風(fēng)冷式冷水機組用翅片管式換熱器組件的結(jié)構(gòu)改
在多“V形結(jié)構(gòu)翅片管式換熱器組件的基礎(chǔ)上，提出一種新型結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)形式能夠改善翅片管式換熱器組件空氣側(cè)的風(fēng)量分布，使靠外側(cè)“V”形組件中2個翅片管式換熱器的風(fēng)量比從1.3：1改善至1：1，制冷模式下的制冷劑液體溫度差由原來的約7℃減小到1．5℃，提高整個翅片管式換熱器組件的效率。
關(guān)鍵詞：冷水機組；“V”形結(jié)構(gòu)；風(fēng)量分配；翅片管式換熱器；中央空調(diào)管理；同方科迅
隨著制冷空調(diào)行業(yè)的發(fā)展以及新技術(shù)、新工藝在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用，不斷提高產(chǎn)品的技術(shù)含量、追求高效節(jié)能、最大限度地獲取經(jīng)濟效益，己成為企業(yè)組織生產(chǎn)所遵循的基本原則。翅片管式換熱器作為制冷空調(diào)領(lǐng)域中廣泛采用的一種換熱器形式，一直備受國內(nèi)外研究人員的重視。
張凡等對4種工程常用的翅片管式換熱器進行試驗研究，給出了在工業(yè)常用的雷諾數(shù)范圍內(nèi)的換熱和阻力特性的試驗關(guān)聯(lián)式，供工程實際選用。肖皓斌指出減小翅片厚度或換熱管尺寸都會導(dǎo)致整體換熱性能的下降，為了保證相同的換熱量，需要綜合考慮成本和性能的影響。張春路等研究了不同風(fēng)速分布形式及風(fēng)速不均勻度對熱泵（空調(diào)）中冷凝和蒸發(fā)兩用換熱器性能的影響，并提出了一種全交錯性流路設(shè)計，降低風(fēng)速不均勻性的影響，提高換熱器效率。筆者在現(xiàn)有多“V”形結(jié)構(gòu)翅片管式換熱器組件的基礎(chǔ)上，提出一種新型結(jié)構(gòu)，模擬分析新型結(jié)構(gòu)內(nèi)各翅片管式換熱器的風(fēng)量分配并進行試驗驗證，結(jié)果表明新型結(jié)構(gòu)的翅片管式換熱器組件性能優(yōu)于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的翅片管式換熱器組件性能。
1現(xiàn)有結(jié)構(gòu)
風(fēng)冷式冷水機組用翅片管式換熱器組件均為多個翅片管式換熱器的組合，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計對其性能影響不可忽視。最常見的結(jié)構(gòu)設(shè)計有倒“M”形和“V”形，V”形結(jié)構(gòu)以其布置靈活、擴展性好的優(yōu)點在業(yè)內(nèi)廣泛被采用。尤其是模塊化設(shè)計的產(chǎn)品，對此結(jié)構(gòu)非常青睞。圖1所示為常見“V”形結(jié)構(gòu)翅片管式換熱器組件示意圖，沿換熱管方向一般比較短，進風(fēng)條件比較優(yōu)越，翅片管式換熱器
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圖1常見“V”形結(jié)構(gòu)翅片管式換熱器組件示意圖
組件的整體利用率相對比較高。然而筆者在使用過程中發(fā)現(xiàn)，在名義制冷工況（即空氣干球溫度為35℃，水側(cè)進／出口水溫為12℃／7℃）下，靠外側(cè)的“V”形組件2個翅片管式換熱器的出口制冷劑液體溫度相差比較大，如表1所示。由于溫度測點使用的是熱電偶，測量值有士0．5℃的偏差。表中翅片管式換熱器1和2，5和6分別組成一個“V”形組件，布置在整個組件的外側(cè)，如圖2所示。翅片管式換熱器1和6的溫度比翅片管式換熱器2和5的低，說明在這2個“V”形組件中2個翅片管式換熱器換熱不均勻；另外在名義制熱工況下，靠外側(cè)的“V”形組件中內(nèi)側(cè)的翅片管式換熱器2和5結(jié)霜嚴(yán)重。翅片管式換熱器結(jié)霜可能是因為制冷劑分配不均勻或風(fēng)量偏小，再結(jié)合制冷工況下，液體溫度偏高，筆者認為靠外側(cè)的“V”形組件2個翅片管式換熱器的風(fēng)量分配不均勻是主因之一，并采用 FLOEFD模擬軟件對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的空氣側(cè)風(fēng)量分配進行模擬分析。
表1現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的每個翅片管式換熱器出口制冷劑液體溫度
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圖2 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的翅片管式換熱器組件模擬分析原型圖
圖2所示為現(xiàn)有翅片管式換熱器組件的模擬分析原型圖，與試驗樣機布置結(jié)構(gòu)相同，翅片管式換熱器1和2，5和6分別為一個“V”形組件，布置在外側(cè)；6個翅片管式換熱器幾何尺寸相同，所用銅管和翅片亦相同。假設(shè)流動是穩(wěn)態(tài)的，空氣為不可壓縮的常物性流體，忽略浮升力作用，進出口均為環(huán)境壓力，控制方程有連續(xù)性方程和動量方程，不求解能量方程。風(fēng)機定義為風(fēng)機邊界，每個翅片管式換熱器設(shè)定為同向性多孔介質(zhì)，阻力曲線見圖3，計算的控制精度為風(fēng)量±0．01m2／s，壓降±0．1Pa
