（制冷及低温工程专业论文）空气侧不均匀气流分布下平行流冷凝器性能研究.pdf

a thesis submitted in partial of fulfillment of the requirements for the degree of master engineering investigation of impact of non-uniform airflow on the performance of parallel flow condenser candidate: wang yanzhong major: refrigeration & cryogenics engineering supervisor: prof. chen huanxin huazhong university of science and technology wuhan, hubei 430074, p. r. china jan, 2012 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 i 摘 要 由于在较轻的质量和较少的制冷剂充灌量下可以获得较高的换热效率，近年来平 行流换热器从汽车空调被越来越广泛的推广到暖通空调系统及制冷系统（hvac&r） ， 大有取代传统换热器的趋势。在平行流换热器的设计过程中迎风面气流分布总是被假 定为均匀的，然而实际气流却并非如此。从对换热器空气侧流场的试验及模拟研究来 看，换热器迎风面的气流不均匀性还相当严重。本文主要采用数值模拟与实验相结合 的方法来研究不均匀气流下平行流冷凝器的性能。 首先选用合适的空气侧和制冷剂侧计算关联式， 建立了均匀气流下的平行流冷凝 器仿真模型。模型采用限体积法（fvm）将平行流冷凝器沿微通道扁管划分为多个控 制微元，针对每个微元应用效能传热单元数法（ntu）计算热冷流体出口参数。 通过对 20 组实验数据对比分析，换热量、制冷剂出口温度和制冷剂出口压力模拟结 果的均方根误差分别为5.99%、5.65%和5.66%。 然后利用cfd软件模拟了平行流冷凝器空气侧流场，将fluent中的多孔介质模型应 用于平行流冷凝器，采用压降速度实验数据拟合了模型中粘性阻力因子c1和惯性阻 力因子c2，研究了空气侧气流分布规律。 最后通过分析国内外学者对翅片管式换热器不均匀气流的研究，在均匀模型的基 础上编制了不均匀气流下的平行流冷凝器模拟程序，并以r22工质为例，模拟了不同气 流分布方案、不同制冷剂流量对冷凝器性能的影响。主要得出以下结论：不均匀的气 流分布会使平行流冷凝器的换热量下降、制冷剂侧压力损失增加，其影响的程度与气 流分布的不均匀程度和制冷剂流量有关，最小制冷剂流量下换热量衰减1%，最大制冷 剂流量下换热量衰减6%。模拟结果显示制冷剂压力损失增加量为6%35%。另外不均 匀气流会使冷凝器风机理论功耗增加，其增加的程度主要由气流的不均匀性决定。 关键词关键词: 平行流 冷凝器 流场 分布不均 性能 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract in recent years, aluminum parallel flow heat exchangers have received much attention and interest, not just in automotive filed but also in the heating, ventilation, air conditioning and refrigeration (hvac&r) industry. there is a plain tendency that many conventional types of heat exchangers will be replaced. when parallel-flow condenser was designed, the airflow was always assumed to be uniform. however, that is not the case. in this paper, we studied the impact of non-uniform airflow on parallel flow condenser. firstly, simulation model for uniform airflow was built with appropriate correlations. the finite