（制冷及低温工程专业论文）翅片管换热器的换热性能分析和数值模拟.pdf

上海交通大学硕士学位论文 摘要 i 翅片管换热器的换热性能分析和数值模拟 摘要 换热器作为热力系统和制冷空调装备中的一个重要部件对其 换热性能的研究一直是科研人员热衷的课题随着冷热水机组作 为小型中央空调主机的应用日益广泛 风机盘管的应用必将随之变得 更加普遍风机盘管由翅片式热交换器盘管和风机两大主要部件 组成空气处理的效果取决于这两大部件而翅片管换热器普遍应用 于家用空调中因此翅片管换热器换热性能的好坏直接影响着空气 处理的效果 本文的研究工作主要有两部分组成1采用非线性拟和方法对 总传热系数模型进行了拟和并分析了管壁温度和出口状态参数2 运用 fluent 软件对冷凝器的换热特性进行了分析并与实验值比较 在对翅片管换热器的换热性能的研究中 本文摆脱了传统最小二 乘法拟合的束缚采用了 mathematica 数学工具直接对总传热系数进 行了非线性拟合从而分离出了管内外两侧的换热系数避免了迭代 求取壁温的困难然后分析了管壁温度和出口状态参数对二者的 影响因子进行了分析同时结合结构参数的影响整合出了特定的准 则关联式经过拟合得到了准确度较高的准则关联式最后运用 fluent 软件对翅片管冷凝器进行了数值模拟 建立了翅片管冷凝器空 气侧流动传热的三维数值模型并采用流固耦合的方法准确地确定 了传热边界条件 所得的换热系数和出口温度计算结果与实验值吻合 上海交通大学硕士学位论文 摘要 ii 良好充分证明了该数值算法的有效性这为换热器结构优化和产品 开发提供了一定的依据尤其是新产品的性能预测等问题并为制冷 空调系统的数字化设计提供了良好的理论平台 关键词关键词翅片管换热器换热系数管壁温度关联式数值模拟 上海交通大学硕士学位论文 abstract iii performance analysis and numerical simulation of fin-tube heat exchanger abstract as an important part of the thermal system, refrigeration system and air-conditioner, heat exchanger never loses attraction. due to cold/hot-water set widely used in small air-conditioner system, fan coil becomes more and more popular. there are mainly two basic parts in fan coil: fin-tube heat exchanger and coil. and the performance of air treatment depends on these two parts. in the meanwhile fin-tube heat exchanger is well applied in residential air-conditioner. therefore, fin-tube heat exchangers performance directly affects the performance of air treatment. in this paper, two problems are focused on: 1. nonlinear regress and analysis of heat transfer coefficients model, including tuber temperature and output status parameters; 2. thermal analysis of condenser with fluent. in the research of fin-tube heat exchanger, firstly, mathematica (math tool) is introduced and applied in the regress and analysis of heat transfer coefficients model instead of traditional least square method. this method, based on nonlinear regress, factorizes tube temperature and output status parameters, and avoids the iteration solution of tube 上海交通大学硕士学位论文 abstract iv