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强化换热器换热的方法及热力计算

 通过对翅片管式换热器的结构进行改进与优化设计,然后对其换热性能与改进前换热器进行对比计算,结果是改进后的换热器的传热系数得到了提高。

一、调整换热器的翅片间距,设计成为变翅片间距。

1、设计原理

        当气流通过蒸发器时,由于空气中的水蒸气不断地在翅片管表面沉积,空气由于除湿作用相对湿度降低,沿气流方向翅片盘管表面结霜量是递减的,如果采取变片距结构,可以在结霜条件下保持其较高的传热效率,并延长其冲霜时间。当蒸发器采用变翅片间距结构时,实际上已构成了翅片的错列分布,当空气横掠错列翅片时,翅片的交错分布使得上游翅片对下游翅片有绕流作用,由于前面翅片的绕流,翅片的前半部分换热加强,后面的翅片的分布又使得流道变窄,流速提高,翅片后半部分的换热也得到强化。

2、变翅片间距的结构示意图及对比计算

       由于该改进方案采用的是变翅片间距形式,在理论上可近似认为是错列翅片,因此在分析中可借用错列翅片的理论。图1 是所研究的流体纵掠错列翅片的一个二维模型,翅片间距为H ,厚度为t 。

        由于该结构形式实际为错列翅片,当流体纵掠翅片时,气流在上游翅片先受到扰动,因此在前几排管上的翅片换热加强,当气流流经后几排管子时,由于流通截面迅速变窄,流速提高,使流体在原有的基础上又进一步受到挤压,扰动更加剧烈,因此通过后加上的一组翅片,使换热也得到了强化。

       通过变翅片间距的结构改进,冷风机在外形尺寸即高度、宽度和管总长度不变的前提下,在结霜工况下运行时仍可保持较高的传热系数,且采用变翅片间距结构的冷风机比等翅片间距结构冷风机的传热系数提高了9. 8 % ,且传热面积有所提高,通过提高传热系数和传热面积从而达到强化传热的目的(图2) 。

对于翅片管式换热器,其传热系数的计算采用下列公式。式中: hi ,h0为管内制冷剂和管外空气侧换热系数(W/(m2·K) ) ; Fi, F0 为管内、外面积( m2 ) ; β为管内外面积比; ri , r0为管内、外表面的污垢系数( (m2·K) / W) ;λ为管壁导热率(W/ (m·K) ) ;η为肋化效率; di , d0为管子内/ 外径(m) 。对于制冷量Q0 =2. 67 kW 的制冷系统,经过结构改进,其热力性能计算结果如表1 所示。

二、加强管内流体流动,管内壁加工变螺距内螺纹。

1、设计原理

2、变间距内螺纹翅片管结构示意图及对比计算对等间距内螺纹翅片管换热器管内螺纹进行改进,由于管内有规则、连续的凸肋和凹槽发生改变,使之内表面积比等间距增大8. 4 %,传热系数增大3. 82 %,管内换热系数也增加了4. 89 %。等间距与变间距内螺纹管结构示意图如图3、图4 所 式中: f m为单位管长管子平均面积(m2 ) ; f i为单位管长管子内面积(m2) ; f 2为单位管长管子总外表面积(m2) ;αi为管内对流换热系数(W/ (m2· K) ) ;αw 为管外对流换热系数(W/ (m2· K) ) 。

       对于汽车空调系统,当负荷Q0 = 4 kW ,其热力性能计算结果如表2 所示。

这几年，小管径在空调器中应用较多，它不仅降低了成本，而且降低了易燃工质如R290的爆炸风险，但与此同时，小管径的应用也减少了换热面积，使得空气压降增加。

        因此，为了保证采用小管径换热器的空调器具有良好的性能，我们今天来分享下关于小管径翅片管换热器的优化设计方法。

步骤4：换热器性能测试

       图7（a）和（b）分别为优5 mm 管翅片换热器的换热量和空气压降测试结果。本文仅展示优5 mm 管翅片换热器的测试结果。为了开发关联式，研究中还加工并测试了其他结构的5 mm 管翅片换热器。

        基于大量的5 mm 管翅片蒸发器的实验结果，采用多重线性回归方法，开发了小管径换热器性能的预测关联式；并在制冷剂流路设计中，采用了所开发的5 mm 管翅片蒸发器性能的预测关联式。

2、制冷剂流路设计结果  

        根据翅片结构的设计结果，原始空调器和优化空调器的结构参数见表3。通过基于仿真设计的方法，得出小管径室内机换热器及室外机换热器的换热量。从图8（a）可知：采用5 mm 管换热器的室内机换热器与室外机换热器的换热量与图8（b）所示的原始空调器的换热量几乎相等。由图8（b）可知：采用小管径换热器的室内机的制冷剂充注量比原始室内机减少30%， 总充注量可以减少27%。