（制冷及低温工程专业论文）窗机用平行流冷凝器空气侧结构优化及性能模拟.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘 要 平行流冷凝器是一种新型高效紧凑式换热器，目前在汽车空调系统中得到了成功 应用，被认为是最有前途的换热器形式之一。近年来，被推广应用到家用空调领域， 取代传统的翅片式换热器，可达到节能和降低成本的目的。本文采用数值模拟的方法 对平行流冷凝器性能进行研究，在窗机运行工况下对其结构进行优化。 首先对平行流冷凝器空气侧百叶窗翅片的传热与流动性能进行数值模拟计算，分 析迎面风速、空气侧百叶窗翅片主要结构参数等对空气侧传热系数和压降的影响规 律，提出适合于窗机的平行流冷凝器空气侧百叶窗翅片主要结构参数合理的取值情 况。研究表明：在窗机空冷式冷凝器工况下，适当减小翅片高度和翅片间距，增加百 叶窗间距，可提高空气侧换热性能。在此基础上，在窗机空冷式冷凝器工况下，对窗 机用平行流冷凝器结构进行优化。 最后建立平行流冷凝器稳态分布参数模型，对平行流冷凝器进行仿真模拟研究， 分析制冷剂传热系数、压力等有关参数沿管长的分布特征以及结构参数对平行流冷凝 器性能的影响规律。结果表明：由于制冷剂的相态变化以及平行流冷凝器的变流程结 构，制冷剂传热系数、压力等沿管长出现多次突变；平行流冷凝器的流程布置及微通 道数的确定等应综合考虑各因素。 本文研究成果对提高平行流冷凝器的整体性能，对开发窗机用平行流冷凝器及开 发高效节能的窗式空调器具有重要的指导意义。 关键词：平行流冷凝器 窗式空调器 传热系数 压降 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract the parallel flow condenser is a new type of compact heat exchanger with high coefficient that is popular in the auto air- conditioning and is also one of the most promising heat exchangers. in recent years, it has been investigated extensively in household air- conditioning to replace the traditional fin tube heat exchanger for the energy- saving and cost reduction. so, the performance of parallel flow condenser was studied by the methods of numerical simulation, and its structure employed in the window type air conditioner was analyzed and optimized under various running condition. first, the air- side heat transfer and flow performance of parallel flow condenser was calculated，the effect of speed and fin parameters on the air- side heat transfer and pressure drop was analyzed, and the reasonable reference value of the air- side major structural parameters was raised. the study showed that reducing fin height and fin pitch, increasing louver pitch improves the air- side performance of heat exchanger. then, a detailed parallel flow condenser for window type air conditioner was designed under running conditions. the steady- state distribution parameters model of parallel flow condenser was developed to simulate the distribution of refrigerant heat transfer coefficient, pressure and other relevant parameters, and then the impact of structural parameters on parallel flow condenser was analyzed. the study showed that refrigerant heat transfer coefficient, pressure drop