（工程热物理专业论文）风冷翅片式换热器型式结构对其性能影响的研究.pdf

摘要 摘要 当前世界能源短缺，而空调产品作为耗能大户，用电量很大。因此， 研究空调产品换热器的换热效率以期提高空调产品的节能指标就具有十 分重要的意义了。本文试图通过对家用空调室外机风冷冷凝器的结构型 式分析，利用理论计算结合实验测试分析，以对风冷冷凝器有较全面的 认识和如何改善风冷冷凝器以提高空调产品性能参数进行了有益的探 讨。 针对家用空调室外机冷凝器特征，建立了其数学模型，并利用于分析 得到换热器迎面风速与换热量、冷凝温度、出风温度、管壁温度以及管 内管外的换热系数之问的具体曲线关系。 由于家用空调室外机用的轴流风机叶片不同于一般工业用的轴流风 机叶片，因此对空调室外机轴流风机的风机性能进行了理论分析计算。 对一选定的空调室外机用轴流风机，进行了压力、轴向速度和周向速度 的计算分析。给出了出风压力、轴向速度和周向速度的分布图。 考虑到室外机换热器距离轴流风机叶片实际存在一段距离，于是进一 步对轴流风机出风后的速度衰减进行了理论计算分析。获得结论：随距 离的增大，边界以线性规律扩展，轴向速度以1 次方规律下降，而切向 速度则以2 次方规律迅速下降。 通过对吸风式轴流风机和鼓风式轴流风机两种方式结合每种方式的 四种风机转速情况的实验测试分析，从实验角度对空调室外机冷凝器进 行了流场、温度场、性能和噪声的分析；同时比较完整地对家用空调室 外机采用吸风式轴流风机和鼓风式轴流风机两种方式进行了比较，得出 结论：家用空调室外机应用鼓风式轴流风机代替吸风式轴流风机对空调 的影响不全是改善，制冷性能提高的同时，却伴随噪声的增加。 风冷翅片式换热器作为换热元件对于空调器性能来说，其重要性不言 而喻。本文对家用空调室外机风冷翅片式换热器进行了相应的理论分析 和实验研究，得到了风量与其它各性能参数的关系，并对室外机目前结 构型式进行有益的改变尝试，以期提高风冷翅片式换热器的换热效率。 这对于目前空调使用的风冷翅片式换热器结构型式的分析、优化设计和 对空调器整机产品的改进具有重要的参考价值和理论意义。 关键词：风冷翅片式换热器空调器轴流风机 华南理工大学工学硕士学位论文 a bs t r a c t b e c a u s eo ft h e s h o r t a g eo fe n e r g y ，i t i s v e r yi m p o r t a n tt os t u d y h e a t t r a n s f e r e f f i c i e n c y i nc o n d e n s o rt o i m p r o v ee n e r g ys a v i n g t a r g e t o f a i r - c o n d i t i o n e r p r o d u c t t h i sp a p e r h a sa no v e r a l l k n o w l e d g e o f f i n a n d t u b eh e a te x c h a n g e r sa n ds t u d i e sh o wt oi m p r o v ef i n a n d t u b eh e a t e x c h a n g e rp e r f o r m a n c e t o g e t a g o o dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r o f a i r c o n d i t i o n e r s b ys t u d y i n gc o n f i g u r a t i o n o fe o n d e n s o ro fh o u s e h o l d a i r c o n d i t i o n e rw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lt e s t a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fe o n d e n s o ro fh o u s e h o l da i r c o n d i t i o n e r ， m a t h e m a t i c a lm o d e li ss e tu pa n du s e df o ra n a l y z i n gr e l a t i o nc u r v eb e t w e e n w i n dv e l o c i t ya n de a c hi t e mo fh e a tt r a n s f e rq u a n t i t y ，t h et e m p e r a t u r eo f c o n d e n s i n g ，t h et e m p e r a t u r eo fo u t p u ta i r ，t h et e m p e r a t u r eo ft u b ew a l la n d h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tb a s e