（制冷及低温工程专业论文）采用微细通道高效换热器的家用空调器的数值模拟与性能分析.pdf

摘要 摘要 随着人类生活水平的提高，家用空调器需求量持续增加，在当前能源短缺形 势严峻的情况下，空调能耗负荷成为能源行业内共同关注的一个问题。如何有效 地利用节能措施来提高家用空调器的能源利用效率，同时缓解空调器生产企业的 成本压力，已经成为空调行业的一个重要发展目标。微细通道换热器作为一种紧 凑式高效换热器，不仅单位体积的换热面积较传统换热器大，流动传热性能较传 统换热器好，而且采用了全铝结构，降低了换热器材料成本。微细通道高效换热 器在汽车空调上的成功应用，给家用空调器节能创造了一个新的研究领域。 本文对微细通道换热器应用于家用空调器时的稳态运行特性进行了数值模 拟和实验研究。研究对象为采用了微细通道换热器的分体柜式家用空调器。本文 首先针对微细通道换热器特有的微尺度通道以及百叶窗翅片结构，分别建立了流 动传热数学模型，并对样机系统其它部件也建立了数学模型；在对系统各个部件 仿真模型进行耦合的基础上，建立了采用微细通道换热器的家用空调器系统的稳 态仿真模型。 以微细通道换热器以及空调器系统性能优化为目的，本文采用数值模拟的方 法对微细通道换热器空气侧及制冷剂侧的流动传热特性进行了研究，分析了迎面 风速以及翅片间距、百叶窗间距、百叶窗角度等结构参数对微细通道换热器空气 侧流动传热特性的影响，并采用综合性能系数法对若干优化方案进行了评价；接 着分析了制冷剂类型、制冷剂质量流量、微细通道尺寸以及换热器布置角度对微 细通道换热器制冷剂侧流动传热特性的影响。在对换热器流动传热特性进行数值 模拟分析的基础上，运用样机系统仿真模型，分析了制冷剂质量流量以及空气侧 迎面风速对微细通道空调器样机系统性能的影响。 为了深入研究微细通道换热器应用于家用空调器的性能及运行特性，本文进 行了样机实验工作。样机实验在焓差实验台上完成，在稳态制冷工况下，分析了 制冷剂充注量以及毛细管规格对微细通道空调器样机系统性能的影响，并对样机 进行了标准检测试验，将分别采用制冷剂r 2 2 和r 4 1 0 a 的样机的试验结果与数 值模拟结果以及样机原型机数据进行对比分析，分析结果表明：数值模拟结果与 测试结果具有较好的一致性；采用微细通道换热器的家用空调器的整体性能与原 型机相比，制冷量与能效比明显提高；样机采用r 4 1 0 a 制冷剂时的系统运行特 性明显较采用r 2 2 制冷剂时要好。 关键词：微细通道换热器空调器数值模拟r 4 1 0 a a bs t r a c t a l o n gw i t ht h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d s ，t h ed e m a n df o r h o u s e h o l da i r - c o n d i t i o n e ri si n c r e a s i n g ，i nt h eg r i mc u r r e n ts i t u a t i o no fe n e r g y s h o r t a g e s ；t h el o a do ft h ea i r - c o n d i t i o n i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n h a sb e c o m eac o m m o n c o n c e r ni nt h ee n e r g yi n d u s t r y h o wt om a k eu s eo fe f f e c t i v ee n e r g y s a v i n gm e a s u r e s t oi m p r o v et h ee n e r g ye f 五c i e n c yr a t i oo ft h eh o u s e h o l da i r - c o n d i t i o n e ra n dr e d u c et h e a i r - c o n d i t i o n e re n e r g yc o n s u m p t i o n ，a n dd o n tp u s ht h ep r e s s u r et ot h ea i r c o n d i t i o n e r m a n u f a c t u r e r sa tt h es a m et i m e ，i th a sb e c o m ea ni m p o r t a n td e v e l o p m e n tg o a lf o rt h e a i 卜c o n d i t i o n i n gi n d u s t r y t h e s u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n o fm i c r o - c h a n n e l l l i g h e 伍c i e n c yh e a tt r a n s f e rt e c h n o l o g yi nt h