along the passage vary significantly because of the refrigerant phase- change and the structural process change of condenser; the above number of factors should be taken into consideration in designing process layout and micro- channels of parallel flow condenser. the research result provides important guidance for improvement of the overall performance of parallel flow condenser and development of energy- saving window type air conditioner. keywords ： parallel flow condenser window type air conditioner heat transfer coefficient pressure drop 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体，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： 日期： 年 月 日 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，即： 学校有权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。 本人授权华中科技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，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1.1 课题背景 家用空调给居民带来舒适室内环境的同时，也给我国带来了严峻的电力供应紧张 和环境污染问题。在能源日益紧张的情况下，应寻求更加合理的家用空调方式来达到 节能、舒适和环保三者的平衡。因此，减少家用空调能耗成为家用空调各研究机构及 生产企业的当务之急。 采用制冷剂循环的家用空调系统主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀（或毛细管）及 蒸发器四大部件构成。其中，两器（冷凝器与蒸发器）不仅占整个空调系统的大部分 体积，而且对整个空调系统的性能也起着重要影响。传统的家用空调系统中两器均采 用圆铜管与铝翅片组合成的翅片管式换热器。目前，翅片管式换热器生产技术已相对 成熟，提高其换热性能的途径主要是改进其内部结构（如采用内螺纹管、改变翅片形 状等） ，虽有一定的效果，但改进的潜力不大，换热器性能的提高很难有质的飞跃； 且翅片管式换热器需要消耗大量铜材，近年来铜价飞速上涨导致家用空调生产成本迅 速增加。因此，有效设计、制造并在家用空调器中采用高效换热器势在必行。 平行流冷凝器是一种新型高效紧凑式换热器，是在汽车空调工质替代中由管带式 冷凝器发展演变而来的，其材质为全铝。平行流冷凝器空气侧采用换热性能较高的百 叶窗翅片结构，制冷剂侧采用非圆截面的小水力直径多孔扁管结构，空气侧和制冷剂 侧传热均得到了强化，使平行流冷凝器具有换热系数高、重量轻、结构紧凑、制冷剂 充灌量少等优点，被认为是目前最有前途的换热器形式之一1 。近年来，平行流冷凝 器被进一步推广应用到家用空调领域，以取代传统的翅片管式换热器，可达到有效提 高空调能效比和降低空调生产成本的目的。 但由于平行流冷凝器的特殊结构，其较为复杂的换热机理目前尚未被完全了解， 尚缺乏精度高、通用性强的计算关联式，以及平行流冷凝器准确、合理的设计方法。 考虑换热器的热阻主要在空气侧，因此从空气侧入手，模拟分析空气侧百叶窗翅片主 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 要结构参数对其传热与流动性能的影响规律，提出百叶窗翅片主要结构参数的参考取 值情况，对窗机用平行流冷凝器的结构设计具有重要的指导作用；对窗机用平行流冷 凝器建立稳态分布参数模型，进行数值模拟计算，研究有关参数的分布特征及结构参 数对平行流冷凝器性能的影响规律，这无疑对平行流冷凝器的优化具有十分重要的意 义。 1.2 平行流冷凝器发展历程 平行流冷凝器是在汽车空调工质替代过程中产生的。r134a 作为 r12 的替代工质 被广泛认可后，但理论和实验研究均表明，r134a 系统的压缩机排气压力比 r12 高， 在原有的 r12 系统中直接充注 r134a，会造成系统性能的下降，即为了采用新型制冷 剂，必须对系统设计进行改进，由此出现了平行流冷凝器。目前，平行流冷凝器在汽 车空调系统中得到了广泛的应用。 在汽车空调系统中，到目前为止，冷凝器的发展主要经历了管片式（翅片管式）、 管带式、平行流式三种结构形式。 管片式冷凝器是汽车空调系统较早采用的换热器形式，由圆管和翅片组成。