temperature. secondly, tube temperature and output status parameters are analyzed, and so do the influencing factors. then the high-precision tie-in equation is developed. finally, fin-tube condenser is simulated with fluent, and a three dimensional thermal-hydraulic model is developed for the analysis of fluid flow and heat transfer at air side of finned tube heat exchanger. furthermore, heat transfer boundary condition of fin and tube adjacent to air side was determined by means of liquid-solid coupled method for air-side heat transfer calculation. the model calculates heat-exchanger coefficient and output temperature and the numerical simulation results were validated by limited experimental data on a fin-and-tube heat exchanger. it showed good tendency with experimental data. the technique may be suitable for optimization of the design and simulation operation of the fin-and-tube heat exchanger, especially for the prediction of new products, and has many promising applications. key words: fin-tube heat exchanger, heat-exchanger coefficient, tube temperature, correlation, numerical simulation 上海交通大学硕士学位论文 符号说明 vii 符号说明 1a t 进风干球温度 2a t 出风干球温度 a t 定性温度 1s t 进风湿球温度 2s t 出风湿球温度 1w t 进水温度 2w t 出水温度 w g 水流量 kg/min a g 风量 kg/s o d 管外径 m 1 s 管子纵向间距 m 2 s 管子横向间距 m f s 翅片间距 m f 翅片厚度 m eq d 当量直径 m d 含湿量 kg/kg 干空气 相对湿度 析湿系数 q 全热量 w x q 显热量 w q q 潜热量 w f 翅片效率 s 翅片表面效率 o 空气侧对流换热系数 () 2 /wm o f 管外换热总面积 2 m i 水侧对流换热系数 () 2 /wm i f 管内换热总面积 2 m wall t 管壁温度 a 空气导热系数 /w m k d l 翅片宽度 m i 水的导热系数 /w m k reo 空气侧雷诺数 rei 水侧雷诺数 pri 管内流体侧普朗特数 f f 单位管长翅片表面积 2 m o 空气动力粘度系数 2 /ms i 水的动力粘度系数 2 /ms t f 单位管长换热器外表面积 2 m i f 单位管长的内表面积 2 m () 2 oi m dd f + = f w 迎面风速 /m s y v 水速 /m s 上海交通大学硕士学位论文 符号说明 viii l 换热管总长 m n 管内流体分路数 f a 迎风面积 2 m s r 冷凝温度 k t 下的汽化潜热 kj/kg m b 制冷剂液膜组合物性参数 mmmm b/81. 