ea u t o m o t i v ea i r - c o n d i t i o n e rh a sc r e a t e d an e wr e s e a r c hf i e l dt ot h ee n e r g y - s a v i n go fh o u s e h o l da i r - c o n d i t i o n e r m i c r o c h a n n e l h e a te x c h a n g e ri sac o m p a c th i g h e f f i c i e n c yh e a te x c h a n g e r ，n o to n l yt h eh e a tt r a n s f e r a r e ap e ru n i tv o l u m ei sb i g g e rt h a nc o n v e n t i o n a lh e a te x c h a n g e r s ，b u ta l s oi t sf l o w a n dh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ei sb e t t e r , i na d d i t i o n ，i t sa l u m i n u ms t r u c t u r er e d u c et h e m a t e d a lc o s t s t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ft h eo p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa tm e a d ys t a t ef o rh o u s e h o l da i r c o n d i t i o n e ru s i n gm i c r o - c h a n n e lh e a t e x c h a n g e ra lec a r r i e do u t i nt h i sp a p e r t h er e s e a r c ho b j e c ti sah o u s e h o l ds p l i t a i r - c o n d i t i o n e rw i t hm i c r o c h a n n e lh e a te x c h a n g e r f o rt h es p e c i f i c m i c r o - s c a l e c h a n n e la n d1 0 u v e rf i n ss t r u c t u r ei nt h em i c r o - c h a n n e lh e a te x c h a n g e r ，a na p p r o p r i a t e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rh a se s t a b l i s h e d ，a n d t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fo t h e rc o m p o n e n t so ft h ep r o t o t y p es y s t e mh a sa l s oe s t a b l i s h e d ； b a s e do nt h es y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l ，c o u p l i n gt h ev a r i o u sc o m p o n e n t so ft h es y s t e m ， a n de s t a b l i s h i n gt h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h eh o u s e h o l da i r c o n d i t i o n e rp r o t o t y p e u s e dm i c r o c h a n n e lh e a te x c h a n g e r si ns t e a d y - s t a t e i no r d e rt oo p t i m i z et h eh e a te x c h a n g e ra n dt h es y s t e mp e r f o r m a n c e ，t h i sp a p e r s t u d i e dt h ea i r - s i d ea n dr e f r i g e r a n t s i d ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i e so f m i c r o c h a n n e lh e a te x c h a n g e