do ni n n e ro ro u t e ro ft u b e a st h ed i f f e r e n c eo ft h e v a n e s h a p e sb e t w e e na x i a lf l o wf a n i n a i r c o n d i t i o n e ra n dn o r m a lf a n ，c a l c u l a t et h ef a np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r si n a i r c o n d i t i o n e r t h e nt h e o u t p u t a i r p r e s s u r e ，t h e a x i a l v e l o c i t y a n dt h e c i r c u m f e r e n t i a lv e l o c i t ya r ec a l c u l a t e da n dd r a w nf o ras a m p l e c o n s i d e r i n g ad i s t a n c eb e t w e e na x i a lf l o wf a n a n dh e a t e x c h a n g e r ， c o n t i n u et oc a l c u l a t et h ea i rv e l o c i t yr e d u c t i o na f t e ro u t p u tf r o mf a n a n d d r a wac o n c l u s i o nt h a tw i t hd i s t a n c ei n c r e a s e d ，t h eb o r d e ri s i n c r e a s e di n l i n e ，t h ea x i a lv e l o c i t yi sd e c r e a s e di nl i n ea n dt h ec i r c u m f e r e n t i a lv e l o c i t y i sd e c r e a s e di ns q u a r e t h i sp a p e ra n a l y z e st h ef l o w ，t h et e m p e r a t u r e ，t h ec o o l i n gp e r f o r m a n c e a n dt h en o is eo fc o n d e n s o ri n e x p e r i m e n ta n dc o m p a r e s t h ei n p u tm e t h o d a x i a lf a nw i t ht h e o u t p u t m e t h o d a x i a lf a nus e di nc o n d e n s o r o f a i r c o n d i t i o n e rb yt e s t i n gt h et w om e t h o d sw i t hf o u rd i f f e r e n tv e l o c i t i e s s o d r a wac o n c l u s i o nt h a tc o o l i n gp e r f o r m a n c eg e t si m p r o v e db u t n o i s ea l s o b e c o m e sb a dw h e n a p p l y i n go u t p u t m e t h o da x i a lf a n i nc o n d e ns o ro f a i r c o n d i t i o n e r f i n a n d t u b eh e a te x c h a n g e r iso n eo ft h em o s ti m p o r t a n t c o m p o n e n t s o fa i r c o n d i t i o n e r t h i sp a p e r s t u d y sf i n a n d t u b eh e a t e x c h a n g e r u s e di nh o u s e h o l d a i r c o n d i t i o n e r t h e o r e t i c a l l y a n d a b s t r a c t e x p e r i m e n t a l l ya n dt h e ng e t sr e l a t i o nc u r v eb e t w e e na i rv e l o c i t ya n ds o m e o t h e r p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，m o r e o v e r d o e sa c h a n g e t ot h e p r e s e n t c o n f i g