圆管 与翅片之间通过胀管连接，接触热阻较大，换热系数较低，管子与翅片之间容易产生 相对运动，从而降低换热效率，缩短使用寿命。但管片式冷凝器加工工艺简单，成本 较低，目前仍有应用。 管带式冷凝器由多孔扁管（图 1- 1）和波纹型百叶窗翅片组成（图 1- 2）。多孔扁 管经机械弯曲成等间距的蛇形管，其间焊接表面开缝的弯曲成 v 形或 u 形的铝箔翅 片。多孔扁管水力直径较小，在扁管截面积和圆管截面积相等的条件下，扁管内制冷 剂的湿周长比圆管大，传热面积大，热阻小，因此管内换热量高。同时扁管的迎风面 积小，其后涡流区域小。因此，在相同的风速下，扁管管外侧的表面传热系数大于圆 管，而流动阻力降低。空气侧采用波纹型翅片，翅片上开有百叶窗，能有效破坏空气 流动边界层，强化空气侧传热，减小空气侧阻力。 一般来说，管带式冷凝器的传热效率比管片式冷凝器提高 10%左右。但管带式冷 凝器的扁管与翅片焊接工艺较为复杂，难度较大，且管带式冷凝器中制冷剂要通过整 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 个扁管流道，阻力损失大。 图 1- 1 多孔扁管结构 图 1- 2 百叶窗翅片结构 平行流冷凝器是由管带式冷凝器发展演变而来的，和管带式冷凝器一样，也是由 多孔扁管和百叶窗翅片组成。但扁管不再是弯曲成蛇形，而是每根截断的。两端各有 一根集流管，制冷剂进入集流管后分流进入扁管，平行地流到对面的集流管，流出冷 凝器。 平行流冷凝器根据集流管是否分段可分为单元式和多元式两种： 集流管不分段， 制冷剂流动方向一致，称为单元平行流冷凝器；多元平行流冷凝器（图 1- 3）集流管 中有隔片打断，起到分流和汇流的作用。多元平行流冷凝器每一流程管子数不同，进 入冷凝器时制冷剂呈气态，比容最大，管子数也对应最多，随着制冷剂逐渐冷凝成液 体，其比容减小，管子数也相应减少。这种变流程管数的结构设计使冷凝器的有效容 积得到最合理利用，使制冷剂的流动和换热情况更趋合理。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 图 1- 3 多元平行流冷凝器结构示意图 平行流冷凝器与管带式冷凝器相比，在同样的迎风面积下，其换热能力提高 30% 以上，空气侧阻力基本保持不变，制冷剂侧流动阻力仅为管带式的 20%30%2 。平 行流冷凝器具有换热系数高、质量轻、结构紧凑、制冷剂充灌量少等诸多优点，被认 为是最有前途的换热器形式之一。 但由于平行流冷凝器特殊的结构以及复杂的传热机理，平行流冷凝器一直是国内 外研究的热点和难点。随着材料和制造工艺方面的迅速发展，平行流冷凝器产品的可 靠性大大提高，成本也在迅速降低，平行流冷凝器作为一种新型高效紧凑式换热器正 在得到越来越广泛的应用。 1.3 平行流冷凝器研究现状 平行流冷凝器自问世以来，由于其性能优势以及特殊的结构形式，一直是国内外 学者的研究热点，同时也是研究难点。概括起来，对平行流冷凝器性能的研究主要集 中在两侧流体的传热与流动性能方面。 （1）百叶窗翅片内空气传热与流动性能研究 早在上世纪 50 年代就开始出现百叶窗翅片结构的散热器，随着研究手段和生产 工艺的发展，百叶窗翅片换热器的紧凑度越来越高，性价比越来越高，其应用领域也 越来越广泛。一直以来，国内外很多学者对百叶窗翅片的传热与流动机理、特性进行 了大量的研究，并在实验的基础上得到了一些计算传热与流动性能的经验关联式。 1965 年， beauvais3 首次采用烟气流动可视化技术在放大十倍的百叶窗翅片模型 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 上进行了实验研究，第一个揭示了气流的主流方向在流经百叶窗时会向百叶窗倾斜方 向发生偏转。 davenport4 于 1980 年对百叶窗翅片内空气的传热与流动进行了可视化实验研 究，阐明了空气在百叶窗翅片中有两种流动形态，即空气沿轴向流动的管导向流和空 气发生偏转沿着百叶窗倾斜方向流动的百叶窗导向流。并发现流动状态与雷诺数有 关，在低雷诺数下，大部分流体不通过百叶窗间的通道，而是沿着轴向流动，在较高 雷诺数下，流体几乎全部通过百叶窗。davenport 认为气流的流动方向取决于气体在 这两种通道的阻力对比，在较低的空气流速下，百叶窗上的边界层较厚，百叶窗通道 阻力大，使得流体主要沿轴向流过；当轴向阻力大于百叶窗通道阻力时，气流则沿着 百叶窗倾斜方向流动。后来，davenport5 在大量实验的基础上提出了预测百叶窗式 扁管换热器空气侧传热与压降性能的计算关联式。 achaichia 和 cowell6 在一定雷诺数范围内（1208000）对百叶窗翅片换热器进 行了可视化研究。研究发现，翅片通道内流线横向偏移的角度会随 fp/lp的减小而增 大；用百叶窗角度作为特征尺寸比用空气通道的水力直径作为特征尺寸实验数据更易 拟合；流线横向偏移的角度反映了空气横向流经百叶窗流量的多少；他们还认为，当 雷诺数较大时，平均气流偏转角度接近于百叶窗角度。后来他们7 通过实验研究了气 流实际偏转角度的计算关联式。 文献8 中定义了流动效率，即穿过百叶窗间的有效流量与总流量的比值。流动效 率与百叶窗翅片的换热和流阻特性关系密切，因而很多学者进行了相关方面的研究。 