volume method (fvm) was adopted to divide the condenser into many segments. exit parameters were calculated with ntu method according to every segment. simulation results were compared with 20 groups of test data. the root mean square error (rms) of heat transfer, condenser outlet refrigerant temperatures and outlet refrigerant pressures are 5.99%、5.65% and 5.66% respectively. subsequently, air flow field outside p the condenser was simulated with computational fluid dynamics (cfd). porous model in fluent was applied to parallel condenser. viscous resistance factor c1 and inertia resistance factor c2 were obtained by fitting the pressure drop velocity experimental data. finally, comparing with other scholars study on finned tube heat exchanger, a model is proposed to evaluate the effect of non-uniform airflow on parallel-flow condenser. four types of two-dimensional velocity distributions were adopted to study the impact of air mal-distribution and measure the impact of non-uniform airflow in different direction. then for every airflow profile, performances for four types refrigerant mass flow rate were simulated. it turned out that mal-distribution of airflow affected the heat flow rate, refrigerant pressure drop, as well as the theoretic fan power consumption. the capacity degradation and pressure drop increment are in connection with the degree of non-uniformity of airflow and the refrigerant mass flux. the maximum capacity degradation was found to be 1% for the least refrigerant mass flux, and 6% for the maximal. keywords: parallel flow condenser flow field mal-distribution performance 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iii 目 录 摘 要 . i abstract . ii 1 绪 论 1.1 课题的研究背景 . (1) 1.2 研究的目的和意义 . (3) 1.3 平行流换热器的发展趋势 . (3) 1.4 国内外研究现状 . (4) 1.5 课题主要研究内容 . (11) 2 均匀气流下平行流冷凝器的理论及实验研究 2.1 概述 . (12) 2.2 平行流冷凝器的模型建立 . (12) 2.3 均匀气流下平行流冷凝器实验 . (24) 2.4 本章小结 . (27) 3 平行流冷凝器空气侧流场研究 3.1 概述 . (28) 3.2 平行流冷凝器物理及数学模型 . (28) 