u r a t i o no fc o n d e n s o ro fh o u s e h o l d a i r c o n d i t i o n e ri no r d e rt oi m p r o v e h e a tt r a n s f e rr a t eo ft h e e x c h a n g e r a l lo ft h o s ea r eu s f u lt o a n a l y z et h e c o n f i g u r a t i o no fh e a te x c h a n g e r ，d e s i g na n di m p r o v ea i r - c o n d i t i o n e r s k e y w o r d s ： f i n a n d t u b eh e a te x c h a n g e r ，a i r c o n d i t i o n e r ，a x i a lf l o wf a n 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独市进行研究所 取得的研究成果。除丫文巾特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承担。 作者签名：苏嘉悫日期：伽口产年6 月罗日 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，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。本人授权华南理工人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。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：涨箬嘉 导师签名： 日期：妒j 旁年f 月穸日 日期：叽侔6 月门了 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述及问题的提出 可持续发展是当今世界许多国家共同的总体战略，也同样是我们国家 发展的重大战略。 随着我国经济的发展，人们生活水平的提高，空调的使用已经越来越 。泛了。特别是目前最普及的分体式家用空调器，由于其造型美观、价 钱不贵、使用安装方便、占用空间小等诸多优点，其在家庭中的使用比 例已经远远超过了窗式空调和柜式空调。 根据空调冷凝部分的换热途径不同，空调冷凝器可以分为风冷冷凝器 和水冷冷凝器，甚至最近还出现有地冷冷凝器等。不过，目前地冷冷凝 器更多还停留在试验阶段，技术尚不很成熟，在此不作特别的讨论。 1 1 1 风冷冷凝器和水冷冷凝器的比较 由于使用条件的不同，风冷冷凝器多应用在我国干燥缺水地区，而水 冷式冷凝器多在水资源较丰富的地区运用。但随着我国工农业用水量的 逐年升高，节约用水的呼声日益高涨，使用节水型的风冷冷凝器将会成 为主要的选择。 目前制冷空调机组的冷凝器多采用水冷式和风冷式。水冷式冷凝器是 用水冷却高压气态制冷剂，使之冷凝。由于采用水冷式冷凝器可以得到 比较低的冷凝温度，这对于制冷系统的制冷能力和运行经济性均较为有 利，因此大型冷水机组多采用此种冷凝器。而风冷式空调机组是利用空 气使气态制冷剂冷凝，无需冷却塔、冷却水循环管路，因此系统简单， 安装方便，特别适用于水源缺乏，用水有限制的地方。 在全负荷时，风冷冷凝器的冷凝温度要高于水冷式冷凝器，故风冷式 空调机组的性能系数相对较低。因此，同样制冷量的风冷冷凝器对应的 制冷压缩机需要更大的功率来运行。但是空调负荷在整个夏季的分布是 极不平均的，甚至在一天之内，不同时间段负荷也差别很大。各种家用 或商用空调器在最大负荷下运行的时间将会是极其有限的。按一般统计， 华南理工大学工学硕士学位论文 空调负荷在9 0 以上的运行时间仅占到全部时间的7 8 ，而负荷在6 0 以下的运行时间则要l 与到5 0 一6 0 ，即家用空调器在整个夏季几乎都 不是处在全负荷运行之中。 风冷冷凝器的冷凝温度取决于室外干球温度，而水冷式冷凝器的冷凝 温度则取决于室外湿球温度。在一天之内，室外空气干球温度的变化要 比湿球温度大得多。在我国的南方地区，夏季每天温度的r 温差一般在8 1 0 左右，而在北方地区，特别是气候干旱少雨的地区则更大，甚至 达1 5 1 6 ，而湿球温度在一天之内的变化是很小的( 仅为干球温度变 化的五分之一左右) 。因此，可以认为水冷式冷凝器的冷凝温度在一天之 内是几乎不变的，而风冷冷凝器的冷凝温度当室外干球温度下降时就会 随之。f 降，在设计过程中应考虑风冷冷凝器的冷凝温度的变化。不能简 单地认为风冷冷凝器的冷凝温度比水冷式的高5 1 0 ，就得出风冷冷凝 器的经济性比水冷式冷凝器差，而应考虑到购置、安装、运行等费用， 综合评定。 另外，风冷冷凝器无需各种水力管道、阀门，加工成本较低。同时， 由于水质的关系，水冷式冷凝器要求定期清除水垢，否则传热系数将会 显著降低，但是水垢的化学或物理清除都要求较大的费用：而风冷冷凝 器中的积尘虽然也会降低传热系数，但清洗较简便，经济性更好。 由于其优点显著，加上淡水资源越来越缺乏，环保日受重视，风冷 换热器越来越广泛得以应用。