webb9, 10 从理论上分析计算百叶窗散热器传热热阻，并采用有色注射技术对 10：1 的模型进行了可视化实验研究。实验得出，流动效率随着雷诺数的增大而增加；对于 百叶窗角度在 2030的翅片，定义了一个临界雷诺数，在小于这个临界雷诺数时， 流动效率受百叶窗角度的影响较大，在大于这个临界雷诺数时，流动效率几乎不受百 叶窗角度的影响。springer marlow e和 thole karen a11 采用 20：1 的模型对空气在 百叶窗入口段进行了实验研究。研究发现：在/ pp fl不变的情况下，较大的百叶窗角 度可以在较短的距离内形成百叶窗方向的流动和较大的平均流动角度；在百叶窗角度 不变的情况下，较大的/ pp fl将在较长的距离内形成沿百叶窗角度方向的流动和较小 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 的平均流动角度；同时，随着雷诺数的增加，形成沿百叶窗角度方向的流动的距离也 将增加。 一些学者在对百叶窗翅片的传热和流动特性进行了大量的实验研究，分析百叶窗 主要结构参数对其传热与流动特性的影响，并整理得到了计算传热和流动性能的经验 关联式。aoki12 等对不同百叶窗翅片结构的传热性能进行了实验研究，发现在低空 气流速下，传热效率随着翅片间距的增加而降低，他们还发现传热效率在百叶窗角度 在 28- 30 度之间有一个最大值。在前人实验数据的基础上，chang13, 14 对 91 种不同 结构形式的百叶窗翅片进行了传热和摩擦系数的关联式拟合，得出了空气侧传热因子 j 和摩擦因子 f 的关联式，但关联式是在不同的实验条件下采用不同的实验数据进行 处理而得到的。 后来 chang15 在进一步实验研究的基础上更新了摩擦因子 f计算关联 式。mon- hoe kim 等16- 18 对百叶窗翅片的传热与流动性能进行了大量的实验研究， 分析了百叶窗翅片主要结构参数对其传热与流动性能的影响，并在对 45 种不同结构 参数的百叶窗翅片实验研究的基础上获得了空气侧传热因子 j 和摩擦因子 f 的计算关 联式，其中实验研究的翅片间距均小于窗翅间距。dong junqi等19, 20 对不同结构参 数的百叶窗翅片扁管换热器空气侧的传热与压降进行了实验研究，得出了 j 以及f因 子关联式，其预测值与实验的平均偏差分别为 4.1%和 5.6%。 在结霜工况下， 换热器表面也存在传热和传质， 但换热器表面产生的霜不易排除， 一些学者对结霜工况下百叶窗翅片扁管换热器进行了研究。lee 等21 根据 ari 标准 对换热量相同的百叶窗翅片式扁管换热器和蜿蜒翅片式圆管换热器进行了冷凝换热 实验。研究表明，冷凝工况下扁管换热器在整体换热性能上比圆管换热器增加了 16 ；但制热工况下扁管换热器的整体换热性能比圆管换热器差。mclaughlin 等22 指 出，在结露工况下，随着翅片间距的增加，换热系数明显增加，压降也增大，但相对 于干工况，换热量会减小。xia23 等研究了百叶窗翅片扁管换热器在结霜周期内的换 热与流动特性，在霜形成过程中，换热器的传热系数降低，压力增大。随后他们24, 25 还研究了百叶窗翅片扁管换热器在结霜和化霜时的换热和流动特性。 虽然实验在换热器的设计过程中起着重要的作用，但限于条件，大多数研究者的 实验范围较窄， 故其适用性受到限制。 随着计算流体力学与计算传热学的出现和发展， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 人们开始使用数值模拟的方法来预测百叶窗表面的特性。 d.k.tafti等26 采用cfd技术对百叶窗翅片内空气流动由定常流动到非定常流动 过渡过程中的传热机理进行了研究。thomas perrotin 等27 采用cfd 技术对百叶窗翅 片扁管换热器空气侧空气的传热与流动进行了数值模拟，并将计算结果与实验结果以 及采用关联式的计算结果进行比较。chen jiangping等28 建立百叶窗翅片二维模型， 采用商业软件 fluent对低雷诺数（75.3600）情况下空气侧压降进行了模拟计算， 数值模拟结果与实验结果吻合很好。后来他们29 又对空气在百叶窗翅片内部流动和 传热建立了三维数值计算模型，并进行了模拟计算。漆波等30 建立了百叶窗翅片内 导热与翅片间耦合对流换热的物理数学模型，并采用数值分析方法对该耦合传热问题 进行了数值模拟计算。田晓虎等31 应用 fluent软件对百叶窗翅片式热交换器空气 侧的流场、压力场和温度场进行了 cfd 研究，分析了不同结构参数对翅片换热和流 动性能的影响。除了采用 cfd 技术外，包涛32, 33 、龚堰珏34 、向立平35 、王铁军 36 等对平行流冷凝器建立了数学模拟，并选用合适的计算关联式对百叶窗翅片侧性 能进行了数值模拟研究，提出优化平行流式冷凝器热力性能的措施。 从已有文献可以得出，国内外学者对百叶窗翅片扁管换热器空气侧进行了大量的 研究工作，主要集中于百叶窗翅片的传热机理及百叶窗翅片的传热和压降特性计算关 联式方面，并取得了很大进展。但由于百叶窗翅片传热机理的复杂性，以及百叶窗翅 片结构和实验条件的不同致使拟合的关联式通用性不强，因此，百叶窗翅片的传热与 流动特性还待进一步的深入研究。 （2）扁管内制冷剂传热与流动性能研究 平行流冷凝器传热管采用多孔扁管，制冷剂在多孔扁管内的冷凝换热和流动阻力 等性能与常规传热管不同，且影响因素很多，迄今仍然难以给出全面的、合理的理论 解释。国内外专家学者对多孔扁管内的传热与流动做了大量的实验研究，并提出预测 传热与压降特性的计算关联式。 brauer 对37 扁椭圆管和圆管两种传热管分别进行了实验研究，结果表明，扁椭 圆管与圆管相比，管外空气侧表面传热系数提高 15%，而压降则减小 25%。 yang和webb38 进行了r12在水力直径分别为2.64mm和1.56mm的水平矩形多 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 孔扁管内的单相液体和两相流动冷凝换热的实验。实验表明，在液体过冷区，无论是 光滑管还是微肋管，冷凝传热系数都随热流密度的增加而增大，且均与 petukhov关联 式相符甚佳。在两相区，无论是光滑管还是微肋管，冷凝传热系数都随热流密度的增 加而增大。 yang和webb39 还进行了r12在水力直径分别为2.64mm和1.56mm的水平矩形 多孔扁管内的单相液体和两相流动摩擦压降的实验。实验表明，光滑管和微肋管的单 相液体摩擦因子实验值分别比 blasius 关联式的计算值高 14%和 36%。两相区压降梯 度随质量流速和干度的增加而增大，光滑管和微肋管的实验值均与采用当量质量流速 的 akers 关联式相符很好，表面张力对微肋管的摩擦压降无明显影响。 yeon- pun chang等40 进行了r134a和r22在四种不同规格的多孔铝制扁管和一 种内肋扁管内冷凝传热特性实验研究。实验结果表明，光滑铝制扁管内的冷凝传热系 数与 shah 关联式相符，仅在蒸汽含量较高区计算值偏低。内肋管的换热系数随质量 流速的增加而增加，但翅片强化效果却在降低。 bruno agostini 等41, 42 对水力直径为 2.01mm的微通道内液态 r134a 流动时摩擦 系数和传热系数进行了实验研究。 国内于上世纪九十年代后期开始引入平行冷凝器技术。2000 年，上海得灵电器实 业有限公司和上海交通大学合作成立的奉浦得灵先进制冷工程技术研究中心开发了 “ 高效平流式冷凝器” 高新技术，并获得国家专利。针对平行流冷凝器多孔扁管内的冷 凝换热特性研究相对较晚，而且很有限。 综上所述，对多孔扁管内传热与流动的研究是目前国际上传热研究领域热点，研 究内容主要集中于多孔扁管内流体的传热与流动阻力特性，对于凝结换热和流型的研 究还没有充分展开。 1.4 平行流冷凝器发展趋势 平行流冷凝器在传热与流动方面比管片式和管带式冷凝器有了较大的改善和提 高，但多孔扁管和百叶窗翅片均为铝合金材料，钎焊难度较大，对材料要求较高，且 由于焊点多、焊缝长、易泄漏、材料成本高、制造工艺复杂等因素制约，目前主要应 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 用于汽车空调系统中。但随着材料和制造工艺水平的迅速发展，产品的可靠性大大提 高，生产成本在迅速下降，平行流冷凝器作为一种高效紧凑式换热器正在得到越来越 广泛的应用。目前，平行流冷凝器在家用空调领域中的应用备受关注。 美国开利于 2006 年面向全球推出高效环保产品样机 “ 雷霆” 系列螺杆式风冷 冷水机组，采用了强化换热的微通道换热器，其 cop 值达 3.2。 clark w. bullard 等43 对采用微通道换热器降低干热气候家用空调能耗的家用空 调系统进行了建模与测试。结果显示，系统 eer 提高了 48，相当于高峰电力需求 削减 32。但在热泵型空调中室内外换热器均要作为蒸发器，对于微通道换热器在热 泵型空调中的应用，需进一步的研究。 chang yong park 等44 对 r410a家用空调系统分别采用微通道冷凝器和圆管冷 凝器的性能进行了实验研究和数值模拟研究。研究结果表明，采用微通道冷凝器的系 统其 cop 和制冷能力均高于采用圆管冷凝器的系统，且微通道冷凝器制冷剂质量流 量和压降有所降低。他们考虑气流的非均匀分布及集流管内制冷剂流量分配建立了微 通道冷凝器模型，并对其进行模拟计算，发现空气与制冷剂的流量分配对微通道冷凝 器换热能力的预测影响不大。数值模拟结果与实验研究结果吻合很好。 国内对平行流冷凝器的研究总体起步较晚，但对于平行流冷凝器的整体性能及其 推广应用方面也做了大量的研究工作。 袁秀玲等45 用试验的方法探讨在大中客车顶置式空调上应用平流式冷凝器的可 能性，以平流式冷凝器及设计的一套顶置式中客空调系统为样机，进行冷凝器的换热 性能试验和空调系统性能试验，得出一些实际的检测数据，为今后平流式冷凝器在大 中客车空调推广应用提供参考。后来46 对平流式冷凝器与管片式冷凝器在冷藏车中 的应用进行了分析比较。 陈芝久、陈江平47 对家用空调系统中以 al代 cu存在的若干关键技术进行了分 析，由于各个关键技术的突破并形成专利，指出家用空调系统中以 al代 cu已成为可 行方案。他们48 对平行流换热器用于家用空调也进行了可行性分析，表明平行流换 热器用于家用空调从理论上是可行的，将有助于提高现有家用空调的性能。