9 3 = g 进入冷凝器总的制冷剂的质量流量 kg/s i f 冷凝器管内总表面积 2 m ii dlf= 总管长 q 热流密度 2 /w m ri g 制冷剂单位面积质量流量 2 /()kgms in p 制冷剂进口压力 pa out p 制冷剂出口压力 pa cr p 制冷剂 r22 临界压力 pa 制 管内制冷剂定性温度下的导热系数 /w m k 管内制冷剂干度 管内制冷剂定性温度下的动力粘度系数 w 壁温对应下的动力粘度系数 i r 管内侧污垢热阻通常取 0.00001 2 /wm o r 管外侧热阻通常取 0.0001 2 /wm 1 h 空调器室内侧回风空气焓值 j/kg干 2 h 空调器室内侧送风空气焓值 j/kg干 a g 空调器室内侧测点的风量 m3/s n v 测点处湿空气比容 m3/kg d 测点处空气绝对湿度 kg/kg )(电加热 w 电加热器输入量 w 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密保密在 年解密后适用本授权书 本学位论文属于 不保密不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 刘相艳刘相艳 指导教师签名谷谷 波波 日期 2006 年 2 月 15 日 日期 2005 年 2 月 15 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名刘相艳刘相艳 日期 2006 年 2 月 15 日 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 课题研究背景和意义 用来使热量从热流体传递到冷流体 以满足规定的工艺要求的装置统称为换 热器换热器在实际工程中有着广泛的应用它是空调制冷化工石油轻 工食品医药动力以及核能电站等许多行业都广泛使用的主要设备采取 什么样的换热器对节能有着重要意义 对其换热性能的研究亦是当前的主要任务 之一同时工业的发展需要体积小重量轻传热好阻力小的高效换热器传 热的强化可使换热器的体积缩小节省金属材料或使现有换热器的热功率或 容量提高并降低换热器的能耗 按换热器的操作过程可以将其分为三大类1 (1) 间壁式换热器 冷 热流体由壁面间隔开来分别位于壁面两侧的换热设备 如空调器中使用的换热器 (2) 混合式换热器冷热两种流体通过直接接触互相混合来实现换热的设 备如火力发电厂中的冷却塔化工厂中的洗涤塔等 (3) 蓄热式换热器 冷热两种流体依次交替地流过同一换热面而实现热量交换 的设备如炼铁高炉及炼钢平炉中常用这种换热器来预热或预冷空气 以上三种换热器中 间壁式应用最广 它又分为套管式 壳管式 交叉流式 板式螺旋板式等五种形式其中交叉流式又分为管束式管翅式和板翅式 在房间空调系统和大型中央空调系统中基本都采用翅片管式换热器其性 能的好坏直接影响着整个系统的性能因此换热器的研究一直是制冷空调领域 中一个非常活跃的研究方向 常见的翅片管换热器的外侧通常空气或烟气2横掠由于气体侧的换热系数 很低为此就需要在气体壁侧加装翅片肋化系数可达 25 左右大大增加了气 侧的换热面积强化了传热与光管相比传热系数可以提高 12 倍这类换 热器较紧凑适用于两侧流体换热系数相差较大的场合加装翅片虽然提高了传 热系数但同时也大大增加了翅片侧的阻力从而增加了机械功的消耗另外 在选择设计换热器时还应考虑换热器体积重量及迎风面积等因素 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 2 肋化管束的换热状况取决于换热器的几何参数管径管束排列方式管排 数翅片距翅片厚度及管内外流体流速流体性质热流方向等诸多因素 分析求解翅片管换热器表面对流换热问题实际上是联立求解包括由连续性方 程动量方程能量方程和对流换热方程构成的微分方程组3在附加某些假设 的前提下给定单值性条件求解上述微分方程组是完全可行的数值模拟方法 应运而生它也叫计算机模拟是以电子计算机为手段通过数值计算和图像显 示的方法达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的4 另外 采用实验方法确定其基本换热特性5然后用模型定律扩展实验结果 也是目前较常用的方法 翅片的种类呈多样化发展如人字型片波纹片单桥片双桥片等6这 些设计大大增加了对流经表面的流体的扰动 从而能极大地增强换热器的换热性 能因此翅片管换热器的研究一直是研究人员的重点特别是工程应用上的简 化计算需要作大量工作 而传统经典的换热性能计算公式对于新产品越来越不精 确因而在传统的准则关联式基础上拟合新的准则关联式将会对新产品的性 能分析提供理论依据 1.2 换热器研究现状与发展 1.2.1 研究换热器传热特性的方法 在现代的大型动力和工艺装置中稳态对流换热过程起着重要作用它是间 壁式换热器和具有内能源的换热器内的基本换热过程 对流换热是流体与固体表 面之间的换热过程是十分复杂的流体力学和传热学问题求解这一问题即求 解包括由连续方程 动量方程 能量方程和换热方程组成的微分方程组3但是 对于实际的换热过程不论是分析求解还是数值求解都具有很大的难度同时 对流换热的影响因素十分复杂即便是实验求解仍有很大难度所以在对流 换热实验中还要借助于相似理论 对流换热实验研究的主要目标是实验求解换热系数的规律或求解其温度分 布规律用实验求解对流换热的准则关系式有稳态法和瞬态法两种 1. 