风冷翅片式换热器广泛应用于空调系统： 1 、空调室内机换热器1o o 采用翅片式。 2 、家用空调器室外换热器10 0 采用翅片式。 3 、中央空调室外换热器目前大部分采用翅片式。 4 、除空调系统以外，风冷翅片式换热器也广泛应用于电力、石油、 化工冶金等行业。 1 1 2问题提出 随着我国改革开放的深入，城乡人民的生活水平得到了大幅度提高， 空调机已广泛地步入家庭和工作、娱乐、服务场所。我国空调器行业自 8 0 年代初起步，现己跃居家电消费品榜首。1 9 9 2 年我国空调器销量为1 5 2 力- 台，l9 9 3 年为3 0 0 万台，1 9 9 4 年为5 0 0 万台，1 9 9 5 年为5 2 0 万台，1 9 9 6 年约为6 0 0 万台。 我国空调业从1 9 6 4 年诞生第一台窗式空调器以后，发展非常缓慢。 到8 0 年代初，大量地引进技术和生产线以后，才开始了较大速度的发展。 2 第一章绪论 但发展至今，我国空调业仍处在国际空调技术的低水平上，仅相当于f ：= | 本8 0 年代初第三代产品的水准。我国空调厂家几乎全部采用着同一生产 模式，即进口压缩机，国内采购换热器及其它部件，机壳在国内采购或 由国外开模国内生产，最后由空调厂家组装、销售。 近年来，由于人们生活水平提高和消费意识的超前，出现了空调市 场的繁荣，数百家空调器厂在同一技术水平上展开了广告和价格大战， 已有许多厂家败下阵来。相反，注重技术进步、产品更新的一些厂家在 国内空调市场上站稳了脚跟。 于是，一方面，全国由于空调器的使用产生的耗电量占据总耗电量比 重很大，空调已经成为不容忽视的耗能大户，空调器的节能要求已经变 得十分紧迫；另一方面，国内中小型空调器生产能力很大，空调器厂家 众多，行业竞争激烈，当前价格竞争的不合理性必然最终转为质量和技 术竞争。因此，作为重要的技术指标，空调产品的节能性，变得十分重 要了。 对空调产品进行优化，优化的目标应该包括以下两项： ( 1 ) 产品能够正常工作，达到其功能要求： ( 2 ) 效率与经济性最高。 对任何装置来讲，第一点要求都是最基本的要求，对于制冷装置来 讲，该项要求中还包含了机组的稳定性要求。如果机组运行中出现振荡， 则装置就无法正常工作，当然也就不用谈效率与经济性。 效率与经济性的考虑体现在运行费用和制造费用的降低。通过提高装 置的运行效率，可以节约能量，这对于我国这样一个能源紧缺的国家特 别重要。降低制造成本，是市场的必然要求。运行费用和制造费用的降 低，这两者之间通常是矛盾的，而如何综合考虑两者，达到总体最优， 往往是实际工作中最常碰到的优化问题。 冷凝器在空调器系统中占有很重要的地位，它的换热性能直接空调器 的整机性能。因此，在空调器的设计、制造方面方面，对冷凝器的换热 性能的研究和提高尤为重要。 因此，有必要探讨如何对现行冷凝器进行优化设计，以期在不大的成 本追加条件下提高换热器的换热能力，最终以提高空调器的整体运行能 效比? 在世界空调器行业中，6 0 的市场被同本所占有，并且在制造技术、 控制技术上都处于世界最前沿。日本空调器的发展主要集中在三个方面。 追求空调器的高效节能，特别是在1 9 7 2 年石油危机以后，改善压缩机、 热交换器、风扇的性能，加强对制冷循环特性的研究，优化制冷系统， 华南理工大学丁学硕士学位论文 实现了空调系统的小型化、低能耗、低噪音、高可靠性；追求室内环境 的高舒适性，从单的温度控制发展到室内热环境特性( 如p m v 等) 的 综合控制，从简单的双位控制发展到人工神经网络与模糊技术相结合的 智能控制，以实现人们对舒适性的要求；追求空调系统的多功能化、多 元化，从单冷型窗式空调器发展到热回收型v r v 空调系统，极大地拓广 了冷剂式空调系统的使用范围，开辟了集中空调系统的新领域”4 “3 。 目前国内分体式家用空调器，产品的型式设计、结构多仿制日本产品 的设计思路。由于位置空间尺寸的限制，室外换热部分采用的是风冷翅 片式换热形式。这可以节省淡水资源、绿色环保。 尽管家用空调器的设计已经日臻完善，但目前国内产品的能效比一般 都在2 4 2 8 之间，尚有继续提高的必要。 通常强化热交换器的换热效率可以从两个方面入手：强化制冷剂侧换 热和加强空气侧换热。强化制冷剂侧换热如采用内螺纹管。由于管外空 气侧换热系数远小于管内制冷剂冷凝换热系数，所以，很多人把重点放 在对管外空气侧进行优化。一般可以通过增加管外的换热面积、改变翅 片的结构型式和加大通风量等方法以提高热交换器的换热性能。室外机 目前都采用轴流风机吸风式，同时为了尽可能利用已有空间尺寸加大冷 凝器换热面，冷凝器形状设计成l 形。详见如下图1 1 所示。 图1 1家用空调室外机内部 作为空调系统中少量仅有的活动件之一，室外轴流风机通过旋转向外 4 第一章绪论 吹风，从而使室外机腔内形成一个负压，于是翅片管外的气体由于压差 作用穿过翅片被吸入室外机内，实现了翅片管与外界空气的换热。 空调器轴流风扇与工业用传统的轴流风机有很大的不同，目前还难以 看到可以借用的通用特性和内流实验数据用于指导空调风扇系统的设 计。7 同时，从图1 1 外观看，分体式房间空调器室外机组的风系统部分 结构比较简单。但是，事实并非如此。