同时提出 平行流冷凝器在汽车空调中作为冷凝器得到了很好的验证，但作为蒸发器时，可能由 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 于冷凝水不易排除，从而使换热性能降低，需解决这一问题。 李俊明等49 基于对我国家用空调器产品现状的分析，探讨了执行新能效标准后 空调换热器采用新型强化传热技术的潜在需求，通过分析制冷剂在微细管内凝结和沸 腾传热的已有研究成果得出：家用空调器采用微细尺度强化传热技术，可以使换热器 趋于紧凑、高效，从而使空调器满足新能效标准的要求。 罗顺春等50 对同一系统分别采用平行流冷凝器与翅片管式冷凝器进行了试验研 究，试验工况条件按国标 gb/t7725- 2004 房间空气调节器标准。研究表明，在制冷运 行时，对于相同厚度（22mm）的两款换热器而言，单位迎风面积换热量前者比后者 高出约 68；系统中制冷剂充注量比普通翅片管系统相应减少 30左右；但在国标 标准制热工况下，制热初期平行流冷凝器制热能力跟普通管片式冷凝器相差不大，由 于制热运行时冷凝器上会产生凝结水珠，且水珠基本没法排出（调整安装结构后亦如 此） ，逐渐形成冷凝器结霜，使制热能力及能效比大幅下降。由此，平行流冷凝器在 冷暖机上的应用待遇进一步研究。 综上，家用空调系统中采用平行流换热器，可以有效提高空调能效比，减小空调 体积，是家用空调技术发展的必然趋势，同时平行流换热器应用于家用空调领域也是 平行流冷凝器发展的主流方向。但发展至今，平行流换热器在家用空调中的应用还只 是处于研究阶段。并且研究发现，在家用空调系统中采用平行流换热器最大的障碍在 于：平行流换热器作为蒸发器时所凝结的水份无法完全排除而产生积水问题，严重影 响蒸发器性能。若能排除这一问题，则平行流换热器可完全发挥其效用，将可以进一 步设计出高效、环保的家用空调设备。 1.5 课题主要研究内容 平行流换热器由于其特殊的结构形式，具有换热系数高、重量轻、制冷剂充灌量 少等优点，目前在汽车空调领域得到了成功应用。但由于我国平行流换热器的生产模 具大多从国外直接引进，基本结构参数相对固定，加上国内外气候条件的差异及设计 工况的不同，往往导致换热器换热效率相对较低。在设计中，多数换热器设计者主要 凭借一些既有的经验来组装设计换热器，所以设计上常有裕度过大的现象。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 课题采用数值模拟的方法，基于窗机空冷式冷凝器工况与汽车空调冷凝器工况的 重要不同之处，对空气侧传热与流动性能进行数值模拟，并针对窗机进行了平行流冷 凝器的结构规划及窗机用平行流冷凝器整体性能模拟，为平行流冷凝器性能的提高、 开发及推广应用提供了理论参考。 具体的研究内容如下： （1）平行流冷凝器空气侧传热流动性能数值模拟 汽车空调系统中冷凝器迎面风速一般为 4.5/m s左右，而家用空调系统中一般取 23/m s。在不同迎面风速下，采用数值模拟的方法，根据空气侧百叶窗翅片传热及 压降计算关联式，计算并分析空气侧百叶窗翅片主要结构参数对空气侧传热与流动性 能的影响规律，提出适合于家用空调器的平行流冷凝器空气侧主要结构参数合理的参 考取值情况，为平行流冷凝器合理有效的设计奠定基础。 （2）窗机用平行流冷凝器结构优化 在窗式空调器空冷式冷凝器名义工况下，采用平行流冷凝器结构型式，在平行流 冷凝器空气侧数值模拟分析的基础上进行平行流冷凝器结构的初步规划，采用现有经 验关联式计算空气侧、制冷剂侧以及总传热系数，并采用对数平均温差法进行换热器 的热计算，得到适用于窗机的平行流冷凝器结构。 （3）窗式空调器空冷式冷凝器名义工况下平行流冷凝器数值模拟 根据平行流冷凝器的特殊结构形式，采用能量平衡的方法，对平行流冷凝器建立 稳态分布参数数学模型，才有按长度划分微元的仿真算法，在窗式空调器空冷式冷凝 器名义工况下对其进行仿真模拟，研究制冷剂传热系数、压力等参数沿管长的分布特 征及结构参数对平行流冷凝器性能的影响规律，为平行流冷凝器的结构优化提供理论 参考。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 2 平行流冷凝器空气侧传热与流动性能数值模拟 2.1 概述 平行流冷凝器是在汽车空调系统中由管带式冷凝器发展演变而来的，并在汽车空 调系统中得到了成功的应用。由于汽车空调特殊的工作环境，要求换热器重量轻、体 积小、效率高，但对空调机组的噪声要求相对较低。在汽车空调系统中，冷凝器迎面 风速一般为 4.5/m s左右，若将平行流冷凝器应用于家用空调器中， 单元式空气调节 机组用冷凝器型式与基本参数 （jb/t5444- 91）标准中规定，强制通风空气冷却式冷 凝器的迎面风速为 2.5/m s，即在家用空调系统中平行流冷凝器迎面风速将减小至 2.5/m s左右。迎面风速的降低，无疑将使得换热器空气侧传热系数下降，从而影响换 热器总体换热性能。 强制通风空气冷却式冷凝器的迎面风速一般限制在 2.03.0/m s之间，主要是由 于迎面风速过高会导致较高的最窄截面风速，一般情况下，最窄截面风速应控制在 6/m s以下为宜。最窄截面风速过高，则翅片及传热管组对空气的流动阻力增大，风 机会产生扰人的噪声。因此，对整体舒适性空调用空气冷却式冷凝器应限制选取低风 速，并选配低噪声风机。 