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圖3單個翅片管式換熱器的風(fēng)量壓降曲線
模擬結(jié)果如表2所示，可以看出，中間“V”形組件的翅片管式換熱器風(fēng)量相近。而靠近外側(cè)的“V”形組件，翅片管式換熱器1和6比2和5進風(fēng)條件優(yōu)越，因此得風(fēng)量相對較多，多了近30％。與之相反，翅片管式換熱器2和5得風(fēng)量少，換熱效率低，出口液體溫度相對翅片管式換熱器1和6較高，并且在制熱模式下結(jié)霜嚴(yán)重。模擬結(jié)果與試驗現(xiàn)象比較吻合，證明了風(fēng)量分配是整個翅片管式換熱器組件效率低的主因。
表2現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的每個翅片管式換熱器風(fēng)量模擬結(jié)果
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2新型結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗驗證2．1新型結(jié)構(gòu)設(shè)計
新型結(jié)構(gòu)翅片管式換熱器組件是在現(xiàn)有的多“V”形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整靠外側(cè)“V＂形組件中2個翅片管式換熱器的進風(fēng)面積，達到風(fēng)量分配均勻的目的。在設(shè)計過程中，充分考慮翅片管式換熱器組裝的難易程度、對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形式的影響以及風(fēng)機安裝和進風(fēng)面的影響等多方面因素，兼顧制熱模式運行特點。最終設(shè)計得到如圖4所示的新型結(jié)構(gòu)。新型結(jié)構(gòu)中的6個翅片管式換熱器外形幾何尺寸相同，所用銅管和翅片亦相同。翅片管式換熱器1和6垂直放置，翅片管式換熱器2和5與水平面夾角為55～6°，中間翅片管式換熱器3和4與水平面夾角稍大些，在68～72范圍內(nèi)。經(jīng)過模擬分析發(fā)現(xiàn)靠外側(cè)“V”形組件2個翅片管式換熱器的風(fēng)量分配已經(jīng)趨于均勻（見表3）。此新型結(jié)構(gòu)翅片管式換熱器組件保留了“V”形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，對整機的結(jié)構(gòu)尺寸幾乎沒有影響，安裝方便，結(jié)構(gòu)簡潔。同時能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化設(shè)計，在中間增減“V”形組件可達到改變整體翅片管式換熱器組件面積的目的。
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2．2試驗驗證
試驗樣機是一臺名義制冷量為300kW的風(fēng)冷式冷水（熱泵）機組，測試翅片管式換熱器的主要尺寸如表4所示，測試翅片管式換熱器組件結(jié)構(gòu)如圖5所示。
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在國家認證的標(biāo)準(zhǔn)實驗室中利用樣機做了驗證試驗，根據(jù)試驗要求布置相應(yīng)的測試點，主要測點有壓縮機吸氣溫度、排氣溫度、吸氣壓力、排氣壓力，蒸發(fā)器側(cè)載冷劑溫度和流量、翅片管式換熱器出口溫度等。試驗采用風(fēng)速儀測量翅片管式換熱器的迎面風(fēng)速。為了能夠一次性讀取翅片管式換熱器表面的多點風(fēng)速，采用高精度多點風(fēng)速儀，在靠外側(cè)2個“V”形組件表面的相同位置，選取中間200mm的寬度，沿高度方向均勻劃分方格，每個方格的中心點設(shè)置一個風(fēng)速測量點。每個翅片管式換熱器的迎面風(fēng)速選取各測點的平均值，風(fēng)量由迎面風(fēng)速和迎風(fēng)面積獲得。試驗結(jié)果與模擬對比如圖6所示，兩者的最大偏差在士5％以內(nèi)，在測量過程中，工裝振動對多點風(fēng)速儀的測量有干擾，每個翅片管式換熱器測3次，取平均值，以減小測量誤差。
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圖5測試樣機上的新型結(jié)構(gòu)翅片管式換熱器組件實物圖
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圖6新型結(jié)構(gòu)靠外側(cè)“V”形組件翅片管式換熱器模擬風(fēng)量和試驗風(fēng)量對比圖
在名義制冷工況下，靠外側(cè)“V”形組件2個翅片管式換熱器的制冷劑溫度差值縮小到1．5℃以內(nèi)，見表5。新型結(jié)構(gòu)下的飽和冷凝溫度下降了1．1℃。在名義制熱模式下，未出現(xiàn)翅片管式換熱器結(jié)霜現(xiàn)象。此新型結(jié)構(gòu)改善了整個翅片管式換熱器組件的換熱性能。
表5新型結(jié)構(gòu)靠外側(cè)“V”形組件翅片管式換熱器出口制冷劑液體溫度
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