翅片管式换热器制冷剂流路对换热特性影响的实验研究_上_肖彪_

1、 上 述 补 偿 加 热 丝 电 路 装 置 制 作 方 便,体积小,成本低,运行稳定,是一 种提高冰箱冷藏室加热丝补偿功率的好 方法。我们提出此文,希望能为同行解 决单循环冰箱冬季压缩机不启动问题提 供一点参考。翅片管式换热器制冷剂流路对 换热特性影响的实验研究 (上珠海格力电器股份有限公司肖彪1为什么要对翅片管式换热器进行分路?目前比较一致的看法是减小换热管 中阻力损失对换热效果的影响。因为在 理想状况下, 换热管中没有阻力, 则换热 器分为一路时制冷剂在换热管中流速最 大, 所以换热效果也最好 ; 但如果考虑到 阻力损失的影响,流速越大阻力也越大, 这就需要对换热器进行分路,通过减小 换

2、热管中的流速来降低阻力损失,但流 速的降低也使换热效果变差,所以我个 人认为:在满足阻力损失要求的情况下, 换热器的分路数越少越好!文献1通过 六种不同分路的蒸发器的计算模拟及实 验数据,得出了管内制冷剂(R134a流 速与盘管单位面积换热量的关系, 如图1摘要:在总结翅片管式换热器在几种制冷剂分路方式 下换热效果的实验数据的基础上,提出了几种强化换 热效果的制冷剂分路原则。 关键词 :翅片管式换热器制冷剂流路换热特性所示。其中六种蒸发器的分路图如图2所示。 从图 2可以看出,随着管内质量流速 的增大,盘管单位面积换热量先增大,后 减小,存在一个拐点,这也说明换热器需 要进行分路以便控制质量流

3、速的增长。2 对翅片管式换热器进行分路原则是什么?文献2通过四种不同分 路的冷凝器进行实验研究后, 得出翅片管式冷凝器分路的基 本原则:“不同路的入口应尽 量靠近,出口也应靠近,进口 与出口应尽量远,以避免由于 复热而损失部分换热量,避免容量可以调整通过加热丝的电流, 即通过 调整电容 E 1、 E 2的容量可以使加热丝输 出不同的加热功率。 例如, 冰箱冷藏室外 安装的是额定电压 220V A C 、额定功率 5W 的加热丝,现发现补偿加热功率不足, 需要提高一倍到 10W,则加热丝上的平均 电流为:I = P /U =10W/440V=0.0227A 由于在一个 50H z 交流电压周期内

4、, 正半波 E1、E3充电,负半波 E 1、 E 3放电 输出到整流侧为加热丝供电, 电容 E 1、 E 3每个周期的充电量:因此我们调整电 容 E 1、 E 3并联容量到 2.0F, 在加热丝上 就可以输出约 10W 的 补偿加热功率,经过 试验也证明了这种计 算方法的正确性。根据原理图(图 2绘制的电路板 PCB版图见图 3,将电路板 CN1、CN2两端通 过引线分别与冰箱温控器输出的补偿加热 的火线、零线端子相联接,CN3、CN4两 端分别连接补偿加热丝的两端, 这样再遇 天气突变的冷天气, 就不用担心压缩机不 启动了。图3补偿加热丝功率增大电路板印刷图编辑/李鹏前言:目前,国内外关于制

5、冷剂流路对换热性能影响的研究非常少, 但是我们在实验当中却发 现:不同的换热器分路方式对换热效果的影响非常大,所以针对制冷剂流路对换热效果的影响 开展研究十分必要。因此,笔者通过国内外的一些研究资料,再结合一些实验数据,向大家阐 述一些换热器分路的基本原则,并在此基础上,提出一些强化换热效果的建议。图1流速与盘管单位面积换热量的关系图2六种蒸发器的分路图论文园地 Technical Papers 61流量分配不均匀。 制冷剂和外界空气应进 行逆流换热,不同流路的管程应当相同, 而且应当均匀地流过迎风侧和背风侧使得 换热均匀。 ”图 3为文献2中四种冷凝器 的制冷剂流路布置。文献2通过实验, 得