一般换热器的热阻大部分发生在空气侧，若能增大空气侧传热系数，将可有效提 高换热器传热效率并缩小换热器尺寸。平行流冷凝器亦是如此。因此，本章采用数值 模拟的方法，根据空气侧百叶窗翅片传热及压降计算关联式，对空气侧换热性能进行 数值模拟计算，首先分析迎面风速对空气侧换热性能的影响，并在不同迎面风速下 （2.5，4.5/m s）分析空气侧主要结构参数（翅片高度、翅片间距、百叶窗角度和百 叶窗间距）对空气侧传热系数及压降的影响规律，提出适合于家用空调器的平行流冷 凝器空气侧主要结构参数合理的参考取值情况，为平行流冷凝器合理有效的设计奠定 基础。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 2.2 百叶窗翅片物理模型 平行流冷凝器空气侧采用百叶窗翅片结构。百叶窗翅片属于间断式翅片，将翅片 表面沿气流方向逐渐断开，以阻止翅片表面空气层流边界层的发展，使边界层在各表 面不断的被破坏，又在下一冲条形成新的边界层，不断利用冲条的前缘效应，达到强 化换热的目的。 百叶窗翅片置于两根扁管之间，具体结构如图 2- 1 和图 2- 2 所示。 wf hf lp ll 图 2- 1 百叶窗翅片正面视图 百叶窗翅片 多孔扁管 pf 图 2- 2 百叶窗翅片侧面视图 本章数值模拟计算采用的百叶窗翅片模型，其几何参数见表 2- 1。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 表 2- 1 百叶窗翅片几何参数 参数名称 参数值 翅片高度 f h （mm） 10 翅片间距 f p （mm） 1.3 翅片宽度 f w （mm） 16 翅片厚度 f （mm） 0.12 百叶窗角度 l （） 27 百叶窗间距 l p （mm） 1.3 百叶窗长度 l l （mm） 8 2.3 百叶窗翅片数学模型 平行流冷凝器空气侧百叶窗翅片能有效破坏空气流动边界层，增加扰动，强化空 气侧的传热。对于百叶窗翅片的传热与空气流动压降的计算，采用阙雄才、陈江平推 荐的davenport在大量试验的基础上得出了百叶窗翅片的传热因子j和摩擦因子 f的经 验公式2： 1.1 0.420.330.26 1/3 0.249re300re4000 repr ll l l plfp pf hnu jhh h = (2- 1) 0.89 0.720.370.230.2 0.331.1 0.390.46 70re900 5.47re 1000re4000 0.49re l l l l l p plfl f ll p pf lf l hhp h f hl h ph = (2- 2) 式中： l p 百叶窗间距，mm； l l 百叶窗长度，mm； l h 百叶窗高度，mm； f h 翅片高度，mm； re l p 雷诺数。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 空气侧表面传热系数及压降为 / aal nup= (2- 3) 2 ,max , 4 f aa a h a w pfv d = (2- 4) 式中： nu 奴塞尔数； a 空气导热系数，()/wm k； f w 翅片宽度，m； a 空气密度， 3 /kg m ； ,maxa v 最小截面风速，/m s； , h a d 空气侧水力直径，m， ()() ()() , 2 ffff h a ffff hp d hp = + 。 2.4 数值模拟结果分析 2.4.1 迎面风速对空气侧传热与压降的影响 在平行流冷凝器入口参数条件不变，结构参数不变，只改变空气迎面风速 （1.55.5/ a vm s=:）时，分析空气侧传热系数与压降特性的变化规律。数值模拟计算 结果如图 2- 3 和图 2- 4 所示。 123456 75 100 125 150 175 200 225 传热系数( w / m 2 k ) 迎面风速( m / s ) 图 2- 3 迎面风速对空气侧传热系数的影响 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 123456 0 25 50 75 100 125 150 压降( p a ) 迎面风速( m / s ) 图 2- 4 迎面风速对空气侧压降的影响 从图 2- 3 和图 2- 4 可以看出，随着迎面风速的增大，空气侧传热系数与压降均逐 渐增大。且对于一定结构的平行流冷凝器，传热系数在低速区增加较快，而空气侧阻 力在高速区增加较快。即对于不同结构的冷凝器，应存在一临界风速，当风速超过临 界风速时，空气侧阻力增加较快而传热系数增加相对较慢。 从图 2- 3 和图 2- 4 还可以得出，在迎面风速4.5/ a vm s=时，其空气侧传热系数为 2 180.1/() a wmk =，压降为95.96 a ppa=；当迎面风速减小为2.5/ a vm s=时，其空 气侧传热系数为 2 128.1/() a wmk =，压降为45.22 a ppa=。可见，由于迎面风速的 降低，空气流动阻力大大降低，但同时，空气侧传热系数降低了近 30%。 