3.3 平行流冷凝器数值计算方法 . (34) 3.4 平行流冷凝器空气流场模拟结果与分析 . (34) 3.5 本章小结 . (36) 4 不均匀气流对平行流换热器性能的影响 4.1 概述 . (38) 4.2 研究不均匀气流影响的手段及方法 . (39) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iv 4.3 不同气流分布方案下平行流冷凝器的性能 . (41) 4.4 不均匀气流下平行流冷凝器流动及传热分析 . (47) 4.5 本章小结 . (51) 5 结论与展望 5.1 课题工作总结 . (52) 5.2 后续工作展望 . (53) 致 谢 . (54) 参考文献 . (55) 附录 1 攻读学位期间发表论文情况 . (60) 附录 2 攻读学位期间参与项目情况 . (61) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 1 - 1 绪 论 换热器在人类生产、生活中应用广泛，其形式和材料也在不断改进以获得更好的 换热效果。铝制换热器特别是铝制平行流换热器在汽车上应用，表现出来的优异性能 促进了其在多领域的推广。 在推广过程中出现的许多技术难题要求对平行流换热器进 行全面、深入的研究。 1.1 课题的研究背景 中国在 2009 年一年的汽车生产和销售的数量已经突破了一千三百万辆，产销能 力已居世界之首1，车用换热器的效果影响汽车空调的性能从而又直接影响整部汽车 的耗能。同时我国也是空调生产和使用大国，空调耗能已占建筑物整体耗能的 30%以 上，在我国能源消耗中占有举足轻重的地位。我国家用空调产业发展迅速，早在 2004 年其产量就居世界第一，目前占世界家用空调总产量的 70%以上。 近年来铝制换热器， 特别是全铝平行流换热器不仅仅是在汽车空调中得到广泛应 用，还被越来越多的应用到暖通空调系统及制冷系统（hvac&r） ，大有取代传统换 热器的趋势。目前整个世界能源短缺，石油价格频频上涨，低碳经济已经深入人心， 节能减排成为迫切需要解决的问题。强化换热器的换热效率可以提高空调性能，降低 汽车和建筑物能耗，有利于社会经济的可持续发展。 铝制平行流换热器是在汽车空调制冷剂 r12 被取代的过程中出现的一种高效换 热器。在平行流换热器出现之前铝制管带式换热器在汽车空调上的应用较多，但也存 在一些不足之处，平行流换热器是对管带式换热器优化改进，将换热器中的微通道扁 管等长截断，扁管两端分别与集流管钎焊连接，在集流管中不同位置设置隔板将换热 器分作不同流程， 这样不仅换热效率大幅提高而且降低了工质流体在换热器内部的流 动阻力损失。平行流换热器具有微通道扁管和百叶窗翅片结构，是一种高度紧凑型换 热器，其每立方体积的换热面积能达到 2000 以上。本文中所用的平行流换热器结 构如图 1- 1 所示。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 2 - 图 1- 1 平行流换热器结构示意图 平行流换热器与常规换热器相比其优势主要体现在： （1）质量轻。平行流换热器材质为全铝，铝材的密度比铜材小很多，所以平行流 换热器重量比传统铜换热器轻， 有利于在汽车空调等移动制冷空调设备推广； （2）性能高。应用平行流换热器的空调系统制冷剂充注量少且制冷系数高，不仅 降低了污染环境的概率还节省了运行成本； （3）成本低。由于所用材料为铝或铝合金，所以比传统铜材质节省材料成本。 由于以上平行流换热器的众多优点，自从其出现以来就得到许多学者的关注，此 领域的研究也是越来越多。但是平行流换热器结构复杂，直到现在其换热机理还没有 完全研究清楚，生产设计计算还有不少不精确的因素。比如平行流换热器的设计计算 基本都是在假设空气侧具有均匀分布的空气流场的前提下得出的， 而事实气流分布却 是十分不均的，换热器周围的壳体、压缩机、贮液器、管道等部件都会影响气流的正 常流动，而且不管是轴流风机还是离心风机本身产生的气流都不是均匀分布的。所以 随着平行流换热器应用迅速推广， 对在不均匀气流分布影响下其各方面机理进行研究 也成为一项亟待解决的课题。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 3 - 1.2 研究的目的和意义 换热器的研究属于基础研究，主要集中在强化换热研究与降低材料成本等方面。 因为换热器在制冷空调、航空航天、石油化工等众多领域应用广泛，对换热器的研究 无疑会促进社会多个行业的技术进步。 