rb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n f i r s t ，i ta n a l y z e dt h e i n f l u e n c eo ft h ew i n ds p e e da n dt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ( s u c ha sf i np i t c h ，l o u v e r p i t c h 1 0 u v e ra n g l ea n ds oo n ) t ot h ea i r - s i d ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so f t h em i c r o c h a n n e lh e a te x c h a n g e r ，a n de v a l u a t e dt h eo p t i m i z a t i o ns c h e m eu s i n gt h e c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c ec o e f f i c i e n t t h e n ，t h e i n f l u e n c eo fr e f r i g e r a n tt y p e ， r e f r i g e r a n tm a s sf l o wr a t e ，m i c r o - c h a n n e ls i z ea n dh e a te x c h a n g e ra r r a n g e m e n ta n g l e t ot h er e f r i g e r a n t s i d ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i e so fm i c r o c h a n n e lh e a t e x c h a n g e rh a sa n a l y z e d b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i so fn u m e f i c a ls i m u l a t i o no fh e a t e x c h a n g e r s ，u s i n gt h es i m u l a t i o nm o d e lo f p r o t o t y p es y s t e m ，a na n a l y s i so f r e f r i g e r a n t i i m a s sf l o wa n da i rf a c ev e l o c i 够t ot h ep e r f o r m a n c eo fp r o t o t y p es y s t e mh a sc a r r i e d o u t i no r d e rt os t u d yt h ep e r f o r m a n c ea n do p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so fh o u s e h o l d a i r - c o n d i t i o n e ru s e dm i c r o - c h a n n e lh e a te x c h a n g e r , t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c hh a s c a r r i e do u t ，a n dt h ee x p e r i m e n tw a sc a r r i e di nt h ee n t h a l p y - d i f f e r e n c el a b o r a t o r y i na s t a b l ea i r - c o n d i t i o n i n gc o n d i t i o n ，a na n a l y s i so ft h ei n f l u e n c ef o rt h ev o l u m eo f r e f r i g e r a n tc h a r g ea n d t h e c a p i l l a r ys p e c i f i c a t i o n s t ot h e p r o t o t y p es y s t e m p e r f o r m a n c e ，a n ds t a n d a r dt e s t sh a sc a r r i e do u tt ot h ep r o t o t y p e t h e n ，t h es i m u l a t i o n r e s u l t s ，t h et e s t r e s u l t so fm i c r o - c h a n n e l p r o t o t y p e ( r 2 2a