叉流风冷翅片管冷凝器仿真与实验研究

叉流风冷翅片管冷凝器仿真与实验研究

吴俊云1，余 毅1，方 亮1，顾克东2

1. 上海理工大学能源与动力工程学院，上海市 杨浦区 200093 2. 上海海立特种制冷设备有限公司，上海市 杨浦区 200090 摘要： 本文考虑翅片管风冷冷凝器叉流换热实际情况， 建立其稳态分布参数模型对其进行仿 真研究， 并与试验进行对比仿真结果误差较小。 仿真结果表明考虑叉流换热简化假设比较接 近实际，仿真的可信度较高。 关键词：叉流；翅片管冷凝器；仿真

Simulation of a Crossingstream Fin and Tube Condenser

WU Junyun1，YU Yi1，FANG Liang 1，GU Ke-dong2

1. Univ. of Shanghai for Science and Technology，shanghai 200093，China 2. Shanghai Highly Automatic Electric Co., Ltd., Shanghai 200090，China ABSTRACT: In this paper, a crossingstream fin and tube condenser is steadily simulated with considering crossingstream. The experimental results fit the simulation ones very well. The results show the crossingstream simplifying hypothesis is scientific and credible. KEYWORDS: crossingstream; fin and tube condenser; simulation

0. 引言 翅片管式冷凝器在空调制冷等行业有 着广泛的应用， 实际制冷系统中的冷凝器都 是叉流型。然而考虑模型的通用性，一般的 [1-3] 文献 等均假设一维逆流而进行研究。而 未直接考虑叉流换热对冷凝器换热性能的 影响，与叉流换热的实际情况有所不符。 本文针对叉流风冷翅片管冷凝器，考虑 其叉流换热实际情况， 建立稳态分布参数模 型对其进行仿真研究。 1. 叉流翅片管风冷冷凝器物理模型简化 1.1 基本假设 1) 冷凝器为叉排翅片管换热器， 且任一排 换热管空气入口温度取为其来流空气 温度的算术平均值； 2) 换热管内外均达到热力学平衡状态； 3) 管内的制冷剂和管外的空气均为一维 流动；

作者简介： 吴俊云， 博士/副教授， 男， [email protected]

4) 制冷剂在管内为均相流动，无压降； 5) 制冷剂沿管径向传热， 换热管沿轴向及 与其相邻翅片间无换热； 6) 忽略翅片与换热管间的接触热阻和管 壁的导热热阻； 7) 弯头处不与空气发生换热。 1.2 物理模型简化 在上述基本的建模假设基础上，冷凝器 的换热物理模型简图如图 2 所示。

图 2 冷凝器模型

trin hrin prin 制冷剂 空气 tain hain taou haou trou hrou prou

图 3 微元控制体

为了详细研究换热器的传热特性，可将

换热器划分成许多小的控制体。 3 为微元 图 控制体，以及控制体的输入和输出参数。 2. 数学模型 2.1 控制方程组 按照焓差均分微元的大小， 划分的时候 不考虑相区分布。 微元的换热有三个研究对 象：空气、管翅和制冷剂。空气和制冷剂之 间只存在显热交换，不存在潜热交换。 对任一微元，建立如下方程组： 制冷剂侧能量方程： (1) 空气侧能量方程 (2) 制冷剂与空气侧的热平衡方程： （2）两相区换热关联式 (3) 管内外换热平衡方程： (4) 式中:Q、h、t、m 分别换热量、焓值、温度 和质量流量，A 为微元面积，K 为以管外表 面为基准的传热系数；下脚标 r 代表制冷剂 侧， 代表空气侧， 代表制冷剂进口， a rin rou 代表制冷剂出口，ain 代表空气进口，aou 代表空气出口； 为漏热系数，这里取 0.9，

，

（5） 对液体 ， 对气体 ， 式中：l 为管长；f 为管内湍流流动的 Darcy 阻力系数，按弗罗年柯(Filonenko)公式： 计算，式（5）的实 验 验 证 , 范 围 。 为 ：

针对水平内螺纹管内工质为 R134a 的 情况，采用 Cavallin 换热关联式

[5、6]