稳态法 在稳态法实验研究中能有充分的时间测量实验参数而且可以对实验结果 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 3 进行较细致地误差分析因此稳态法数据具有较高的可信度稳态法包括牛 顿换热公式直接求得法即壁面温度测定法威尔逊的分离传热系数法多参 数优化拟合法等雷诺数最小二乘法等等但这些方法都有各自的适用范围和 条件 (1) 雷诺数法7 对于具有冷热通道几何相似的换热器如套管换热器板式换热器等在无 相变换热跳进下应用等雷诺数法来获得对流换热系数是比较合适的一种方法 等雷诺数法要求换热面两侧流体通道几何相似 实验中两侧流体的雷诺数相等等 条件 (2) 威尔逊法8 利用分离传热系数 k 求取平均对流换热系数可以有许多不同的分离方法 如汽气系统法威尔逊法曲线拟合图解法和双参数迭代法等威尔逊法从数学 上来说是通过曲线对一系列实验点的拟合分离出换热系数所以是一种曲线拟 合的分离法 应用威尔逊图解法应具备以下条件 (a)对所需要测定一侧的对流换 热系数与实验变量的方次关系必须已知(b)在同一组实验中必须保持另一侧流 体的换热情况基本不变 (c)在同一组实验中应使污垢热阻基本不变 应用威尔逊 法在一定条件下可以求取总污垢热阻 (3) 多参数优化拟合法9 多参数优化拟合实验研究方法可以在有确定的换热准则形式下应用优化 计算同时确定换热面两侧流体的对流换热规律及其它参数该方法实验过程简 单 只需测量各个工况下的冷 热流体进 出口温度和流量 不比进行壁温测量 大大提高测试精度该方法应用优化计算原理保证最佳选择参数和最优拟合 计算精度高计算过程计算机程序化为紧凑式换热器扩展表面换热器及其它 形式换热装置的实验室研究及工业性试验研究提供了有效途径 (4) 瞬态法8 瞬态法由于节省时间运行费用低等优点越来越受到人们的重视近年来 得到很大的发展不论在威尔逊法或等雷诺数法都要求能评经验预先确定反映 放热规律的数学模型函数形式这在一定程度上影响了结果的正确性而且 这些方法都要在达到热稳定情况下进行 瞬态法与这些方法同样地不需要测量壁 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 4 温也不必预先确定反映放热规律的数学模型要求在非热稳定下进行瞬态法 的原理如下 在流体流入换热器的传热面时对流体突然地进行加热或冷却这时 流体进口温度将按某种规律变化如指数函数流体的出口温度也相应地发 生变化 流体出口温度的瞬时变化是流体进口温度条件和该传热面之间的传热单 元数 ntu 的单值函数通过建立热交换的微分方程组由分析解可予预先求的 流体的出口温度与时间 t 及传热单元数 ntu 间函数关系由于 ntu 数未知值 所以要将实验测得的流体出口温度随时间的变化与计算所得的曲线簇进行配 比通过配比与实验值最相吻合的那条流体出口温度的理论曲线值就是该传 热面在测定工况下的 ntu 值由于在此的 ntu 定义为 pfc m f ntu = 1-1 其中 f m质量流量 p c流体定压比热因而就可求得其对流换热系数 (5) 热质类比法8 上述各法都只能确定平均的对流换热系数国外在五十年代后期采用萘升 华技术求取对流换热系数七十年代开始用于确定局部对流换热系数国内 近年来也开始了这方面的研究 热质类比法的原理是 先将萘在模型中浇注成型 在按实际的换热器结构组合成试件让与试件温度相同的不含萘的空气流过试 件由于萘的升华作用构成传热面的萘片表面各处的厚度都将发生变化通过 测定实验前后萘片的重量及沿萘片表面各处的厚度变化气流温度实验持续时 间及空气流量等计算出萘与空气的总质量交换及局部质量交换率再根据热质 交换的类比关系即可求得平均及局部的对流换热系数 1.2.2 换热器传热特性的研究文献综述 从查阅的文献来看对于翅片管换热器的换热性能的研究其研究工作主要 集中在以下几个方面 (1) 数值模拟的研究进展 随着计算机仿真计算能力的不断提高通过建模来分析系统的特性可以省 去大量的实验测试和重复劳动 国内很多的硕士博士研究课题就是针对翅片管换 热器性能的模拟与优化仿真10-16a.bensafi17建立了应用纯制冷剂或者混合制 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 5 冷剂的平翅片管换热器详细设计计算机模型在建模过程中他把整体系统离散 化为一个个换热管小单元在这些单元上应用当地的温度压力物性等等来建 立控制方程这些微元控制方程的积分就是整个系统的模型李国祥毛华永18 基于对换热器内流体流动通道间传热的热力学第一定律的分析, 提出了换热器 