2.4.2 空气侧主要结构参数对其传热系数与压降的影响 平行流冷凝器入口参数条件不变，在不同空气迎面风速（ a v =2.5，4.5/m s）下， 对空气侧百叶窗翅片主要结构参数（翅片高度、翅片间距、百叶窗角度和百叶窗间距） 对空气侧传热系数与压降特性的影响进行数值模拟。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 7891011 100 125 150 175 200 225 250 275 传热系数( w / m 2 k ) 翅片高度( m m ) 2 . 5 m / s 4 . 5 m / s 图 2- 5 翅片高度对空气侧传热系数的影响 7891011 25 50 75 100 125 150 175 压降( p a ) 翅片高度( m m ) 2 . 5 m / s 4 . 5 m / s 图 2- 6 翅片高度对空气侧压降的影响 图 2- 5 和图 2- 6 表明，在结构参数不变时，随着迎面风速的增加，空气侧传热系 数和压降都逐渐增大。在一定迎面风速下，随着翅片高度的增加，空气侧传热系数和 压降均逐渐减小。可见，在其它所有条件不变时，减小翅片高度，可以提高平行流冷 凝器空气侧的传热性能，主要是因为翅片高度的减小使得空气侧水力直径减小，使空 气流经翅片时的流速增大。同时，翅片高度的减小将导致空气侧阻力的增加。因此， 适当地减小翅片高度，可提高平行流冷凝器空气侧的总体换热性能。 在窗机用平行流冷凝器的设计时，应综合考虑翅片高度对传热系数和压降的影 响。由于迎面风速较小，空气侧传热系数降低，通过取较小的翅片高度（810mm） ， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 可使冷凝器空气侧获得较高的传热系数，同时保证空气侧阻力在合理范围之内。 1.21.31.41.51.6 125 150 175 200 传热系数( w / m 2 k ) 翅片间距( m m ) 2 . 5 m / s 4 . 5 m / s 图 2- 7 翅片间距对空气侧传热系数的影响 1.21.31.41.51.6 25 50 75 100 125 150 压降( p a ) 翅片间距( m m ) 2 . 5 m / s 4 . 5 m / s 图 2- 8 翅片间距对空气侧压降的影响 从图 2- 7 和图 2- 8 中可以看出，在结构参数不变时，随着迎面风速的增加，空气 侧传热系数和压降逐渐增大。在一定迎面风速下，随着翅片间距的增大，空气侧传热 系数和压降逐渐减小，且迎面风速较小时（2.5/ a vm s=） ，传热系数和压降随翅片间 距的变化较为缓慢。 可见，在其它所有条件不变时，减小翅片间距，同样可以提高平行流冷凝器空气 侧的传热性能，因为翅片间距的减小同样使得空气侧水力直径减小。另一方面，翅片 间距也影响着空气的流动效率。若大部分空气沿着翅片方向流动而未流经翅片上的百 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 叶窗，则认为是无效流动；若大部分空气流经翅片上的百叶窗，则认为是有效流动。 翅片间距的较小，可以提高流动效率，对传热有利。但减小翅片间距的同时也将导致 空气流动阻力增加。 因此，窗机中冷凝器迎面风速较小，空气侧传热系数相对较低。在设计窗机用平 行流冷凝器时，翅片间距应取相对较小的值，可提高空气侧传热，但翅片间距不宜过 小，否则将容易造成沙尘堵塞。建议翅片间距取值范围为 1.31.5mm。 242628303234 100 125 150 175 200 225 传热系数( w / m 2 k ) 百叶窗角度( ) 2 . 5 m / s 4 . 5 m / s 图 2- 9 百叶窗角度对空气侧传热系数的影响 242628303234 40 60 80 100 120 压降( p a ) 百叶窗角度( ) 2 . 5 m / s 4 . 5 m / s 图 2- 10 百叶窗角度对空气侧压降的影响 图2- 9和图2- 10是不同迎面风速下百叶窗角度对空气侧传热系数及压降性能的影 响曲线。从图中可以看出，在结构参数不变时，随着迎面风速的增加，空气侧传热系 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 20 数和压降逐渐增大。在一定迎面风速下，空气侧传热系数和压降均随着百叶窗角度的 增加而增大，基本成线性关系。且当迎面风速较小时，百叶窗角度对空气侧传热系数 及压降的影响较小。文献17也对百叶窗翅片的传热与流动性能进行了相关研究，研 究表明：当翅片宽度为 16mm时，百叶窗角度的变化对传热系数影响不大。 依据数值模拟计算，综合考虑文献中的实验研究结论，在迎面风速较低的情况下 为提高平行流冷凝器空气侧换热性能，百叶窗角度依然可取 27 ，或取稍大的值。 0.91.01.11.21.31.41.5 150 175 200 225 250 传热系数( w / m 2 s ) 百叶窗间距( m m ) 2 . 5 m / s 4 . 5 m / s 图 2- 11 百叶窗间距对空气侧换热系数的影响 0.91.01.11.21.31.41.5 25 50 75 100 125 150 175 压降( p a ) 百叶窗间距( m m ) 2 . 5 m / s 4 . 5 m / s 图 2-