尤其是在空调行业， 2010 年房间空气调节器能 效限定值及能效等级要求升级2，对空调效率和市场准入门槛都提出了新的要求。换 热器的强化换热、优化设计是提高空调能效的有效手段。 铝质平行流换热器重量轻、工质充注量少、价格便宜的优点不仅促进制冷空调等 设备性能系数的提高，还使设备的重量和体积大幅度减少。对它的研究不仅可以优化 自身和整个系统设备的性能，还可以促进微通道扁管、翅片结构改造，充分发挥平行 流换热器的优点、改进其不足，从而促使新型更高效节能的换热器的产生。 一直以来对平行流换热器的研究手段主要有利用实验及利用计算机数值模拟。 实 验研究是在已经建立好的实际系统上进行性能分析研究， 或者是利用相似原理按照一 定的比例建立系统模型，针对模型进行相应的实验，分析系统各方面性能。实验研究 真实性好，可靠性也较高，但是周期长，费用高，而且有些实验实施难度大。计算机 数值模拟能很好的弥补实验研究的缺点， 利用计算机建立物理模型和数学模型可以模 拟系统中的各个因素，缩短开发周期，为平行流换热器的发展探索正确的方向。本文 将实验研究和计算机数值模拟相结合，开发可靠的平行流换热器仿真模型，这对于开 发出有应用价值的平行流换热器仿真软件及平行流换热器的生产设计具有现实意义。 1.3 平行流换热器的发展趋势 平行流换热器属于高紧凑型换热器，能够有效利用材料、空间、及能源，这些突 出的优势都促使换热器的设计越来越紧凑化，而且这个趋势还将会继续下去3。平行 流换热器是在汽车空调制冷剂 r134a 替代 r12 的过程中产生的，主要由多孔扁管、 百叶窗翅片和集流管钎焊连接组成， 根据流程划分情况可将其分为单元平行流换热器 和多元平行流换热器。 多元平行流换热器是在集流管中设置挡板将工质流动划分为若 干流程，根据制冷剂在流动过程中状态的变化适当设置每个流程的扁管数，制冷剂能 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 4 - 够以一个合适的流动状态与通道内壁进行对流换热， 换热面积也就得到了较合理的利 用。 平行流换热器扁管具有多通道结构，通道按照水力直径常见的划分方案4见表 1- 1，所以平行流换热器属于微小通道换热器。微通道中的传热传质过程类似于人体大 脑、肾、肺、血管等毛细管中的传热传质过程，流动过程中流体能够充满整个流通横 截面积，有助于有效利用换热器的换热面积，提高换热效率。在空气侧采用百叶窗翅 片促使换热器结构向更加紧凑的方向发展。 表 1- 1 通道常见划分方案 常规通道 3mm d 小通道 200m d 3mm 微通道 10m d 200m 过渡通道 1m d 10m 过渡纳米通道 0.1m d 1m 纳米通道 d 0.1m 在高换热效率的基础上铝制材料也很大程度上降低了换热器成本， 对于将平行流 换热器应用于其他领域的研究越来越多，陈芝久等5在 2003 年就提出用铝制换热器 应用于家用空调系统在方案上是可行的。 平行流换热器从最早被应用于汽车空调冷凝 器，已经逐渐被推广到汽车空调蒸发器6、家用、商用空调冷凝器等。 1.4 国内外研究现状 优异的性能表现使得平行流换热器自出现以来就得到众多学者的广泛研究， 研究 方法主要有实验研究和数值模拟仿真，研究内容主要集中在平行流换热器的应用推 广、 换热器微通道内热流体的流动换热研究、 百叶窗翅片与空气的对流换热规律研究、 以及热冷流体的分布不均匀性研究等方面。 1.4.1 平行流换热器的研究现状 davenport7经研究指出，通过百叶窗翅片的空气流动根据雷诺数的大小，可以分 为沿空气流道轴向的管导向型流动和沿百叶窗方向的百叶窗导向型流流动两种。 雷诺 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 5 - 数较小时，因为边界层积累的越来越厚就导致百叶窗之间的空隙被堵塞，气流就会向 翅片方向流动；高雷诺数时，边界层很薄，空气会沿着百叶窗方向流动。cowell 等8 的研究也有力证明了这个结论的正确性。 chang 和 wang9对具有百叶窗翅片结构的换热器进行试验研究，通过对 91 组不 同结构参数的换热器试验数据进行分析，提出了针对百叶窗翅片的传热 j 因子的计算 关联式， 公式对于三角形流道和矩形流道普遍适用。 随后 chang 等10又提出了计算摩 擦 f 因子的计算关联式，在后续工作中他们11又对其进行了修正。 dong junqi 等12对 20 种不同结构参数的百叶窗翅片换热器空气侧进行了试验研 究，空气流量保持 2.8m3/h，雷诺数为 2002500，试验数据采用效能-传热单元数法分 析，提出了以百叶窗间距为特征尺寸的空气侧传热 j 因子和气流摩擦 f 因子的计算关 联式。