数值计算中传热边界条件的设定方法 通过对采用不同传热边界条件数值计算结 果的对比分析, 并与实验测试结果对比, 证明该边界条件设定方法切实可行, 而 且可以提高计算结果可信度 祝银海和厉彦忠19对提出的一种新型板束结构换热 器的物理模型用有限元的方法进行了数值模拟 对其进行了传热性能和压力损失 分析李惠珍20通过数值模拟得出了 x 型双向开缝翅片的效率计算曲线应用 场协同原理对数值模拟得到的气流在一对翅片之间的温度场速度场对流换 热系数及压降在流动方向上的沿程变化进行了分析结果表明开缝翅片有效强 化传热的根本原因是翅片开缝后改善了速度和温度梯度的协同性 (2) 对机器露点温度和出口温度的探讨 殷平21根据大量实验资料给出表冷器机器露点的分布规律分析了影响表 冷器机器露点的各种因素指出机器露点不是一个定值其值与空气初相对湿 度表冷器排数结构形式迎风面风速管内冷水流速和表冷器加工质量等 有密切的关系王晋生22建立了水冷式表冷器冷盘管表面平均平均热状态在干 工况和湿工况下的数学表达式 通过理论和实验分析了各影响因素及影响程度 指出了对于结构特性一定的表冷器干工况下冷盘管表面平均热状态温度和进 风干球温度冷水初温成线性关系湿工况下在空调常用范围内冷盘管表面 平均热状态焓值和进风焓值冷水初温成线性关系且两种工况下冷盘管表面 平均热状态温度或焓值都随迎面风速增大而增大随水流速增大而减小 赵培新23应用解析法计算出换热器的流体出口温度通过公式推导建立了解析 的数学方程 (3) 几何结构对换热的影响 1976年goldstein和sparrow24采用质量传递技术对翅片间距1. 65mm换 热管直径8. 53mm的人字形换热器模型的局部和平均传质系数进行了测定发现 波纹形换热器的传质系数要比平翅片形的高出45 %1987年beecher和fagan25 对27种不同结构的换热器进行了实验研究其中有21种为波纹形翅片结构波纹 形翅片换热器全部采用错排的方式进行布置由于其实验方法采用电加热的方 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 6 式并且热点偶预埋在翅片表面, 使换热器的翅片效率为100 % ,并无论考虑接触 热阻的影响1997年,wang et al26对18种不同结构以及不同管排排列方式顺 排和错排下的典型波纹形翅片换热器进行了实验研究试验结果表明翅片间 距对换热因子的影响可以忽略不计 同时管排数对摩擦系数的影响也是可以忽略 不计的指出波纹形翅片的换热系数要比对应平翅片的换热系数高55 %70 % , 同时其压降损失要比平翅片的大66 %140 %1998年madi et al27对28种不同 规格的翅片管式换热器包括平翅片和波纹型翅片进行了测试,测试的风速范 围从120msps测试的结构参数包括不同的管排数翅片厚度翅片间距管 排间距和管列间距实验表明波纹型翅片的换热因子j和摩擦因子f均比平翅片 的大主要是由于波纹形翅片改变了空气气流的流动方向增强了空气的流速 加强了空气在翅片间的湍流强度但这也同时造成压力损失的增加进而增大了 摩擦因子2002年张恩泽28等对表冷器的翅片间距对换热的影响进行了研究 指出对6排管波纹片表冷器 在常用片距2. 43. 4mm范围内 不论是从单位体积 换热量还是从单位阻力换热量来衡量间距为3. 263. 33mm时其性能都是较 好的 (4) 空气侧流动与换热性能分析 在国内外很多学者研究空气在空冷式冷凝器中的表现张智涂旺荣29的 空调用冷凝器中的空气流动与传热进行了分析chi-chuan wang30通过实验研 究了空气在槽片管上的性能特性 空气在干工况的性能研究比较简单 它是湿工 况的基础,因为它不涉及到传质的问题 chi-chuan wang 和 chang-tsair chang31 研究了在平翅片管上有无亲水膜状况下空气侧传热传质情况luis rosario32 探讨了除湿工况下半湿润锥形翅片上的换热情况 man-hoe kim33在除湿工况下 翅片管换热器空气侧的性能研究 陈坚 刘凤珍34 35研究了结霜会空气换热的性 能影响情况鉴于结霜问题的复杂性本文不涉及结霜问题 1.3 本文主要工作 本文采用总传热系数分离确定方法分离出管内外两侧的换热系数公式避 免了传统方法中求解壁温所必须采取的迭代问题和由此带来的较大误差问题 采 用 fluent 软件对翅片管换热器进行了数值模拟 得到了数值模拟方法得出的总传 热系数并与实验数据比较取得了良好的精度同时对管外换热情况进行了较 详细地分析 研究翅片管换热器管内外侧的换热性能是本文的重点 根据实验所提供的数 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 7 