n dr 4 10 a ) ，a n dt h e p r o t o t y p e d a t ah a dac o m p a r a t i v ea n a l y s i s t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt e s tr e s u l t sh a v eag o o dc o n s i s t e n c y ；i na d d i t i o n t h e u s eo fm i c r o c h a n n e lh e a te x c h a n g e ri nt h eh o u s e h o l da i r - c o n d i t i o n e rh a sag o o d o v e r a l lp e r f o r m a n c ei nc o m p a r i s o nw i t ht h ep r o t o t y p e ，t h ec o o l i n gc a p a c i t ya n de e r ( e n e r g ye f f i c i e n c yr a t i o ) i m p r o v e d ，a n dt h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o t o t y p e s y s t e mu s i n gr 4 10 ar e f r i g e r a n ta r eb e t t e rt h a nu s i n gr e f r i g e r a n tr 2 2 k e yw o r d s ：m i c r o - c h a n n e l ，a i r - c o n d i t i o n e r ，s i m u l a t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c ，r 410 a i i i 北京t 业人学t 学硕i 学位论艾 摩擦系数 压力系数 密度 动力粘度 压缩率 运动粘度 导热系数 吸湿系数 局部阻力系数 空泡系数 比热容 定熵指数 效率系数 雷诺数 努谢尔特数 普朗特数 内能 焓 比内能 物理量名称及符号表 i v 热容 热流量 传热系数 热，热量 热 阻 直径 热力学温度 功率 热扩散率 质量流量 摄氏温度 传热系数 比热容 风速 下标 空气侧 铝0 冷剂儇9 翅片 百叶窗 c 缈k q r d r p 口 所，办 c “ 口 厂厂， 厂卢px y 2 8 孝仅 y 彤 叩恐m厅u p 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：令荔 关于论文使用授权的说明 日期： 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：金垫新签名：越 日期： 第l 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 家用空调器的能耗现状 目前我国每年家用空调装机量约3 0 0 0 万千瓦，2 0 0 2 年占全国发电装机容量 的8 4 ，与2 0 0 3 年国家批准开工的大中型电厂项目的3 3 0 0 万千瓦基本相等。 空调具有的使用时间集中、季节性负荷大等特点，加重了峰谷电量差距的矛盾， 电网负荷率下降，造成电力设施的资源浪费。近几年新建的电力设施仅为满足电 力空调全年l 3 个月的运转，直接导致电力设备年负荷利用小时数的下降。目前 全国有2 0 0 0 多万千瓦的电力设备和电网专为空调服务，而其利用率只有1 0 ， 相当于国家投入的2 0 0 0 亿巨资却有9 0 时间闲置。 近年来，随着社会的发展和人民物质生活水平的不断提高，人们对生活环境 的品质要求也日益提高，对空调设备的需求量也逐年增加。我国是一个电力能源 相对紧张的国家，而空调设备的耗电量占很大的比重。据统计，目前我国家用空 调器的年耗电量为4 0 0 亿千瓦时以上。随着空调的普及，这个数字还将进一步增 加，空调已同渐成为能耗大户。粗略估算，如果将空调的平均效率提高1 0 ，就 可以每年节省3 7 g w 的发电量，为国家节省1 6 0 亿元人民币。由此可见，深 入研究空调节能技术，降低空调能耗对缓解我国能源短缺的现状有着重大的意 义。 1 1 2 家用空调器相关标准的实施 我国自2 0 0 1 年4 月1 日起颁布了房间空调器标准g b l 2 0 2 1 3 - 2 0 0 0 房问空 气调节器电耗限定值及测试方法，该标准强制性规定了房i 日j 空调器最低能效值 指标和节能评价指标。2 0 0 5 年3 月1 日又颁布了新的g b1 2 0 2 1 3 - 2 0 0 4 房问空 气调节器能效限定值及能效等级，根据修订后的房i 、日j 空调器能效标准，我国房 间空调器的能效等级分为五级，依次为3 4 ( 1 级) 、3 2 、3 0 、2 8 、2 6 ，企业必须 根据所生产空调器的能效比在产品及其外包装上粘贴相应的能效标识。