公式计算结果和实验结果均方根误差分别为10%、12%，平均偏差分别为 4.1%、5.6%。随后他们13又提出适用于交错翅片的传热 j 因子和气流摩擦 f 因子的计 算关联式。 yang 和 web14, 15对水力直径 2.64mm 内壁光滑的微通道扁管和水力直径为 1.56mm的微肋微通道扁管进行实验研究， 实验工质采用r12， 冷凝传热计算采用akers 提出的传热系数计算关联式。他们指出在高质量流速和高干度（大于 0.5）下表面张 力对冷凝换热的影响十分显著， 随后他们又用相同的换热器研究制冷剂表面张力对流 动压力损失的影响，并提出了计算两相流动的摩擦因子的计算关联式。 agostini 等16, 17对小水力直径矩形通道内的流动和传热进行了实验研究，两种通 道尺寸分别为 1.11 1.22mm、0.73 0.72mm，流动工质采用 r134a，经过研究作者推 荐采用 gnielinsky 提出的传热计算式。 garimella 和 wicht18 研究了微通道扁管百叶窗翅片换热器中氨的冷凝换热。 他 们通过优化换热器的各种结构参数在保证21kw的换热量的基础上把换热器的质量减 少到最少。他们发现，扁管宽度、翅片宽度对换热器性能影响很大。他们通过对结构 参数的优化把换热器质量从标称的 19kg 降低到了 17.7kg。同时他们发现气流的实际 流量对换热量影响很大，空气流量降低 20%会导致换热器质量增加 60%。 garimella 等19 对用于家用吸收式热泵平行流冷凝器进行研究， 平行流换热器制 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 6 - 冷剂侧无相变，经过对研究结果的分析他们发现，在相同换热量的基础上采用这种微 通道扁管百叶窗翅片的铝质换热器能比使用传统的圆管波纹片换热器质量减少 59%。 garimella 和 coleman20 对用于氨-水吸收式热泵系统用的翅片管式冷凝器进行 了优化研究。他分别用平直翅片、波纹片、百叶窗翅片及环形翅片进行性能对比，其 目的是在获得 18kw 换热量的前提下使得冷凝器的质量最小。他们研究发现在允许的 压力降范围内采用波纹片的冷凝器质量最小。 根据作者分析这是因为波纹片会引发二 次流，会增大空气侧的换热系数。 jiang 和 garimella21 对用于热泵系统的平行流冷凝器和平行流蒸发器进行了研 究， 热泵系统采用 r22 作为工质， 并且与采用传统的翅片管式换热器的系统进行对比。 在平行流蒸发器中制冷剂将冷量传给作为载冷剂的乙二醇溶液。他们研究发现，对于 采用空气-制冷剂换热的平行流换热器的室内机和室外机， 其体积可以分别减少 1/2 和 2/3。对于载冷剂-制冷剂换热的平行流蒸发器和冷凝器而言，由于具有更大的换热系 数，可以比空气制冷剂换热分别节省 35%、65%的材料。另外，他们研究发现应用 空气-制冷剂换热的平行流换热器的制冷系统的制冷剂充注量可以比采用传统翅片管 式换热器减少 20%，若采用液体制冷剂平行流换热器则最多可以减少 90%。 kim 和 bullard22 对比了用于窗式空调冷凝器的平行流式换热器性能和传统的 翅片管性能，窗机采用 r22 作为制冷剂。结果表明，平行流冷凝器的单位体积换热量 比传统的翅片管式换热器增加 14%331%。同时，才平行流冷凝器制冷剂充注量可以 减少 35%，冷凝器体积减少 55%，重量减少 35%。 kim 和 groll23 对采用平行冷换热器作为室外机的家用分体式热泵空调系统做 了测试，系统采用 r22 为工质，额定制冷量为 10.5kw。平行流换热分别做垂直放置 和倾斜 15 度角放置，翅片间距分别为 1.67mm、1.25mm。与对比的换热器相比平行 流换热器的迎风面积和制冷剂侧容积可以分别减少 23%和 32%。 在制冷模式时， 采用 平行流换热器的空调系统 cop 提高了 1%6%，提高的程度根据翅片间距和换热器倾 角的变化而变化。研究发现，倾斜 15 度放置比垂直放置效果要好，因为倾斜一定角 度换热器的迎风面风速更均匀一些， 这时的气流有助于增加百叶窗翅片热边界层的扰 动，从而增加空气侧的换热系数。1.25mm 的翅片间距比 1.57mm 的翅片间距表现出 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 7 - 来的性能要好。在制热模式，采用平行流式换热器的系统表现出来的性能则要比对比 系统有所降低， 但是换热器倾斜放置仍然比垂直放置效果要好。 