据拟合得出更加准确的换热关联式进而在此基础上建立新的翅片管换热器模 型为新产品开发和样品性能预测提供理论依据是本论文的工作目的 主要的研究对象是翅片管换热器管内运行的工质有两种水和制冷剂管 外空气横掠管内走水的换热器被风机盘管所采用管内走制冷剂的换热器为家 用空调所采用在对空气进行冷却运行时根据空气侧有无冷凝水析出翅片管 换热器又可以分为干工况运行和湿工况运行因此涉及的内容将包括翅片管 换热器水侧单相换热系数 制冷剂侧蒸发 冷凝两相换热系数 空气侧的干工况 湿工况换热系数以及换热器总的传热系数确定了换热器这些性能参数后就 可以较准确计算所需换热器的具体结构尺寸 从而为换热器研发设计提供强有力 的理论支持 在综合参考了国内外近几十年来大量有关翅片管换热器系统各项性能研究 资料和相关领域文献的基础上 本文对不同运行状态下的翅片管换热器系统进行 了性能参数拟合并针对紫铜管套铝翅片换热器的换热性能进行了如下研究 1. 使用总传热系数分离确定方法分离出了管内外换热系数准则关联式 在 避免求解壁温的情况下拟合出了管内外换热系数并把分离出的结果 与实验结果进行了比较验证了该分离方法的有效性 2. 拟合得到了翅片管换热器的总传热系数公式管壁温度准则关联式出 风参数准则关联式这为换热器的研发设计提供了理论依据 3. 采用 fluent 软件对翅片管冷凝器进行了数值模拟 计算得到了总传热系 数和出风温度并与实验值比较取得了良好的精度同时对管外换热 情况进行了较为详细地分析 上海交通大学硕士学位论文 第二章 实验装置与数据处理 8 第二章 实验装置与数据处理 2.1 焓差法实验原理 依据国标 gb/t7725-1996空气焓差法实验需要两个相邻的房间其中一个 作为室内侧小室另一个用作室外侧小室这两个实验小室里的空气在试验机组 和空气再调节机组的共同作用下应该能保持在试验条件规定的范围内通过空 气取样装置分别测量房间空调器室内机送 回风口空气的干球温度和湿球温度以 及计算相对湿度 即可得到取样截面处的空气状态 求出送 回风空气间的焓差 同时测量室内机的风量 测得的风量与焓差相乘即可得到房间空调器的制冷量或 制热量下图是焓差法整体实验台包含室内和室外的示意简图从下面可以 更加清楚的了解焓差法实验台的整体布置和运行情况箭头表示空气的流动方 向 室内侧控制设备是单独的一套空气控制设备 用来调节被测设备需要的运行 工况构造出需要的控制环境包含制冷加热加湿等装置从室内控制设备 出来的空气进入测试间这里的空气状态点即是进入蒸发器的空气状态点用温 度压力传感器测量这时的状态 在室内侧测量室内翅片管换热器的出风口连接一风道用空气取样仪测量 风道内空气的流速 干湿球温度 制冷剂侧或水侧也同时测量它的压力温度状态 图 2-1 焓差法系统整体测试示意图 微压差传感器 上海交通大学硕士学位论文 第二章 实验装置与数据处理 9 这里包括制冷剂侧的蒸发压力蒸发温度蒸发器进出口的制冷剂压力和温度 在室外侧测量室内除了测量与室内侧相同的温度压力风速室外侧认为 湿球温度是基本保持不变的没有湿交换同时还需要在测量制冷剂或者水的 流量 2.2 焓差法实验的计算依据 根据国家标准 gb/t7725-1996可知制冷量的计算公式 () ()dv hhg q n + 1 21a 制冷 (2-1) 又由 )(电加热制 wq即制冷量等于电加热器输入的功率制热量为 () ()dv hhg q n + 1 12a 制热 (2-2) 式(2-1)(2-2)中相关参量如下 1 h 空调器室内侧回风空气焓值j/kg干 2 h 空调器室内侧送风空气焓值j/kg干 a g 空调器室内侧测点的风量m3/s n v 测点处湿空气比容m3/kg d 测点处空气绝对湿度 kg/kg )(电加热 w 电加热器输入量w 2.3 实验装置及布置要求 2.3.1 实验主要设备 (1) 室内侧再处理机组包括制冷电热电加湿器风机循环风道 根据被测试设备的功率选取电加热器为了调节方便可以分为若干组 电加湿器也相应的分成几组 (2) 室外侧再处理机组包括制冷电热电加湿器风机 (3) 空气采样装置 2 套室内外个一套包括取样管取样风机干湿球 温度计空气采用装置可以进入风道在不改变风道内的空气流测取 上海交通大学硕士学位论文 第二章 实验装置与数据处理 10 所需要的参数 (4) 焓差装置箱一套包括平衡箱微压差计喷嘴若干整流板两 块变速排风扇温湿度测量器 (5) 若干压力传感器和温度传感器质量流量计大气压力计 (6) 将控制集中于控制台采用 pid 调节并自动控制电热电加湿用计算 机自动控制数据采集及报告处理 2.3.2 实验装置布置要求 对于焓差法试验台的设计布置根据试验设备场地具体实验条件等的不 同所采取的方法是不相同的而试验装置设计布置得合理与否也直接影响道试 验测试的准确性 当空调器运行工况稳定后进入空调器的空气焓值为 