6、出冷凝器b的换 热效果最好。文献2认为其原因在于:“制冷剂流动为两路, 流动从上向下, 有效 地利用了重力作用, 两路的进口基本上在 同一高度, 避免了在分流时由于重力作用 而引起的分流不均匀,两路全程交叉流 动,依次流过迎风面和背风面,保证了两 路的换热均匀, 这样就使两路制冷剂在距 离入口相同的管程处干度相同,管内、外 表面传热系数以及流动速度、状态相同, 两路的换热量相同, 总体换热量最大。 ” 下 面针对文献2提出的一些分路原则以及我 们平时实验中遇到的一些问题进行一些分 析和探讨。2.1不同分路的进出口应尽量靠近, 以避 免复热。我部门在某机型冷凝器实验过程中进 行了此种分路原则的对

7、比实验,发现“不 同分路进出口应尽量靠近”的原则对冷凝 效果的影响很大,冷凝器分路图及实验数 据见图 4及表 1。从表 1可以看出,更改分路后,不但 各路出口温度的均匀性较好,而且换热器 的总体换热效果也得到提高,说明“不同 分路进出口应尽量靠近,以避免复热”的 分路原则是有效的。2.2(冷凝器制冷剂和外界空气应进行 逆流换热。目前, 对翅片管式换热器进行流向研 究的并不多,但本公司基本的共识是:冷 凝器制冷剂和外界空气应进行逆流换热, 蒸发器制冷剂和外界空气应进行顺流换 热。 根据文献3 :“在蒸发器或冷凝器中,强总体换热效果,这属于换热强化的问 题,本文将在后续部分再加以讨论。文献 4针对

8、使用 R407C 制冷剂的冷凝器和蒸 发器的顺流及逆流管路设计分别进行了实 验研究,发现:“对于使用 R407C 制冷剂 空调器的冷凝器, 采用逆流布置可以大幅 度提高其换热性能。两排冷凝器,逆流布 置比顺流布置提高 36%;三排冷凝器,逆 流布置可比顺流布置提高 50%。而且,排 数越多,也就更容易接近真正的纯逆流, 换热能力提高的幅度也就越大。 对于蒸发 器也会得出类似的结论。 ”图 5为文献4中双排及三排冷凝器管路结构图。文献4主要是针对R407C存在着 “温 度滑移”这一特点设计的,对于 R22制冷 剂是否适用还需要我们在实验中加以验 证, 另外, 文献4中的管路结构实用性并 不强,在

9、生产中几乎无法加以应用和推 广,这也需要加以注意。同时,根据文献 2中提供的四种冷凝器分路方案, 方案c 比较接近于逆流效果, 但实验证明其冷凝 效果反而不如交叉流动的分路方案 b,这 说明顺流逆流在某种情况下并不能成为影 响换热效果的主要因素, 需要具体问题具 体分析。2.3不同流路的管程应当相同。文献2及文献5均明确指出换热器不 同流路的管程应当相同, 文献5认为 :“流 程长度的不同会造成流量分配不均匀,流 程长的由于阻力较大而导致流量较小,反图3四种冷凝器的制冷剂流路布置图4冷凝器新旧分路图冷、热流体之一发生相变,相 变时流体在整个换热面积上保 持其饱和温度。由于一侧流体 温度恒定不变

10、,这类换热器无 所谓顺流和逆流。 ”但实际使 用中,考虑到提高多排换热器 背风侧换热效果,所以对冷凝 器先从背风侧进入,从迎风侧 出,从而形成逆流效果,而蒸 发器正好相反。这样就可以提高换热器的对数平均温差,增表1冷凝器新旧分路实验数据温度点出1出2出3出4出5旧分路方案36.938.641.4 41.238.4新分路方案37.936.536.238.237图5双排及三排冷凝器管路结构图之,流程短的由于阻力较小而导致流量较 大。 ” 但笔者认为以上结论均是以换热器表 面风速是平均分布为前提,而实际上(以 冷凝器为例除了侧出风式冷凝器迎面风 速相对比较均匀以外,上出风及斜上出风 式冷凝器都不可避

11、免会出现迎面风速分布 不均匀现象,对于蒸发器也同样会如此。 如果在换热器表面风速分布不同的情 况仍然坚持不同流路的管程应当相同的分 路原则, 则因为各流路管外侧换热系数的 不同,造成各流路换热效果也相差很大, 换热器的整体换热效果也随着变差, 也就 是使换热器的能力无法得到充分发挥。 所 以在实际使用过程中, 经常对换热器实行 每路不等长的分路方法, 迎面风速小的地 方流程较长, 而迎面风速较大的地方流程 较短, 从而达到充分发挥换热器能力的目 的。 另一种比较常用的方法是通过调整分 液毛细管的长度来调整进入每路换热管的 制冷剂流量:即不同流路的管程相同,但 是迎面风速大的地方分液毛细管较短,