首先，冷凝器器芯是矩形的，而风扇 是圆形的，造成了两者面积的不匹配，气动性能降低：其次，进入风扇的气 流是经过肋片密集的冷凝器后进入的，使该类风机进口截面上气流必然 处于复杂的状态”。在这种进气条件下工作的风系统，无论其气动性能， 还是噪声，都有一定程度地恶化；最后，流场分布的好坏，直接影响空调器 的换热。因此，对空调器风系统的流场进行研究是十分必要的。 而对于目前广泛采用的轴流风机吸风式这种结构，风机风量与换热 器的匹配关系是怎样? 其规律性究竟是怎么样的? 如何认识理解并应用 其规律? 目前的吸风方式是否合理或已是最佳的方式了? 弄清这些问题 是很有必要的。 另一方面，目前家用空调器的风机使用情况如下表1 1 所示。分体 式房间空调器室外机组，其风机部分使用的方式全为吸风式轴流风机。 表1 1 家用空调器的风机使用情况表 分类风扇通风方式 分体挂机 ：泰内贯流风叶吸风式 室外轴流风叶吸风式 窗机室内贯流风叶鼓风式 室外轴流风叶鼓风式 分体框机室内贯流风叶鼓风式 室外轴流风叶吸风式 吸风式和鼓风式这两种吹风方式对于换热器来说，效果是有所不同 的。两者的一般区别见如下表1 2 所示。 华南理工大学工1 学硕士学位论文 表1 2 鼓风式和吸风式b t 较 比较鼓风式吸风式 换热系数高：因鼓冈产生气流扰动较低：受管排粪噪；晌 功率较低较高：风机处于高温气流中 驱动骏置和润滑环境空气中 管束出口气温限于7 6 7 热风再循环可能性大：管柬出口风速低较小：出风风速大 气流分布差好 笔者查阅了相关资料，发觉很少有人讨论分体式房间空调器室外机 组为什么使用现在的吸风方式而不是鼓风方式。如果将它改为鼓风方式， 对于现在的冷凝器换热效果如何? 对于房间空调器的性能是否会有提高 改进? 由于这个改变相对比较容易实现并且不会增加产品成本。因此， 有必要对分体式房间空调器室外机组轴流风机的吸风式和鼓风式进行了 解并实际分析比较。 1 2国内外研究现状 1 2 1风冷翅片式空调冷凝器的使用状况 提高冷凝器的传热效率，在一定传热量和能量消耗的前提下使设备 紧凑，减少占地和材料消耗，降低成本，是现阶段冷凝器发展的总的趋 势。从以下两个方面可以了解当前风冷冷凝器的使用状况a 1 2 1 1具有高- 性能的气流组织结构 气流组织结构的好坏，直接决定了风机性能的利用率，冷凝器整体 的换热能力。发展高性能的气流组织结构，能使单位面积翅片的换热能 力进一步提高，减少风机的能耗。合理的气流组织结构更能够在冷凝器 中形成相对负压，从而降低冷凝温度，提高冷凝器效率。此外，在建立 高效的气流组织结构的同时，由于风冷式冷凝器的换热性能较低，需要 6 第一章绪论 较大的换热面积。所以，力求整个冷凝器的结构更加紧凑也是风冷式冷 凝器的一个发展趋势。 现今的家用空调风冷冷凝器气流组织有：平面板式、弯板式、环形 板式等几种。以上各种气流组织结构可见图1 2 所示。环板式冷凝器的 面积利用率最大，结构最紧凑，但加工较复杂，形状不利于运输，且不 利于安装在空间较小的场所，因此多用在较大制冷量的空调器上。直板 式结构最简单，运输、包装、安装均很方便，多在小制冷量的窗式空调 机中使用。弯板式介于两者之间，兼有两者的优点，是现在中型分体式 空调冷凝器的主流产品。 环板式冷凝器寅板式冷凝器弯板式冷凝器 图1 2 三种冷凝器的风机安装和气流组织 1 2 1 2采用高效能换热表面 各种人工强化的冷凝面统称为高效能传热面。采用高效能换热表面 能够有效的提高单位换热面积的换热量，减少传热温差，提高制冷系数。 因此，当今的空调冷凝器产品广泛的使用了各种高效换热表面。例如， 采用螺旋直肋或焊、插螺旋线管中冷凝氟利昂，凝结换热系数比光管提 高3 7 倍“”。同本某公司研制的c 型管和我国某厂研制的d a c 管由于管 外侧面粗糙，顶部呈锯状，同时d a c 管内表面加工一条从外表面向里轧 制的单头圆凸形螺旋线，因此具有很高的冷凝换热系数，可达到光管的 8 10 倍“。采用表面纵槽或波形冷凝面“”及横纹槽管和缩放管“” 都可大大提高传热效率。总之，通过管子形状或表面性质的改造来强化 传热过程，可以提高冷凝器的换热效率。 1 。2 。2风冷翅片式空调冷凝器的未来 日本通产省制定了关于能源合理利用的法律，对家电产品能效比提 出了新的要求，其中规定，自1 9 9 7 年1 0 月l 臼至1 9 9 8 年9 月3 0 日生 产的单冷型分体空调器的c o p 指标为3 0 9 ，热泵型分体空调器供冷、供 华南理工大学工学硕士学位论文 热的平均c o p 指标为2 9 7 ”“。我国也对房间空调器的能效比指标在 g b 7 7 2 5 8 7 的基础上提高到2 5 ，这说明国际上各国政府都非常重视能源 的有效利用问题。但仅片面追求能效比，而盲目增大室内外换热器面积 的方法是不可行的，材料的不合理利用仍然是浪费能源的一个方面。所 以应在减轻机体重量的前提下，研究开发出高效节能的压缩机、热交换 器和电机，减少系统的各种不可逆损失，实现能源的高效利用才是提高 能效比的有效途径。对于空调产品，同时还需加强低噪声化研究。压缩 机、风扇是空调器的主要噪声源，低噪声压缩机和风扇的开发无疑是一 个重要课题。同时，风路系统的优化设计也将成为今后的研究课题。 冷凝器的发展要适应冷凝器自身所服务的制冷或制热系统的发展。 