1 h由于机组的冷却除 湿 空调器送出的空气的焓值变为 2 h则空调器在该工况下的制冷量q就是通过 机组的风量 a g 与空气的焓差的乘积即)(21hhgq a 由上面的计算公式可知 空气焓差法的关键是准确测量空气冷却设备进出口 空气焓值空气焓值只能间接测量得到需要测得当地空气干球温度湿球温度 才能求出焓由于焓是湿球温度的单值函数故湿球温度测量的准确度直接影响 到焓值的准确度按空调基本理论要保证湿球温度的测量的有效性必须采取 如下措施1在试验装置周围的空气速度不超过 2.5m/s2如果对试验房间或 区域的室外工况有要求 则应具有足够的体积和使试验中空调器的气流场能够改 变3试验房间的尺寸除了正常安装所要求的距地或墙之间的尺寸外应使 房间以表面到空调器的送风口表面的距离不小于 1.8m到空调器的任一表面的 距离不小于 0.9m房间再处理机组的送风量应不小于室外部分空气流量4在 空调器送回风方向的气流要求工况温度温度均匀低速 同时还有注意将空气测量装置安装在室内侧并使它与空调器送风口相接 空 气测量装置应有良好的保温从空调器送风口开始保温直至测量点为止包括 连接风管在内漏热量不能超过被测制热量的 5试验房间内设有空气再处理 机组以保证空调器的会风参数在规矩的干球湿球温度范围内 2.4 实验结果 实验对象为翅片管换热器分管内走水和管内走制冷剂两种因此实验结果 的数据结构也分两种在此采用管内走水的方式表达 如图 2-2 为翅片管换热器的结构示意图盘管呈叉排排列空气横向掠过 上海交通大学硕士学位论文 第二章 实验装置与数据处理 11 管内走冷热水二者之间发生热湿交换从而达到处理空气的效果翅片管 热交换器的铝片和铜管的机械结构参数改变会带来换热效果的显著变化 会直接 影响到对空气的处理效果 翅片管换热器的基本几何结构参数如表 2-1 所示 表 2-1 换热器几何结构参数 翅片厚度 0.12mm 管壁厚度 0.35mm 管外径 8.8mm 纵向间距 s1 25.4mm 横向间距 s2 21.9mm 管排数 2/3 翅片间距 1.814mm/2.117mm 换热管总长 1.332m 其中实验研究的换热器的翅片间距分为两种1.814mm2.117mm管排数 有 2 排和 3 排两种情况工况分为制冷和制热两种工况 实验结果有以下参数 进风干球温度 进风湿球温度 进水温度 出风干球 出风湿球水流量风量等实验结果分两种情况介绍表 2-2 为制冷工况下的 实验结果表 2-3 为制热工况下的实验结果 图 2-2 管内走水的翅片管换热器结构图 fig.2-2 the structure of water inside fin-tube heat exchanger 1 进水总管2铜管3铝翅片4出水总管 上海交通大学硕士学位论文 第二章 实验装置与数据处理 12 表表 2-2 制冷工况下的实验结果参数制冷工况下的实验结果参数部分实验数据部分实验数据 进风干球 ta1() 进风湿球 ts1() 进水温度 tw1() 水温升 tw() 出风干球 2a t() 出风湿球 2s t() 水流量 w gkg/min 风量 a g(kg/s) 24 17 5 4 12.32 11.69 29.41 0.57 24 18 5 4 12.49 11.99 33.92 0.57 24 19 6 8 17.11 16.51 8.69 0.59 25 17 5 4 12.41 11.65 29.51 0.56 25 18 5 4 12.59 11.98 33.83 0.56 25 20 7 8 18.09 17.53 9.01 0.59 26 17 5 4 12.49 11.55 29.87 0.56 26 18 5 4 12.68 11.98 33.76 0.56 26 20 5 6 14.73 14.23 23.51 0.57 26 21 10 7 19.63 19.01 9.19 0.59 27 18 5 4 12.77 11.96 33.70 0.56 27 19 5 4 12.95 12.28 38.28 0.56 27 21 5 8 16.87 16.36 15.38 0.57 27 22 10 8 20.78 20.14 8.01 0.60 28 19 5 4 13.04 12.27 38.19 0.56 28 20 5 4 13.21 12.58 42.96 0.56 28 21 5 4 13.41 12.91 47.92 0.56 28 22 8 8 19.37 18.80 11.94 0.58 29 20 5 4 13.31 12.58 42.86 0.55 29 21 5 4 13.49 12.90 47.81 0.55 29 22 5 5 14.53 14.04 39.21 0.55 