在换热器垂直放置时， 1.25mm 的翅片间距仍然比 1.67mm 的翅片间距效果要好，而倾斜放置时则没有差别。 制热模式下平行流蒸发器结霜更严重，其中以垂直放置的 1.67mm 翅片间距的平行流 换热器化霜频率最小，其后依次是垂直放置的翅片间距为 1.25mm 的平行流换热器、 倾斜放置的翅片间距为 1.67mm 的平行流换热器和倾斜放置的翅片间距为 1.25mm 的 平行流换热器。 包涛等24, 25 研究对比了管片式、管带式和平行流式冷凝器，并分析了平行流式 冷凝器的换热器机理， 阐述了通道内流体的表面张力在不同的质量流速下对换热性能 的影响。随后又选用适用于平行流冷凝器的经验关联式，建立了数学模型，模拟研究 了表面张力、流速、通道截面对换热性能的影响，提出可以通过适当设计流程和不同 流程扁管数来优化冷凝器内部的制冷剂流动以提高整体性能。 漆波等26, 27利用 cfd 技术采用 fluent 软件建立具有百叶窗结构的汽车用散热器 物理模型， 模拟了散热器导热和与空气对流换热的耦合规律。 经过研究发现采用 cfd 技术比用经验公式计算出来的结果更接近于实验数据， 认为换热器空气侧翅片结构有 待于进一步优化。 李夔宁等28对汽车用平行流冷凝器进行了流动、传热实验研究，分析了翅片结构 参数对空气和换热器对流换热规律的影响。 并利用计算机以最大换热量为目标编制了 计算程序。提出平行流冷凝器的优化方法，可用于实际工程的计算分析。 张兴群等29利用实验和数值模拟的手段对平行流式冷凝器进行了研究， 指出强化 平行流冷凝器的换热应将重点放在空气侧， 因为空气与百叶窗翅片之间的对流换热热 阻是制冷剂与微通道之间热阻的十倍。 文章分析了空气流速、 百叶窗翅片高度、 间距， 多孔扁管微通道形状、孔数，流程扁管数分配对平行流换热器性能的影响。提出气流 速度有一个最优值，并建议百叶窗翅片的结构方面强化换热。指出平行流换热器的应 用前景是其他传统形式的换热器无法比拟的。 董军启等30, 31对 8 种不同结构百叶窗翅片换热器的传热和阻力特性进行了风洞 实验研究，分析了百叶窗翅片不同结构参数对传热 j 因子和摩擦阻力 f 因子的影响。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 8 - 研究利用3/ jf来综合评价换热器的换热效果，指出翅片高度与翅片长度、翅片间 距相比对换热的性能影响较小，而由翅片长度产生的影响则最为显著。随后他们又对 20 种不同结构的百叶窗翅片换热器进行实验研究，通过对 336 个实验数据点进行 f 显著性实验和多元回归分析拟合出了传热j因子和摩擦阻力f因子的计算经验关联式。 王铁军等32对客车空调用平行流冷凝器进行了模拟研究，利用 matlab 编制了 一维稳态的仿真模型，并在 bjx10e 型客车空调进行了平行流冷凝器和传统的管片式 冷凝器的对比实验， 结果表明应用平行流冷凝器的客车空调比应用管片式冷凝器性能 上有较大提高，证明平行流换热器是一种极具发展前途的换热器形式。 另外舒朝晖等33, 34、 鲁红亮等35-37、 汪敏等38都用数值仿真的手段建立了仿真模 型，对汽车空调和家用空调用平行流冷凝器进行了研究、从百叶窗翅片结构和微通道 扁管结构等方面分析对换热器性能的影响，并提出一些优化思路。 1.4.2 气流分布不均对换热器影响的研究 早在20实际80年代fagan tj39就对换热器的一维方向的不均匀气流分布做了研 究，他指出不均匀分布的气流会使换热器的换热量降低，在最恶劣的情况下换热量可 降低 20%。chwalowski 等40利用四种不同的方法来预测蒸发器的性能，并且与实验 数据进行了验证。 他们指出要正确预测换热器的性能模型中的空气侧气流分布必须与 实际情况相符，在他们的试验中对于不均匀的气流分布换热器的换热量可降低 30%。 chiou41, 42 开发了一个数学模型来衡量不均匀气流对一个具有扁管和平直翅片 结构的多流程汽车空调冷凝器传热性能的影响。作者分析了 12 种典型气流分布下的 换热器性能指出，不均匀的气流对此种类型换热器的影响会非常严重。作者在这篇文 章中开发的数学模型可以用来衡量不均匀气流下的换热器综合换热系数。 并指出这对 于针对不均匀气流的换热器的设计有较大意义。 berryman and russell43 研究了气流的不均匀性对用于工厂中的受迫对流空冷式 换热器性能的影响。经过他们的试验研究发现，对于鼓风机由于气流的不均匀分布会 使气流速度比均匀气流降低 10%20%，而对于引风机的气流则会降低 12%22%。