（工程热物理专业论文）混联式冷凝器的可视化研究与传热分析.pdf

中文摘要 摘要 热交换器包括冷凝器，蒸发器，暖风芯体，等。热交换器在航空航天，石油 化工，车辆船舶，能源动力，食品环保等领域有着广泛的应用。全球范围内环保 教育的同益普及和能源危机意识的同趋高涨，促使强化传热技术的科学研究不断 深化，热交换器的设计制造正朝着更加经济省材，轻巧节能，高效紧凑的方向快 速发展。铝材料的微孔管开窗翅片换热器，简称微孔管换热器，就是在这样的需 求下应运而生。铝材料的引进改变了传统铜管热交换器在重量和体积等方面的不 足，使换热器的换热效率得到急剧提高。微孔管平行流( m i c r o c h a n n e lt u b ep a r a l l e l f l o w ，o r ，p f ) 冷凝器是这一铜转铝，低效体重转高效紧凑的先驱。 近年来有关微孔管平行流( m i c r o c h a n n e lt u b ep a r a l l e lf l o w ，o r ，p f ) 冷 凝器的两相流传热现象己得到国内外研究人员的极大的重视，相关的理论与实验 研究可见于诸多文献。就应用方面而言，p f 冷凝器己成功替代了管片式冷凝器， 成为了汽车空调冷凝器的标准配备。随着全球范围内能源及原材料价格的不断攀 升，各国政府致力于加速推动节能减排有关的法律法规的设立与完善，微孔管冷 凝器技术正在逐步向家用及商用制冷空调领域推广应用。因此，对微孔管平行流 ( p f ) 冷凝器的强化传热和优化设计也在不断的展开。 本文提出了一种与现有车用空调平行流( p f ) 冷凝器不同的新型混联式 ( m p p ) 微孔管冷凝器的创新设计。制冷剂流体分流器被引入以保证相邻的流道 之间的流体为平行流动。在一模拟车用空调系统中对其进行了两相流可视化和传 热性能分析。m p p 混联式冷凝器的提出，意在研究和开发一种设计更加优化和传 热效率更高的冷凝器，以满足发展的需要。 m p p 混联式冷凝器中将传统平行流( p f ) 冷凝器位于集流管中形成流动流 道的“隔板 变成了“分流器( 孔) 。“分流器( 孔) ”概念的引入把传统平行 流( p f ) 冷凝器上仅作为流动通道和结构件的集流管功能提升到流动分配和控 制中心的层面。通过对空调制冷系统内m p p 混联式冷凝器的两相流流动与传热分 析，作者提出了一种强化凝结传热的两相流区增大技术。该技术可以提高冷凝器 的整体传热性能，降低制冷剂的流动阻力，为设计更轻，更紧凑的车用空调冷凝 器提供了一种新的途径。 在针对混联式( m p p ) 冷凝器中强化凝结传热的两相流区增大技术的优化 设计分析的基础上，选用相同尺寸，相同冷凝管数的平行流( p f ) 冷凝器为对 比样件，通过高速摄影可视化试验以及标准空调系统性能测试方法，对采用不同 尺寸和数量的分流器( 孔) ，同等流道数下每一流道不同的制冷剂管数，不同流 重庆人学博十：学位论文 道布置的混联式冷凝器在不同热负荷下的传热性能，质量流量以及压力差变化等 进行了实验分析与评价。可视化分析表明，在m p p 混联式冷凝器中，经过分流器 ( 孔) 的类似于“蒸气喷射流 的过热蒸气与主流道中的气液两相流在集流管中 经强烈扰动混合后，改善了进入下一冷却流道的两相流质量分布的均匀性。从强 化传热的角度来分析，它增强了冷凝器的总体传热性能。 通过试验发现，分流器( 孔) 尺寸的大小，在保持总体冷凝管数相同的情况 下不同的流道数布置，在保持流道数相同的情况下每一流道中冷凝管数的不同布 置，热负荷的强弱等，都会影响混联式( m p p ) 冷凝器的凝结强化传热，质量 流量，以及流动压力降。 试验结果表明，4 流道m p p 混联式冷凝器的传热性能同比p f 冷凝器可提高 达9 6 。同时，系统中的制冷剂质量流量提高达1 3 4 3 。而6 流道的m p p 混联 式冷凝器的传热性能在大多数设计工况下也比p f 冷凝器高出3 到5 5 。系统 中的制冷剂质量流量和压力降也有得到2 到8 的改善。 需要指出的是，在保持总体冷凝管数相同的情况下，流道数的增加，分流器 ( 孔) 数的增加以及在集流管中放置的位置，每一流道中冷凝管的管数的分配等， 都会使混联式冷凝器的强化传热的优化变得更加多样化和复杂。本文在这些方面 已作了一些实验和探索。 关键词：微孔管冷凝器：强化传热；两相流；可视化 i i 英文摘要 a bs t r a c t h e a t e x c h a n g e ri n c l u d e sc o n d e n s e r ，e v a p o r a t o r ，h e a t e rc o r e ， e t c h e a t e x c h a n g e rt e c h n o l o g yh a sw i d ea p p l i c a t i o n si nh v a ca n dp o w e r t r a i nc o o l i n gi n d u s t r y c o v e r sa u t o m o t i v e ，p o w e re n e r g y ，f o o dp r o c e s s ， e t c g l o b a lc h a l l e n g e so n c o n s e r v a t i o n o f n o n r e n e w a b l e e n e r g y a n dt h e e v e r - i n c r e a s i n g a w a r e n e s so n e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nd e m a n dt h e r m a ls c i e n t i s t sa n d e n g i n e e r st o a c c e l e r a t e t e c h n o l o g yi n n o v a t i o ni np u r s u i to fl i g h t e r ，g r e e n e r ，m o r ec o m p a c ta n de f f e c t i v eh e a t e x c h a n g e r s a l u m i n u mm i c r o c h e n n e lt u b ef i n e dh e a te x c h a n g e r ， o r ，m i c r o c h a n n e l h e a te x c h a n g e ri so n eo ft h ea c h i e v e m e n t sf r o mt h ed e m a n d i n t r o d u c t i o no fa l u m i n u m m a t e r i a lr e p l a c e dt h et r a d i t i o n a lh e a v ya n ds p a c i o u sc o p p e ra n dm a k e st h ec u r r e n th e a t e x c h a n g e rm o r ee f f i c i e n t m i c r o c h a