制冷系统的发展方向是提高循环效率、提高智能化水平、提高系统的紧 凑性和提高系统的环保性能。基于以上的观点，首先，冷凝器的发展也 要着眼于提高整个系统的效率；其次，由于冷凝器在整个制冷系统中所 占体积的比例最大，所以提高冷凝器的紧凑性可以显著减少制冷系统的 体积；第三，风机作为风冷冷凝器的重要组成部分，提高其性能也很重 要。 风冷冷凝器的发展方向在于提高表面换热效率和风机性能，完善气 流组织结构。 1 2 2 1发展新型高效的冷凝器翅片管结构 借助于大型计算机，对实际粘性流体进行数值模拟，高效的冷凝器 翅片结构设计可以通过数学模型仿真得到。对气流分布的研究表明，合 理的风机气流分布能够使换热器效率提高，有效面积利用率加强，防止 气流死角的出现。 1 2 2 2发展新型冷凝器翅片管及其涂层材料 某些新型环保工质由于防腐蚀及防爆燃的要求，需要新型材料来制 作冷凝器的各种水力管道和阀门。冷凝器管内为了防止液桥和液塞的形 成，要求开发新的亲水涂层。 1 2 2 3发展新型智能、高效风机 基于流体力学的发展，新型的高效风机叶片能够以更小的噪声运行， 同时耗电量显著减少。智能调节风扇的功率，控制相应的冷凝热量，保 证整个冷凝器在最佳工况下工作也是新型冷凝器的发展方向。 第一章绪论 1 2 2 4结构化冷凝器 目| j i 冷凝器的结构型式有多种不同类型，如立式、水平式、斜顶式、 环板式、直板式、弯板式、v 型和倒m 型等等”“”( 如见下图1 3 部 分图样) ，而何种结构适合何处情况，没有很清晰的理解。选定最佳冷凝 器的结构，将冷凝器的结构定型，实现模块化标准化，根据制冷量的需 要组合搭配，可以使冷凝器生产更为简便和提高质量。 图1 3 几种冷凝器的结构型式 9 华南理工大学工学硕十学位论文 1 2 3翅片强制对流的研究 尽管冷凝器内制冷剂状态分为过热区、饱和区、过冷区三个区域， 三者传热机理不同，根据m j a k o b 与s e r k 的研究h ：过热区和饱和区 在单位面积传热量几乎是一样的，传热效果没多大区别。而过冷区区域 很小，因此可以把冷凝器换热全过程作饱和区对待，换热量q 计算式为 q = k s a t 。 忽略较小的管壁传热热阻，空冷冷凝器传热系数k 可表示为 置= 击 o t o s r w w a c h e r s 给出制冷剂水平管的管内冷凝放热系数计算式“8 ( 1 3 ) 空气侧放热系数受管间距、翅片间距、排数、翅片形状、风速以及 管子与翅片接触性能、翅片效率因素影响。 其一般计算式可以表示为： 吒= a - “m o 5 5 ( 1 4 ) 川平睦义根据翅片的不同形状，给出了各个对应系数a 的值“。较 多的学者对风冷翅片的外形、尺寸及排列进行了不少的研究。 在强制对流的情况下，空气侧的对流换热系数与翅片的几何参数以 及空气流动速度有很大关系。 j r m a u g h a n 和f p i n c r o p e r a 1 在数值和实验上均探讨了在混合对流 条件下翅片的传热机理。k c l e o n g 和t ，g l i m ”完成了翅片在强制对流 条件下的实验研究。他们在风道上利用风扇吹风研究了不同高度不同间 距下的翅片的传热机理，并提出传热公式： 1 0 门叫j 等 珂h 1 去厅 学正d 第一章绪论 n ，= 2 3 3 1 9 ( 二l 一) “8 6 ( 1 5 ) d r e p r 式中d h 一流道的水力直径。 b e n g ts u n d e n “用数值分析的方法研究了单一矩阵翅片的混合对流 传热。主要考虑浮力参数l 里r e ：1 j 和对流一传导参数( c c p ) i ! 壁k 生墨f 对空 气冷却矩形翅片传热的影响。研究发现，浮力参数和参数对sb热通|ccp量、 翅片温度和翅片效率影响很大，随c c p 增大，浮力对传热有很大作用的 区域移向翅片基部。 e m s p a r r o w ，b r b a l i g a 和s v p a t a n k a r ”用数值计算研究了有挡 板的翅片组的强制对流传热，并就挡板同翅片挡板之间有间隙和没有间 隙两种情况分别进行了分析。发现翅片顶部与挡板没有空隙时，翅片的 传热在根部和顶部之间的中间区域达到极大值；当顶部与挡板的间隙较 大时，翅片大部分表面上的散热几乎为零，但在顶部附近显著增大。 c s c h e n o n e 和g t a n d a “”用离心风机对有挡板的交错排列的翅片组 进行了实验研究。在雷诺数为2 0 0 0 1 2 0 0 0 的范围内，对五种不同的翅 片，分别测定了它们的局部和总体传热特性。通过实验发现，尽管实验 中所采用的几类翅片的几何形状不同，但它们的传热特性却相似，只是 翅片效率受翅片的集合几何参数的影响较大。 c y l i a n g 和w e n j e i y a n g ”4 1 研究了表面穿孔翅片的传热性能及摩擦 系数。通过研究表明，翅片表面的穿孔可以导致翅片间空气的流动较早 地从层流状态转变到紊流状态，d 。，t 、6 。越大，6f 越小，转变越早发生； 在层流区域范围内，穿孔对翅片的传热性能及摩擦系数并没有较大的影 响，而在过渡区和紊流区中，穿孔会同时增大传热系数和摩擦系数。 