29 23 9 8 20.36 19.80 12.44 0.58 30 20 5 4 13.39 12.57 42.78 0.55 30 21 5 4 13.59 12.89 47.70 0.55 30 22 5 4 13.77 13.21 52.84 0.55 30 23 5 6 15.66 15.16 33.45 0.55 31 21 5 4 13.67 12.88 47.60 0.55 31 22 5 4 13.86 13.20 52.72 0.55 31 23 5 4 14.06 13.53 58.02 0.55 31 24 6 7 17.50 16.97 27.29 0.56 32 22 5 4 13.95 13.19 52.59 0.55 32 25 10 8 21.63 21.02 15.92 0.57 33 25 5 6 16.35 15.83 40.57 0.55 33 26 10 8 21.84 21.25 19.00 0.56 34 24 5 4 14.51 13.84 63.13 0.54 34 25 10 8 21.79 20.95 16.05 0.56 35 24 5 4 14.60 13.83 62.98 0.54 上海交通大学硕士学位论文 第二章 实验装置与数据处理 13 表表 2-3 制热工况下的实验结果参数制热工况下的实验结果参数部分实验数据部分实验数据 进风干球 ta1 () 进水温度 tw1 () 水流量 gw (kg/min) 出风干球 ta2 () 水温升 tw () 风量 ga (kg/s) 18 40 10.5 28.35 8.68 0.61 18 45 10.5 30.77 10.74 0.61 18 50 139.2 39.55 1.37 0.61 18 55 10.5 35.69 14.94 0.61 18 60 139.2 46.38 1.81 0.61 18 90 139.2 67.06 3.17 0.61 18 95 10.5 55.87 32.65 0.61 18 100 139.2 74.01 3.64 0.61 19 40 10.5 28.9 8.28 0.60 19 45 139.2 36.5 1.11 0.60 19 50 10.5 33.79 12.42 0.60 19 55 139.2 43.32 1.54 0.60 19 60 10.5 38.75 16.65 0.60 19 65 139.2 50.17 1.99 0.60 19 70 10.5 43.76 20.98 0.60 19 75 139.2 57.06 2.44 0.60 19 80 10.5 48.82 25.4 0.60 19 85 139.2 63.98 2.89 0.60 19 90 10.5 53.92 29.91 0.60 19 95 139.2 70.93 3.35 0.60 19 100 10.5 59.03 34.49 0.60 20 40 139.2 33.46 0.85 0.60 20 100 139.2 74.81 3.54 0.60 21 40 10.5 30.01 7.48 0.60 21 45 139.2 37.2 1.03 0.60 21 100 10.5 60.24 33.57 0.60 22 40 139.2 34.16 0.77 0.60 22 45 10.5 33 9.12 0.60 22 50 139.2 40.95 1.17 0.60 22 100 139.2 75.61 3.44 0.60 23 40 10.5 31.1 6.68 0.60 23 45 139.2 37.9 0.95 0.59 23 50 10.5 36.02 10.78 0.60 23 100 10.5 61.43 32.66 0.60 24 40 139.2 34.86 0.69 0.59 24 45 10.5 34.1 8.32 0.59 24 50 139.2 41.65 1.07 0.59 24 100 139.2 76.41 3.34 0.59 25 40 10.5 32.19 5.89 0.59 25 45 139.2 38.6 0.87 0.59 上海交通大学硕士学位论文 第二章 实验装置与数据处理 14 2.5 实验数据处理的理论依据 2.5.1 定性温度计算 在进行传热实验性能分析和整理并回归翅片管换热器传热性能的准则方程 时需确定空气的物性参数而空气的物性参数与温度有关传热学中把这一温 度称为定性温度本文取管内空气平均温度为定性温度根据相似理论只要按 照实验时所选取的流体定性温度 在应用该实验结果整理出的准则方程式进行计 算时其计算结果就是正确的工程上在对流换热中一般也取流体的平均温度 作为定性温