修订后的 限定值为2 6 ，较2 0 0 0 版标准提高了o 3 。也就是说，该标准实施后，能效比在 2 6 以下的房间空调器不得进入市场。 另外，国家仞步制订了2 0 0 9 年的能效标准，将能效值的准入门槛提升到了 3 2 ，相当于现在的2 级能效等级。按照这一要求，可以预计对于制冷量在4 5 0 0 w 以下的空调器l 级产品的能效比将要达到4 0 。显然，我国的空调能效要达到此 标准还有定的距离，仅靠常规或现有的节能手段来实现将很困难，有相当的技 术难度，要实现这目标意味着我们要积极研究和- 丌发新的节能技术。 表1 12 0 0 9 年拟实施的家刚空调器能效标准 t a b l el 1t h eh o u s e h o l da i r - c o n d i t i o n e re n e r g ye f f i c i e n c ys t a n d a r d s ( 2 0 0 9 ) 类型额定制冷量( c c ) ，w能效比( e e r ) 。w 倒 整体式 2 9 0 c c 4 5 0 0 3 2 0 分体式4 5 0 0 管片式；2 ) 制冷剂侧流动阻力；管带式 管片式，平行流式； 3 ) 空气侧流动阻力：管带式 管片式 平行流式；4 ) 内容秘：管片式 管带式 平行流式：5 ) 体积与重量：管片式 管带式 平行流式。通过以上比较发现，管 片式的综合性能最低，平行流式的综合性能最高1 9 。 ，i 匕鼻：rq pj 、学1 - f li 。f t 论文 表1 4 管带式换热器与平行流式微细通道换热器的性能比较 t a b l e1 - 4t h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no fr i b b o n - t u b u l a ra n d p a r a l l e lf l o wm i c r oc h a n n e lh e a te x c h a n g e r 评价参数 管带式换热器 平行流式微细通道换热器 相对单位体积传热面积1 0 0 约1 2 5 1 4 5 空气侧水力直径( m m ) 2 7 3 82 1 5 - - - 2 9 制冷剂侧水力直径( m m )3 2 - 4 41 0 1 8 相对单位体积传热颦1 0 0 约1 6 0 2 3 0 相对单位迎风面积传热鼙 1 0 0 约11 0 - 2 5 0 制冷剂侧压力降( k p a ) 8 0 1 0 03 0 8 0 空气侧压力降( p a )7 5 1 5 02 6 1 5 0 相对体积1 0 0 约4 3 - 6 2 相对重量 1 0 0 约3 5 6 5 1 3 2 微细通道换热器在制冷空调领域的应用研究现状 微细通道换热器百叶窗翅片是按照一定的节距切割金属翅片，并将切割的部 分扭转成一定的角度而形成平面外的翅。因此，百叶窗翅片可以做成不同的形式 和形状。空气从百叶窗翅片列的左侧流进，右侧流出，在穿过百叶窗翅片的过程 中，百叶窗能够扰乱气流，产生一系列薄的边界层，相比于较厚的边界层，热阻 较小，能够提高传热效率，具有较高的换热系数；同时由于百叶窗一般采用铝合 金制成，具有较高的导热性；另外，百叶窗具有较小的当量直径，使得百叶窗式 冷凝器可以达到很高的换热效率【1 0 l 。 文献 1 1 】说明了早在微细通道换热器应用于汽车空调的同时就已开始对带 翅片的微细通道换热器的有关理论及评价方法的研究，对于板翅式及管翅式换热 器中采用的各种形式的翅片进行比较系统的研究是美国的r h n o r r i s 于1 9 4 2 年 开始的。他首次提出用传热因子j 及摩擦阻力因子f 与r e 的关系评价换热器的 性能，在换热器的评价方面做了开创性的工作。 文献 1 2 1 研究了微细尺度冷凝器在家用窗式空调器中的运行性能，通过建立 两个对比性的试验台，对系统运行的各个参数进行比较及分析。分析结果显示， 制冷剂充注量仅为原型机的3 5 。 文献 1 3 对c 0 2 空调系统采用微细尺度蒸发器进行了试验及数值分析，结果 表明微细尺度换热器通道内与进口处气流速度的组织安排，需要通过优化冷凝 器、空气入口条件以及制冷、制热负荷来共同进行优化设计。 文献 1 4 1 对二氧化碳汽车空调微通道换热器的设计提供了若干技术上的措 施，从换热器尺寸的确定、设计负荷估算依据、材质选取、除湿等方面给出了微 通道散热器的设计思想； 文献 1 5 基于平均温差法，确定超临界c 0 2 剧烈变化的热物性，采用迭代法 第1 亭编论 对紧凑式微细通道气体冷却器应用于汽车空调进行设计，并阐述了相关的制作工 艺。 文献 1 6 根据平行流换热器的换热特性，设计了适用于汽车空调的一种平行 流冷凝器的基本结构和所需材料，并公布了该换热器一些通过试验得出的热力特 性。 文献 1 7 在相同的换热量时用百叶窗翅片式扁管换热器代替了翅片式圆管 换热器，他们根据a r i 标准导出了圆管换热器和扁管换热器的冷凝换热试验。 扁管换热器采用数值管，沿风向倾斜1 5 度，制冷剂与周围温度差值用柬初始化 结霜周期，但是没有提供结霜周期终止资料。