m a h a b i b 、a m m o b a r a k 、a m a t t y a 和a z a 1 y ”“研究了不同间距 的交错翅片在矩形通道内的强化传热情况。他们分析了雷诺数、翅片间 距、翅片材料对热流密度和平均传热系数的影响。提高雷诺数、翅片材 料的导热系数、减小翅片间距和壁面的热通量都可以使传热得到强化 汤学忠、小林博树、黑崎晏夫、柏木孝夫”用激光全息摄影干涉法 测定了受迫运动情况下翅片周围的温度场分布及温度边界层的情况。其 研究对象是与气流平行的单一及两块翅片直列与并列。通过测定翅片表 面温度所求得的实验平均努赛尔特准数。该研究为进一步研究复杂的翅 片群及不同的配置方式下的传热提供一个有效的实验手段。 陶文铨、康海军等人”73 采用w i l s o n 法对1 4 个表面式冷却器元件进 华南理工人学工学硕士学位论文 行了管内紊流强制对流换热系数的测定。实验结果表明，实测值与用 b o e l t e r d i t t u s 公式计算值的偏差均在工程应用许可范围内，证实了在空 冷器管组内流体紊流换热系数可按b o e l t e r d i t t u s 公式计算。 马晓茜”引在风洞实验台上，对椭圆矩形翅片管束和圆管圆形翅片管 束进行了对比性实验。归纳得出换热与阻力的无因次经验公式，对于管 内蒸汽冷凝、管外空气横掠管束的工况，椭圆矩形翅片管具有较优的换 热和阻力性能。 这些研究，主要在于对翅片本身的换热性能的研究，属于基础性的 研究。 1 2 4 风冷翅片式空调冷凝器的研究 张智等人”通过对现有家用空调室外机翅片式换热器不同的管路进 行实验研究，确认了一种适合于制冷运行的室外机换热器管路方式，但 该种管路对制热运行不是十分理想。得出结论：换热器设计应尽量使换 热器各部分换热能力均匀。 丁国良、张春路等人 为提高翅片管式冷凝器的仿真精度和计算速 度，提出了含基本数学模型与神经网络的复合冷凝器模型。根据不同的 研究目的，换热器模型分：动态集中参数模型、稳态分布参数模型和稳 态集中参数模型三种。基本数学模型采用分区集中参数模型，简化用神 经网络用以反映分区集中参数模型与分布参数模型间的非线性关系、精 度改进用神经网络通过分析比较模型与实验值的差别，提高复合模型的 精度。应用表明该复合模型的计算速度比分布参数模型有两个数量级的 提高，计算精度得到提高。 张智、涂旺荣、刘志刚等人”“利用c f d 软件对发生在空调用冷凝器 中的空气流动和传热过程进行了研究。通过合理简化物理模型，充分利 用对称性边界条件和周期性边界条件，对冷凝器的基本换热单元进行了 分析计算，为试验研究提供了基础数据。 赵明峰、周泽魁、刘楚芸等人”利用混合罚函数法对空调冷凝器进 行优化设计计算。通过综合分析翅片管式冷凝器的热力参数、几何参数 以及制冷系统中有关参数的制约条件，以冷凝器的最小重量为优化目标， 确定满足用户要求及给定约束条件下的最优设计。 孙文臣”根据三种不同的风冷强化传热机理( 扩展传热面强化方法， 扰动流动介质的强化方法以及使流动介质产生旋转运动的强化方法) 设 计了五种强化传热翅片方案进行实验比较，分别为百叶缝波纹铝箔翅片、 第一章绪论 亲水铝箔翅片、复合型铝箔翅片、普通光滑平板铝箔翅片以及窝形铝箔 翅片，得出各种翅片的性能曲线和计算公式。 王占学、乔渭阳、唐狄毅”“采用热线风速仪利微压差压力计测量分 体式房间空调器室外机组内外流场。以实测数据为根据，详细分析了风 扇进出口的气流速度和压力的分布。 王军、金培耕等人”5 3 针对分体空调器室外机轴流风扇系统的特点， 使用f l u e n t 商业软件对该系统中的气体流动进行了数值模拟。结果表明 c f d 技术能够有效地进行风扇设计，为不同叶型风扇的应用提高依据。 黄允东，崔明珠，冯哲，郁永章”从设计角度对风冷冷凝器给出了 一种新的设计方法：挟点技术分析法。它可以较准确地计算冷凝器的换 热面积，又可以增加设计的自由度，从而设计出更为经济，结构更合理 的风冷冷凝器。 1 3课题的来源、提出和意义 本课题产生自对国内现有空调器实际问题的掌握和分析。我们对现 行空调室外机轴流风机吸风式气流进行了实验测试，发现存在有掠过冷 凝器表面的气流分布不均现象，风速的最大值和最小值可以差距达到3 倍。这样，造成了冷凝器换热能力的浪费。我们选择风冷翅片式换热器 型式结构对空调制冷性能影响作为研究内容，对室外换热器型式结构进 行分析，尝试在不追加或者少量追加成本的前提下提高家用空调器的性 能。本课题实验部分得到了三菱电机( 广州) 压缩机有限公司和广州华 凌空调有限公司的支持和帮助。 课题的提出： 1 、目前国内空调厂家生产能力很大，而国内市场的消化能力却没有 跟得上生产能力的增大，国内空调产品市场竞争激烈。产品市场竞争激 烈，生产厂家必然会走两条路：降低成本和提高质量。其中，提高产品 质量是企业产品能得以长久不衰的根本。而另一方面，如果要将国内过 大的生产能力消化，就必须增大空调产品的出口，到国外去与各国厂家 竞争，争夺国外市场。因此，提高空调产品的技术含量和质量更是必要 条件了。所以在经济性基础上对现有换热器型式结构进行优化以提高空 调制冷性能显得十分重要和迫切。2 、尽管国内对于风冷换热器的强化换 热研究已取得了不少成果，但针对风冷翅片式换热器不同型式结构产生 的区别并未见很多相关研究开展。