： （6）

式中：

根据划分微元的个数及冷凝器进出口 焓差可以确定，上述方程组中未知量有 、 和 A，其中， 和 A 都是关于微 为以齿顶为基准的内螺纹直径， 为肋高， h 2.2 换热关联式 （1）单相区换热关联式 在单相区，考虑流体的实际工况，选用 Gnielinski 关联式计算[4]：

元的长度的单值函数，方程组封闭可解。

n 为齿数， 为齿顶角， 为螺旋角， 为表

面张力。 （4）空气侧换热关联式 采用李妩 等人实验得出的换热综合 关联式。

[7]

（7）

3.仿真算法

图 5 电气控制柜空调示意图

本文针对上海海立特的电气柜空调(结 构如图 5 所示)叉流风冷冷凝器进行仿真研 究，其结构参数为：换热管总共 5 排，每 排 8 根。制冷剂上进下出，空气下进上出， 逆流换热，但是，就单根换热管而言，管 外空气与管外的制冷剂之间为叉流换热。 铜管尺寸为 ø9.52×0.35mm， 迎风面管间距 21.65mm， 冷凝器管路总的布局为 U 型布置， 铜管为正六边形布置。冷凝器翅片 125 页， 为正弦波纹形铝翅片，翅片间距 2.4mm，翅

图 4 冷凝器算法流程图

片厚度 0.15mm，采用内螺纹铜管。制冷工 质为 R134a。 表 2 三组冷凝器实验和仿真计算的部 分对比数据，表中的数据均是在空气速度 为 2.4m/s 时测试得到，表中的实验数据来 源于上海海立特种制冷设备有限公司。

冷凝器输入参数为冷凝压力、制 冷剂流量、制冷剂入口温度、空气入 口温度、风速以及风速分布类型；输 出参数为过冷度、冷凝负荷、各相区 长度以及空气出口温度。冷凝器的整 仿真流程如图 4 所示。 4.结果分析

表 2 冷凝器仿真结果与实验结果对比

工 况 1 2 3 制冷剂进口 温度(℃) 53.2 64.5 68.6 压力 (bar) 12 13 17.5 流量 (g/s) 8.3 9.3 9.9 进风温度 (℃） 35 35 50 出风温度 (℃） 48 50 63.9 出风温度计算值 （℃） 47.4 52.5 62.9 制冷剂出口 温度(℃) 46.5 47 60.5 制冷剂出口温度 计算值(℃) 46.3 49.4 61.7

图 6 是三个工况下空气出口温度 的实验值与计算值的对比情况，三个 工况下两者的误差分别是 1.25%， -5%， 1.56%。图 7 是三个工况下制冷剂出口 温度的测试结果与计算结果的对比情 况，三个工况下的二者的误差分别是 0.43%，-5.1%，-1.98%。由此可以得

出，关于冷凝器模型的简化处理以及 假设对计算结果的影响很小，冷凝器 的仿真程序精度满足要求。

[7]

李妩，陶文铨，康海军等. 整体式翅 片管换热器传热和阻力性能的试验 研究. 机械工程学报，1997，33(1)： 81-86.

图 6 空气出口温度对比

图 7 制冷剂出口温度对比

5.小结 本文考虑其叉流换热实际情况，建立叉 流风冷翅片管冷凝器的稳态分布参数模型 对其进行仿真研究， 并与试验进行对比仿真 结果误差较小。 仿真结果表明考虑叉流换热 简化假设比较接近实际，仿真的可信度较 高。 参考文献

[1] [2] [3] 丁国良,张春路. 制冷空调装置仿真与优化. 北京:科学出版社，2001 丁国良,张春路. 制冷空调装置智能仿真.北 京:科学出版社，2002 M.C.Kuo, H.K.Ma, S.L.Chen, C.C.Wang. An algorithm for simulation of the performance of air-cooled heat exchanger applications subject to the influence of complex circuitry. Applied Thermal Engineering 26 (2006): 1-9 [4] [5] 杨世铭,陶文铨. 传热学.北京:高等教育出版 社，1998 Cavallini A, Zecchin R. A dimensionless correlation for heat transfer in forced convection condensation. 6th International Heat Transfer Congress, 1974,(3):309-313 [6] Cavallini A, Delcol D. Heat transfer and pressure dorp during Journal condensation of of refrigeration inside horizontal enhanced tubes. International Refrigeration, 2000,23(1):4~25