利 用计算机编程他们衡量了换热器在相同流量气流下， 由于不同程度的不均匀气流分布 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 9 - 而引起的性能衰减程度。通过对一流程和四流程的逆流式换热器的研究他们发现，对 于实际情况下的不均匀气流，对换热器的性能影响是很小的。但是他们指出，对于一 些特殊的场合，例如真空状态下蒸汽冷凝、粘性流体的局部冷却等，不均匀的气流会 对换热效果产生很大的影响。对于真空状态下蒸汽的冷凝，由于来流的不均匀，同一 排不同的换热管会有不同的换热量，然而因为管侧的压降是相等的，这就使气流来流 过多的管子末端内部充满不凝结气体，这就会导致换热效率的降低。对于粘性流体的 小范围局部冷却，由于局部的气流流量过大可能会使此处管侧流体温度低于融点温 度，此时对于气流的均匀性要求就比较高。 rabas44 对不均匀气流分布下的空冷式叉流换热器的热性能进行了数值研究。 他 认为换热器的综合传热系数与气流流量的 0.6 次方成正比。针对一维和二维方向上的 气流、温度分布不均进行了分析研究，作者发现来流的不均匀分布会使冷凝器的热性 能下降。但是换热器由于不均匀气流引起的性能下降较小，即使在十分严重的不均匀 气流下换热器的性能衰减也不到 7%，另外作者对空气侧的压降没有进行单独分析。 domanski45开发了一个软件 evsim 来衡量气流分布不均对翅片管换热器的性能 影响，但是只是针对气流的一维不均匀分布。 kirby 和 bullard46 对一台 1.5 冷吨的家用空调蒸发器进行了不均匀气流下的干 工况和湿工况下的实验研究和数值研究，实验结果用来改进仿真模型。对比实验和模 拟结果作者发现相关文献提供的空气侧和制冷剂侧的计算关联式能很好的反应波纹 翅片蒸发器和百叶窗翅片冷凝器的性能。 研究结果表明蒸发器和冷凝器迎面不均匀气 流的最大速度是最小速度的3倍。 他们用一台和空调蒸发器相同的换热器做风道实验， 发现不均匀气流对换热器换热量和压降的影响是很小的。 beiler 和 kroger47 (1996)研究了不均匀气流对空冷式无混流的叉流式换热器性 能的影响。为了衡量换热器性能的变化他们单独研究了每排换热管的换热情况。这么 做是因为对于具有多排管的换热器在每排管上的空气侧换热情况是不一样的， 它们会 被气流的流动状态及管排数影响。 他们用性能因子来量化气流的不均匀性导致的换热 器性能降低程度。 他们发现下游的换热排管的性能因子要大于上游的换热排管性能因 子，这是因为上游的不均匀气流导致温度场的分布不均匀性比下游更加显著。最后得 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 10 - 出结论，由于气流的不均匀分布导致的换热器性能下降低于 2%。 elgowainy48 对用作家用热泵式空调室外机换热器的翅片管式换热器迎风气流 进行了三维模拟研究。为了模拟通过换热器盘管的气流分布，作者将盘管作为多孔介 质模型来建模， 通过模拟出来的通过多孔介质模型的空气流量与实验流量相对比来验 证模型的正确性。 换热器的换热器系数和气流的压力损失通过对一个微元模型的分析 进行研究。 不均匀气流分布下的基于换热器面积的平均换热系数要比气流均匀分布时 降低 0.9%1.5%。 lee 等49, 50 利用数值模拟和实验研究了二维方向上不均匀气流下的 u 型流程和 z 型流程的冷凝器性能，系统分别用 r22 和 r407c 为工质。无论是模拟结果还是实 验结果，不同流程形式或者不同制冷剂都有不同的换热量。r22 在 z 型流程换热器中 的性能比 r407c 要好，但是在 u 型流程中则不明显。数值模拟中用 r22 做工质的换 热器换热量平均比实验值高 10%，用 r407c 做工质模拟换热量则比实验值低 10.7%。 随后 lee 等. (2003) 利用数值模拟和实验研究了二维不均匀气流下的翅片管式蒸发 器的性能，蒸发器分别以 r22 和 r407c 为工质，实验结果与模拟结果进行了对比分 析，最大误差为 5.4%。对比均匀气流下和不均匀气流下的蒸发器性能可以发现，均 匀气流分布的蒸发器制冷量最大，不均匀的气流最大可以使蒸发器换热量降低 6%。 saidi 等51 对汽车发动机散热器在多种工况下进行了实验研究，并且利用实验数 据计算了每种工况下的散热器的传热系数，压力降等。对比了实际不均匀气流下的散 热器换热量和风洞试验中均匀气流下的散热器换热量， 结果表明均匀气流下的换热量 提高了 50%。 