而生产、使用厂家限于精力和能力， 他们投入重点在空调的制造生产，很少对其进行详细分析研究。但最近 华南理工大学工学硕士学位论文 大部分厂家都已渐渐认识到独立地设计开发对于产品提高技术含量，在 市场的最终胜出具有十分的重要性。因此，他们已开始主动对空调的设 计、优化进行思考。 3 、我国中小型空调产品的型式早期较多是沿袭日本和欧美的空调设 计。近几年，各空调厂也开始注重自我设计开发能力的培养和应用。纷 纷成立产品研究所乃至企业博士后流动站。因此，与企业进行合作开展 换热器的优化研究变得可行和有现实意义了。 4 、我国当前全面建设社会主义小康社会，为提高人民生活质量，并 节约能源，有必要对现有风冷翅片式换热器型式结构进行研究分析以期 提高空调器整体质量技术水平。 1 4课题的任务与主要内容 在前人的基础之上，更多的考虑风冷翅片式换热器型式结构变化对 空调制冷性能的影响，从实验和理论上进行探讨，尝试对现有空调冷凝 器风冷翅片式换热器进行优化改善设计，比较吸风式和鼓风式的效果， 并辅以定性分析，最终确认两种方式的区别。 本文试图通过对现有家用空调器室外机的结构进行分析，测量现有 风机结构下的流场和温度场，确认其设计的合理性；并就不同的飙机转 速对空调冷凝器的影响，以及其进一步对空调性能的影响进行了实验研 究和理论探讨：针对轴流风机的吸风式和鼓风式两种方式应用于目前的 家用空调室外机，进行了较全面地实验比较，包括流场、温度场、制冷 能力、耗功、噪音和振动。 1 4 第二章实验装置与数据测量 本实验研究分为流场测试、温度场测试、性能研究以及噪声测试四部分，下 面分别进行介绍。 2 1 简介 本实验研究对象为国产某品牌家用分体式空调器k f r 一3 2 ，其室外机为仿三 菱电机0 9 款式，双排光管。 该轴流风机的原始设计参数如下表2 1 ： 表2 1轴流风机原始参数 参 全压风量气体密度叶片数电机转速叶轮外径 数 ( p a )( m 3 s ) ( k g m 3 )( 个)( r p m ) (m) 说3 50 4 7 61 247 5 0o 4 明 为得到轴流风机鼓风式效果，我们对冷凝器的轴流风机部分进行了改造。取 下轴流风机机架，在外壳底部焊接一块铁板。正面外壳上部固定一块l 形板以固 定风机机架上部定位，轴向定位以风扇轴心相对机壳位置不变为准，但使原轴流 风机吹风方向改变了1 8 0 。，吸风式变成了鼓风式。 空调室外机轴流风机转速改变的实现是通过变压器给电轴流风机，然后改变 轴流风机电源的电压及运转电容大小以实现的。轴流风机转速依7 0 0 、7 3 0 、 7 5 0 、8 0 0 r p m 四种进行。 2 2流场测试 2 2 1测量位置 空调室外机气流场测试是模拟实际使用状况进行的，室外机外壳不拆卸，出 风位置不设障碍。 其外形图如下图2 1 所示。 华南理工大学工学硕士学位论文 图2 1 冷凝器外形图 图2 2 为轴流风机在室外机中相对位置图。 图2 2 轴流风机位置示意图 f 面测点分布及测点位置见下图2 3 图2 3 正面测点分布及测点位置 1 6 第二章实验装置与数据测量 背面、侧面各测量点位置详见示意图2 4 。 测点距换热器距离，后侧进风面和旁侧进风面上的各测点均直接在翅片表面 取得；而出风口的测点距换热器距离，由于安全操作要求，不能在出风表面进行 测量。我们选定距离值为l o o m 。 背 面 侧 面 图2 4 冷凝器背面及侧面的测点位置 2 2 2测量设备 流场风速测量使用热线风速仪进行。 与传统的测速方法相比，热线风速仪具有惯性小、频率响应宽、灵敏度高、 对流场干扰小等优点。7 ”1 。 热线风速仪测试原理介绍如下： l 、探头结构( p r o b e ) 热线风速仪是利用通电的热线探头在流场中会产生热量损失来进行测量 ( a ) ( b ) ( c ) 图2 5 热线传感器 1 7 华南理工人学上学硕士学位论文 的。探头形状如下图2 5 所示： 热线探头的结构形式有热线和热膜两种，热线一般是铂丝或钨丝，直径 一般为3 8 5ui n ，长度一般为1 2 m m 。热线两端常镀有合金，起敏感元件 作用的只有中间部分。“。 热膜一般用铂或铬组成。由于热线的几何尺寸比热膜小，因此响应频率 更高，但是熟线机械强度低，不适于在液体或带有颗粒的气流中工作，因此两者 各有优缺点。 2 、原理简介 热线和热膜的测量原理是一样。如果流过热线的电流为i ，热线电阻为 r ，热线中产生的热量为： q l = ，2 r 由于流场对热线起冷却作用，热线损失的热量为 q 2 = n f ( f 。一t f ) 在热平衡条件下有： q 1 = q2 也即： 1 2 r = o f l 。- t s ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 3 、测量方法等式1 2 r = af ( t w t f ) ，由于r 是热线温度的函数：而对 于一定的热线探头和流体条件，a 主要与流体运动速度有关，因此在t f 一定的条 件下，流速只是电流和温度的函数： v = f ( i ，t w ) ( 2 5 ) 从这个关系可以得出热线测量两种方式： a 、固定电流，则v2 f ( t 。) ，此为恒流式测量