他们的研究表明，在冷凝时，扁管 换热器在整体换热性能上相比于圆管换热器增加1 6 ；在加热时，扁管换热 器的整体换热性能比圆管换热器要差。对于扁管换热器，大多数的结霜发生在换 热器的下部，随着每一个结霜一化霜过程，结霜周期减小和化霜周期增加。但是 他们的研究限制于整体性能的研究，对于扁管换热器空气侧热力性h - - 匕t , - , 和霜层增加 方面的详细信息没有提及。 文献 1 8 】通过模拟分析发现，在相同迎风面积下，微细通道式与管带式相比， 换热效率提高3 0 - - 5 0 ，空气侧阻力几乎不变，制冷剂侧阻力减少7 0 - 8 0 。 文献 1 9 用试验的方法探讨了微细通道冷凝器在大中客车顶置式空调上的 应用，以微细通道冷凝器及设计的一套项置式中客空调系统为样机，进行冷凝器 换热性能试验和空调系统性能试验，得出了一些实际的检测数据，为今后微细通 道冷凝器在大中客车空调推广应用提供参考。 文献 2 0 对白行设计开发的大型冷藏运输车用多元平行流蒸发器，在干、湿 工况下的空气侧换热性能进行了风洞试验研究，同时对该蒸发器的表面湿润性进 行了评价。实验结果表明，该蒸发器具有良好的换热性能，湿式压降与干式压降 非常接近。 在空调制冷行业中，对微细通道换热器的研究不仅有利于提高换热器的换热 效率和整体系统性能，而且对改进翅片换热器的设计型式，推出更加节能、节材 的紧凑式换热器有着重要的指导意义。目f j 国内外学者对微细通道换热器的性能 进行了大量的实验研究和数值研究，但是由于微细通道换热器特殊的管内微尺度 结构以及空气侧百叶窗结构，目前还缺少通用的针对微细通道换热器管内外的流 动传热数学模型，其复杂的流动及换热特性尚未被完全掌控，需要进行更深入的 研究。 1 3 3 微细通道换热器及其应用的计算机仿真研究现状 文献【2 l 】采用c f d 软件对单排汽车空调微细通道冷凝器空气侧流动进行了 数值模拟。并将计算结果与试验结果以及采用关联式的计算结果进行了比较。二 维的数学物理模型，对不同迎面风速的情况下进行了研究，所计算得到的换热系 数与试验数据相比，换热系数误差在+ 8 0 左右，明显过大。三维数学物理模型， 考虑扁管效应，计算结果与试验数据误差在2 5 以内，计算结果与试验结果吻合 地相对较好。另外，建立了二维的非稳念模型，对其流动形念和传热特性进行了 讨论分析。 文献 2 2 n 用数值计算的方法，结合国外对汽车空调平行流式冷凝器的研究 经验，建立了平行流冷凝器的研究经验，建立了平行流冷凝器的换热模型并进行 仿真计算，对换热器翅片安排、管路流程等改变后对系统性能的影响程度做了分 析研究。 文献【2 3 】对微细通道冷凝器的流动和换热过程进行了深入分析，建立了一维 准稳念数值计算模型，并在客车空调上进行了应用设计和空调性能的对比试验。 文献 2 4 选用合适的传热和压降关联式，对多元平行流冷凝器进行了数值模 拟，结果分析表明：制冷剂在非圆截面微细通道内的冷凝过程中，表面张力对表 面传热系数的强化效果明显；通过改变流程和各流程管路来改变冷凝过程中的流 通截面而达到调整流速的作用，从而可以保持较高的冷凝换热系数和较低的流动 阻力，与常规换热器相比具有显著的优越性。 文献 2 5 通过对微细通道换热器进行局部仿真的基础上建立了稳态微型制 冷系统模型，对系统进行部件及过程的优化分析，并对r 13 4 a 的应用进行了实验 研究。 文献 2 6 采用试验和c f d 仿真分析方法系统地研究了4 7 种厚度为1 0 m m - 1 6 m m 平行流冷凝器的空气侧结构参数对空气侧换热系数和压降的影响规律及 其内在机理。 文献 2 7 1 通过引入当地局部参数概念和两相流理论，对汽车空调用管带式冷 凝器提出了一个新的稳态分稚参数数学模型和计算方法，并通过实验来验证了模 型了准确性，分析了弯头对模型仿真计算的影响。 文献 2 8 1 根据经验传热及压降公式，采用数值分析的方法，研究了家用空调 器中平行流冷凝器翅片参数对空气侧传热流动性能的影响规律。结果表明：适当 的减小平行流冷凝器的翅片高度和翅片| 、日j 距，可提高其换热系数、增加压降。 文献 2 9 针对客车空调系统，利用m a t l a b 软件建立了客车空调器系统各 部件的数值计算模型，重点对平行流冷凝器和管片式冷凝器进行了仿真研究，得 出了整个客车空调系统在分别使用平行流冷凝器和管片式冷凝器的情况下主要 性能参数的变化情况，为客车空调系统的匹配设计提供依据。 目f j ，在微细通道换热器应用领域的计算机模拟研究中，一些研究人员进行 了大量的工作，特别是对微细通道换热器应用于汽车空调的相关计算机模拟。部 分研究人员也在进行微细通道换热器在家用空调器上的应用的模拟研究，其研究 第1 幸绪论 内容大多为微细通道换热器的流动传热性能，缺乏对微细通道换热器应用于空调 器后整体性能的模拟研究。 1 4 本文的主要工作及意义 1 4 1 主要工作内容 本文以微细通道换热器在家用空调器中的应用为关键技术，开发了采用高效 微细通道换热器的热泵型空调器样机。首先采用数值模拟的方法对微细通道换热 器的流动传热性能进行了分析，并对采用微细通道换热器的家用空调器样机系统 稳态运行工况进行数值模拟，分析系统在稳态下的运行性能及特性。