口参数获得。如果流程布置方式为逆流或混合流,也必须采用迭代算法计算,计算在每个单元的出口参数均满足给定精度后结束。
需要特别指出的是,当流程布置方式为混合流(如两排管流路中的“单双单”流路———制冷剂单路进入,然后分成两支路,最后在出口附近汇合成一路流出)时,各分支制冷剂流量分配会不一样,此时应根据各分支流路压降相等的原则,进行流量调整。具体计算时,应先假设各分支制冷剂流量均分,对各分支单独进行计算,计算完毕后比较各分支压降的大小,据此对制冷剂流量进行修正,反复迭代,直到各分支压降偏差满足给定的精度为止。


2 数值模拟结果与文献实验结果的对比
为了验证模型及程序的正确性与可靠性,对比了数值模拟结果与文献[8]的实验结果。模拟时的冷凝器的基本几何参数、测试条件、流程布置均与文献[8]中的冷凝器相同。
数值模拟结果和实验测试结果的对比分析如下。
图5 为A,B 两种形式的冷凝器[8]的进出口总压降随迎面风速的变化图。从中可以看出,计算值和实验值吻合较好,最大偏差为7%。
图6 ～ 8 分别为迎面风速为1.5m/s, 制冷剂侧流量分别为100,200,300kg/(m2·s)时,沿换热管长度方向的换热管壁温分布图。从图6 可以看出,风速不变、管内制冷剂质量流量较小时,管路布置方式对换热的影响较大。
从图7,8 可以看出,随着质量流量的增加,管路布置方式对换热的影响逐渐减小。量流量较小时,A 型冷凝器计算值和实验值偏差相对较大,B 型冷凝器计算值和实验值吻合较好。原因在于A 型冷凝器前后排温差较大,肋片的逆向导热对管壁温度有一定的影响。流量进一步减小时,由于气相与液相制冷剂分别位于肋片的左右侧,在肋片中形成了逆向导热,即热量从制冷剂进口侧向出口侧传递,因此在接近进口处出现了管壁温度上升的现象。由于数值模拟过程中没有考虑换热管管排之间逆向导热的影响,因而在制冷剂出口段,模拟计算结果并未出现实验结果中的壁温上升现象,计算值和实验值偏差较大。B 型冷凝器由于前后排温差较小,肋片的逆向导热可以忽略不计,因此计算结果和实验值偏差较小。

3 结论
本文采用效能传热单元数法(εNTU 法)对两种不同流程布置的冷凝器进行了模拟计算,并与前人的研究结果进行了对比分析。从分析结果看,本文的模拟计算结果与文献[8]的实验结果较为一致,冷凝器管壁温度分布的计算值与实验数据吻合良好,管内制冷剂压降的最大偏差为7%,说明本文的计算模型是可靠的,可以用来比较不同形式流路对冷凝器性能的影响,还可用于冷凝器流路的优化设计。

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