krn 等52, 53 对家用空调的翅片管蒸发器两侧冷热流体的不均匀分布做了数值 模拟研究，他们发现空气的不均匀分布会使空调的制冷量和 cop 有明显降低，而制 冷剂的不均匀分布对系统没有这么大的影响。 他们提出空气的分布不均和分液器的不 均匀分流是制冷剂分布不均的主要原因， 由此带来的负面影响可以通过单独调节每个 通道的过热度来补偿。 从以上的文献可以看出， 具有微通道扁管和百叶窗翅片结构的平行流换热器不但 有优秀的性能表现，还可以节省大量金属材料和制冷剂。许多学者在研究平行流换热 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 11 - 器的时候总是假定通过的是均匀的气流分布。 然而许多学者研究了以往常用的换热器 在不均匀气流条件下的性能变化，他们发现不均匀的气流会使换热器的换热量降低 5%10%。 但是， 研究不均匀气流分布对于平行流换热器性能影响的文献还较难见到。 随着平行流换热器的应用越来越广泛， 对于其在实际气流下的性能表现的研究是十分 有必要的。 1.5 课题主要研究内容 空冷式换热器被应用到包括家用空调在内的许多场合。 近年来为了提高这种换热 器的性能人们做了很多尝试， 包括适用微通道扁管百叶窗换热器代替传统的圆管和平 直翅片，平行流换热器就是这种形式。在一些空调系统中冷凝器的周围一般会有一些 其他部件，如压缩机、贮液器、壳体等等，引风机产生的气流会流经这些附件。这就 会导致流向冷凝器的均匀气流被扰乱，不均匀的气流分布会降低冷凝器的性能，从而 影响整个系统。 本文将针对不均匀的气流分布分析平行流冷凝器性能被影响的程度。 平行流换热 器具有微通道扁管和百叶窗翅片结构，被设计用来带走空调系统中的热负荷，设计通 常是在假定气流分布均匀的情况下进行的，然而实际的气流分布却并非如此，而且不 均匀性相当明显。 此篇文章的目的就是研究不均匀的气流分布对于平行流冷凝器的性 能的影响程度，研究的结果可以为平行流换热器在不均匀气流下的设计提供借鉴。 课题主要应用试验研究和数值模拟的方法开展，主要研究内容如下所示： （1）平行流冷凝器的实验研究。搭建试验台，将平行流换热器应用于家用空调系 统机型试验研究。制冷系统主要有涡旋式压缩机、翅片管蒸发器、毛细管、 贮液器、气液分离器、平行流冷凝器组成。 （2）平行流冷凝器空气侧气流流场研究。利用 cfd 技术模拟平行流冷凝器风机气 流形成的流场，查看流场分布规律，衡量其分布的不均匀性。 （3）不均匀气流对平行流冷凝器的性能影响研究。 用 matlab 软件编制平行流冷凝器在不均匀气流下的仿真模型，在空气侧施加 不同类型的流场分布，研究不同流场下的平行冷凝器的性能变化。为平行流冷凝器的 改进、优化及工程应用推广提供参考方法。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 12 - 2 均匀气流下平行流冷凝器的理论及实验研究 2.1 概述 平行流换热器最早应用于汽车空调冷凝器， 因为优异的性能及成本优势使得其自 从出现以来就得到众多学者的研究。 随着研究的深入逐渐推广到家用空调、 商用空调、 中央空调及工业应用等众多领域。汽车空调平行流冷凝器重量轻、体积小，迎面风速 较大，一般设计风速是 4.5m/s，用于家用空调或商用空调时设计风速一般是 23m/s， 因为最窄界面风速要求不同，这就要求冷凝器的空气侧翅片参数有所不同。 本章将平行流换热器、翅片管蒸发器、涡旋式压缩机、毛细管、贮液器、气液分 离器等部件组装为家用空调，采用 r22 及 r134a 制冷剂来研究平行流冷凝器的运行 性能。制冷剂由压缩机出来进入冷凝器，此时为高温高压过热气体，在冷凝器中逐渐 冷凝为两相状态后再慢慢过冷，这是一个比较复杂的过程。此时对平行流换热器的模 拟研究要将其按照相态分为过热、两相、过冷三部分分别建模以保证计算的准确度。 平行流冷凝器的结构比较特殊，具有微通道扁管和百叶窗翅片组成，常规计算关 联式已不适用，所以选择正确的计算公式是建模的前提，本模型中空气侧选用 dong junqi 提出的传热和压降计算关联式。 对制冷剂侧传热计算， 过热区采用 ditus-boeleter 关联式、 气液两相区采用 akers 提出的关联式、 过冷区则采用修正的 gnielinsky 公式。 模型在均匀气流分布的前提下采用有限体积法（fvm） ，将冷凝器分作许多微元 控制体， 以前一个微元控制体的出口条件作为下一个微元控制体的入口条件进行迭代 计算，每个相区单独利用效能传热单元数（ntu）法进行计算求解，前一个相 态最后一个微元的出口状态参数即为下一个相态第一个微