12、 使 流量增大, 迎面风速小的地方分液毛细管 较长,使流量减小,也能在某种程度上达 到使各流路换热效果基本相同的目的。 但对换热器实行每路不等长分路方法 的难点在于确定换热器表面风速分布状况, 然后才能具体确定在何处流程较长,何处 流程较短。目前我们在实验过程中只能通 过风速仪测量换热器表面的风速分布,然 后再通过实验数据来不断调整每一分路的 流程长度,这样做不但费时费力,而且准 确性差,很难充分发挥换热器的潜力。比 较理想的方法是使用 CFD 软件对换热器进 行数值仿真,以模拟出换热器表面风速分 布状况,甚至计算出管外侧的换热系数分 布情况, 从而为换热器分路提供数值依据。 文献6通过CFD

13、软件模拟柜机蒸发器表面 风速分布状况,提出了几种改进蒸发器布 置方式的方案,提高了换热效果。2.4冷凝器后部需要设计过冷管。冷凝器下部是否需要增设过冷管的问题在公开发表的文献中至今未看到有介绍,在这里笔者只能就我部门的一些情况向大家做简要说明。在我部门已开发的机型中,数码多联及智能多联大多数机型都采用了在冷凝器底部增设过冷管的分路方式,但在其它机型上很少。据管路设计人员讲:数码多联设置过冷管的主要目的是为了能使制热除霜更加干净、彻底,因为冷凝器底部一般来说是换效比较恶劣的地方,在此处增设过冷管以提高管内制冷剂流速,强化换热效果。数码多联经过实验验证,认为这是一种比较有效的解决冷凝器底部化霜不彻

14、底的难题的方法;智能多联除了认同制热时化霜彻底的原因之外,还认为虽然增设过冷管后因为制冷剂在管内流速升高导致阻力增加,系统高压将会升高,可能会造成压缩机功耗增大,但流速升高后将会使制冷剂管内换热系数增大,提高换热效果,而且过冷管中流动的基本上全部为液体制冷剂,其阻力要远小于高压气体,所以使用过冷管后其总的过冷度有可能会增大,过冷度增大对提高整个制冷系统的性能都会产生良好的影响。而且为了防止节流机构(尤其是使用电子膨胀阀的系统,在阀前保持一定的过冷度是节流机构能够安全稳定运行的关键因素,否则一旦两相介质进行电子膨胀阀,将会导致膨胀阀的误动作,严重影响制冷系统的正常运行。表 2是我部门某机型(单排

15、冷凝器的实验数据(制冷量可能有异常,仅参考温度点 。从表 2中可以看出,增设过冷管后系统高压及排气温度均有所升高,但节流阀前温度并没有降低,说明冷凝器过冷度没有增大, 所以在该机型的后续实验中都没 有采用带过冷管的分路结构。2.5制冷剂流向是否要求上进下出或是下 进上出。这个问题在各种文献资料中基本没 有阐述,而且在我们实验分路过程中也 基本未加以考虑,主要原因是在多排换 热器分路时必然会存在上下交错流动的 现象,完全的上进下出或是下进上出在 多排换热器的分路中基本上是不存在的。 针对单排或双排冷凝器来说,目前一般 的共识是制冷剂应该上进下出,以避免 重力作用对换热效果的不良影响。文献 2及文

16、献5也均默认对于冷凝器来说应 该按制冷剂上进下出进行分路。对蒸发 器来说, 存在不同意见:一种意见认为考 虑到蒸发过程中汽相成分逐渐增加, 所以 对蒸发器应该采用制冷剂下进上出的布置 方式,以保证汽相能够自动上升,减小管 路中的阻力损失;另一种意见认为对蒸发 器来说应该重点考虑换热管中回油的难度 问题, 所以从回油的难易来说应该对蒸发 器采取制冷剂上进下出的布置方式, 以保 证润滑油能尽可能容易地返回压缩机。 以 上两种说法均有一定的道理, 但因为实际 使用过程中均没有考虑到制冷剂流向的影 响, 所以其具体效果还需要我们在今后的 实验过程中加以确认。(未完待续表2单排冷凝器的实验数据单排 U 数 分路数 分路情况 过冷 U 数 充注量 制冷量 排气温度 吸气温度 阀前温度 蒸出温度 外出风 表压 132上 6下 612.3492968.410.935.310.9-17.5/5.6 132上 7下 6无 2.3552265.610.935.310.540.517.3/5.4 1 S.Y.Liang, T.N.Wong, G.K.Nathan, Numerical and experimental studies of r