接着采用实 验的方法对采用微细通道换热器的空调器样机进行分析，对实验数据结果进行整 理分析。主要进行了以下工作： ( 1 ) 结合微细通道换热器样机原型机中翅管式换热器的结构尺寸，在换热面 积相等的前提下，对微细通道换热器( 蒸发器和冷凝器) 进行设计计算； ( 2 ) 采用微细通道换热器的家用空调器样机的制作； ( 3 ) 结合微细通道换热器特殊的微尺度通道以及百叶窗翅片结构，在借鉴通 用方程和经验公式的基础上，建立了微细通道换热器的空气侧以及制冷剂侧的流 动传热的数学模型； ( 4 ) 采用数值分析的方法，分析了迎面风速、百叶窗间距、翅片间距、百叶 窗角度等参数对微细通道换热器空气侧流动传热特性的影响，以及制冷剂类型 ( r 2 2 r 4 1 0 a ) 、制冷剂质量流量、微细尺度通道尺寸、换热器倾斜角度对微细通 道换热器制冷剂侧流动传热特性的影响； ( 5 ) 对微细通道换热器进行了优化，改变换热器百叶窗间距、翅片间距、百 叶窗角度等结构参数以及迎面风速，对各种优化方案进行数值模拟，采用综合性 能系数j f 法对各种优化方案进行综合评价； ( 6 ) 采用v b 语言编写了微细通道样机系统各部件的( 包括微细通道蒸发 器、微细通道冷凝器、毛细管、转子式压缩机等各个部件) 的数值仿真模块。采 用顺序模块算法，根据能量守恒、动量方程和连续性方程将各部件按照循环顺序 耦合，建立微细通道空调器样机系统的稳态仿真模型，对系统运行特性的仿真 结果进行分析，得出了系统中制冷剂质量流量以及空气侧风速对系统性能的影 响。 ( 7 ) 进行了大量试验工作。样机试验在焓差实验室完成，在稳定空调工况下， 分析了制冷剂充注量以及毛细管规格对微细通道空调器样机系统性能的影响，并 对试验样机进行了标准检测试验，将分别采用制冷剂r 2 2 和r 4 1 0 a 的样机的试 1 5 ，i t 9 ：1 、mj 、学i 。学帧i 学化论文 验结果与数值模拟结果以及样机原型机数据进行对比分析。 1 4 2 本文的研究意义 微细尺度强化传热技术具有很大应用及市场前景，通过分析研究采用微细尺 度高效换热器的空调器的运行特性并进行数值模拟，进行优化设计，具有极大的 研究意义。 ( 1 ) 对于2 0 0 9 年实施的更高的空调器能效标准，常规换热器很难满足其要 求( 至少很难制造出高等级如1 级产品) ，尤其对大规格空调器几乎不可能。这 种情况下，微尺度换热器将是最佳甚至是唯一的选择； ( 2 ) 在更高的能效标准要求下，采用常规换热器提高空调器的效率必将伴随 着大幅度增加材料消耗、带来成本的大幅度增加。这种情况下，常规换热器的成 本优势将不复存在。而微细尺度换热器不是依靠增加材料消耗提高换热效率，在 达到一定规模时将具有一定的成本优势； ( 3 ) 除家用空调器外，微细尺度换热器技术可推广到大规格商用空调产品如 多联机、户式中央空调等，为产品带来巨大的竞争力。当然这一技术转移取决于 国家对这类产品的能效要求； ( 4 ) 考虑到前述空调器市场的种种隐患，采用微尺度高效换热器将明显提高 产品的竞争力和企业的可持续发展能力。 因此，研究新型强化传热技术在空调器中的应用，开发高效空调器样机，对 提高我国整体节能水平具有重要意义。采用微细通道高效换热器的空调器的开发 与优化设计，采集相关的运行特性数据，进行理论上的性能分析，并积极推动与 企业的技术合作，将所形成的技术与成果应用到具体的产品中，开发出具有实用 价值、符合市场需求的高效空调器产品，将具有很好的市场前景，并推动我国空 调行业的快速发展。 第2 章微细通道空调器系统的数学模型 2 1 微细通道换热器的数学模型 2 1 1 微细通道换热器结构 图2 - i 为本课题研究的微细通道换热器。该换热器 j j 上、下集液管，百叫窗 翅片以及微细通道铝带管组成。本微细通道授热器幅于单元平行流换热器，表 2 - 1 给出了微细通道换热器特征结构参数。 图2 - i 微细通道换热器( 蒸发器与冷凝器) 实物图 f i 9 2 - lt h e m i c l h e a te x c h a n g e r ( e v a p o r a t o ra n dc o n d e n s 神 表2 - i 微细通道换热器结构参数 t a b l e2 - it h es t m c m t e p a r a m e t e r o f m i c r o - c h a n n e lh e a le x c h a n g c r 参数符号参数符号参数符号 翅片高度h百叶宙间距 l d扃管宽度乃 翅片间距r百叶窗角度 日 扁管厚度d m 翅片宽度 开 百叶宙宽度厶扁管肇厚 毛 翅片长度矗百叫。宙高度h管间距l 翅片厚度a 一 i 严广 liili1lii 1 - = l i lii iillli f - d 一 图2 2 微细通道换热器百叶窗翅片结构图 f i g 2 - 2t h es t r u c t u r ed i a g r a mo fl o u v e rf i n si nm i c r o - c h a n n e lh e a te x c h a n g e r ( 1 ) 百叶窗翅片结构：本文所采用的百叶窗翅片如图2 2 所示，微细通道换 热器管外采用波纹型百叶窗翅片，与普通平翅片相比，增加了换热面积，能够扰 乱气流，阻碍气体边界层的发展，减小边界层厚度，产生一系列薄的边界层，相 比于较厚边界层，热阻较小，能够提高传热效率，具有较高的换热系数。 ( 2 ) 微细通道铝带管结构：微细通道铝带管横截面的结构如图2 3 所示。微 细通道换热器制冷剂侧采用具有较小水力直径的非圆截面的多孔铝制扁管，与常 规的大直径传热管相比，传热规律和流动性能均有较大不同，若将普通圆管内的 流动传热公式直接应用于细通道内时会产生较大的误差。因此，计算过程中应采 用适用于小水力直径管的关联式。 图2 3 微细通道换热器铝带管横截面结构图 f i g 2 - 3t h es t r u c t u r ed i a g r a mo ft h ea l u m i n u mt u b ec r o s s - s e c t i o ni n m i c r o c h a n n e lh e a te x c h a n g e r 2 1 2 基本假设 蒸发器及冷凝器的铝带管微细通道内简化物理模型如图2 4 所示。 换热器模型采用有限单元的方法，如图2 5 所示。从入口开始，将每一个通 道管沿管长方向平均划分为n 个计算单元，每个单元制冷剂和空气被认为时叉流 换热。 第2 带微钏通道窄渊_ ： 系统的数：z 模；i 1 1 1 a i t 神j 少 旦 j 至 至叵 工卫旦 f 罟 图2 5 有限单元法计算模型简化图 f i g 2 5t h es i m p l i f i e dd i a g r a mo ft h ef m i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o nm o d e l 为了简化计算过程，做如下基本的假设： ( 1 ) 换热器工作在稳定工况下，空气和制冷剂侧各参数不随时间变化； ( 2 ) 扁管各流道内制冷剂流量分配均匀，并具有相同的温度和压力分布； ( 3 ) 忽略不凝性气体和润滑油对换热的影响，忽略重力对换热的影响； ( 4 ) 忽略管内制冷剂轴向导热，换热器内制冷剂流动简化为一维流动，制冷 剂蒸汽和液体均不可压缩； 2 1 3 控制方程 根据以上假设，沿制冷剂流动方向按一定长度划分微元，在这个单元内，忽 略管壁热阻，假定壁温恒定，制冷剂、空气定性温度采用平均温度，这样能有效 地减小由于变物性所带来的计算误差。取其中一个微元为控制体，对该控制体运 用质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，建立控制方程 空气与管壁的对流换热： 蚺删k 乙纠翳 协， 式中：q 为单位时间的换热量，w ；h 。5 b _ v _ 气侧换热系数，k j k g ；r l 为百 叶窗翅片效率；a 。为空气侧换热面积，m m 2 ；t 。为空气侧温度，k ；t w 为壁面 温度，k 。 制冷剂与管壁的对流换热： q j 咄 肛厂) 砌( l r j - _ t w j i 式中：h r 为制冷剂侧换热系数，k j k g ；a ，为制冷剂侧换热面积， 为制冷剂侧温度，k 。 空气侧： g = m 。c p 。( 艺“一t o ，) 式中：m 。为空气侧质量流量，k g s ；c p 为等压比热，k j ( k g k ) 。 制冷剂倾0 ： g2 朋，l ( 丁，p ) 一e n ，( 丁，p ) j ( 2 2 ) n l l i l 2 ；t r ( 2 3 ) ( 2 4 ) 式中：m r 为制冷剂质量流量，k g s ；e r 为制冷剂焓值，k j k g 。 其中， 铲1 。云0 1 一 ( 2 - 5 ) 式中：a f 为百叶窗翅片的表面积，m m 2 ：a o 为总的换热面积，m m 2 。 巩2 _ t a n h r ( m ) ( 2 6 ) m 2 ( 2 7 ) z ：旦一万 2 ( 2 8 ) 式中：k f 为百叶窗翅片的传热系数，w ( m 2 k ) ；h 为翅片高度，i i l m 。 假定壁温恒定，每个单元内制冷剂、空气定性温度取单元进出口平均温度， 每个单元制冷剂出口参数为下一单元的入口参数，减小由于变物性带来的计算误 差。 第2 帝微川通j 煎，_ 渊： ； 系统的数学校，型 2 1 4 空气侧流动及传热数学模型 空气侧热阻为微细通道换热器的主要热阻，其表面热阻往往能达到制冷剂侧 的几十倍，因此空气侧的热阻正确与否，直接关系到蒸发器传热计算的准确性。 这在数值模拟中尤为重要，空气侧热阻计算很小的误差就会引起蒸发器传热计算 较大的误差。因为空气侧传热计算的重要性，国内外很多学者- 丌展了这方面的研 究。但空气侧表面传热系数和摩擦系数与蒸发器翅片形状、布局和数量，蒸发器 的几何形状和空气本身的物性都有关系，其流动和传热远比制冷剂侧复杂。 微细通道换热器空气侧采用波纹型多重百叶窗翅片，能有效的破坏空气流动 边界层，增加扰动，强化传热。多孔铝带扁管在迎风截面方向的尺寸很小，能大 大减小背风侧涡流，从而降低空气侧流动阻力。影响空气侧流动及传热的因素很 多，其中翅片结