n n e lt u b ep a r a l l e lf l o wc o n d e n s e r ，o r ，p f c o n d e n s e r ，i st h ep i o n e e ro ft h i st r a n s i t i o n d u r i n gt h ep a s tt w od e c a d e s ， c o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n sh a v e b e e np a i dt ot h e f u n d a m e n t a la n da p p l i c a t i o nr e s e a r c h e si nt w o - p h a s ef l o wa n dh e a tt r a n s f e ro f m i c r o c h a n n e lt u b ec o n d e n s e rt e c h n o l o g y t h ep i o n e e r i n gr e s e a r c h e r sh a v el a i das o l i d f o n n d a t i o nf o ra u t o m o t i v ei n d u s t r yt oc o m p l e t e l ye m b r a c em i c r o c h a n n e lc o n d e n s e r t e c h n o l o g yb e c a u s eo fi t sm e r i t si nt h e r m a lp e r f o r m a n c e ， s t r u c t u r a lr o b u s t n e s s ， c o m p a c t n e s sa n dw e i g h tr e d u c t i o n ， a sw e l la sc o 盯o s i o nr e s i s t a n c ei nc o m p a r i s o nt o t r a d i t i o n a lt u b ea n df i nh e a te x c h a n g e rt e c h n o l o g y t h es u c c e s s f u l a p p l i c a t i o no f m i c r o c h a n n e lh e a te x c h a n g e ri na u t o m o t i v ei n d u s t r ya l s oo p e n su pan e wf r o n t i e ra n d c r e a t e sap o s i t i v em o m e n t u mf o ro t h e ri n d u s t r i e s ， s u c ha sr e s i d e n t i a la n dc o m m e r c i a l h v a ci n d u s t r i e s ，t oq u i c k l ym o v ei n t ot h ep o s i t i o no fa d a p t i n ga n di m p r o v i n gt h e m i c r o c h a n n e lh e a te x c h a n g e rt e c h n o l o g y t h i sp a p e rd e s c r i b e sa n d a n a l y z e san o v e ld e s i g no fm u l t i p l ep a r a l l e l p a s s ( m p p ) m i c r o c h a n n e lt u b ec o n d e n s e ra n di t sa p p l i c a t i o n st oa u t o m o t i v ea cs y s t e m s af l o w d i s t r i b u t o rc o n c e p ti si n t r o d u c e di nm p pc o n d e n s e ri no r d e rt oe n a b l ep a r a l l e lf l o w a r r a n g e m e n ti na d j a c e n tf l o wp a t h s v i s u a lo b s e r v a t i o na n dt w op h a s ef l o wh e a tt r a n s f e r a n a l y s i sw e r ec o n d u c t e dt h r o u g ha na u t o m o t i v eh v a cs y s t e ms i m u l a t i o nt e s t i n g t h e p u r p o s eo ft h i si n n o v a t i v ec o n c e p ti st oe x p l o r ean e wh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t m e t h o di no r d e rt op r o v i d eac o n d e n s e rw i t hb e t t e rp e r f o r m a n c ea n d h i g h e re f f i c i e n c y m u l t i p l ep a r a l l e l p a s s( m p p )c o n d e n s e r ， av a r i a n to fm i c r o c h a n n e lh e a t e x c h a n g e r s ， i sb a s i c a l l yc o n s t r u c t e di ns u c haw a yt h a to n eo rs e v e r a lb a f f l e si nt h e h e a d e rt u b e so fac o n d e n s e ra r et u r n e di n t of l o wd i s t r i b u t o r s t h ef l o wd i s t r i b u t o r sa l t e r i n 。s e r i e sr e f r i g e r a n tf l o wa r r a n g e m e n ti n t op a r a l l e lf l o wb e t w e e nt w oa d j a e e n tp a s s e s 1 1 1 重庆大学博十学位论文 t h r o u g h o u ta n a l y s i so ft w o - p h a s ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rp r o c e s s e si nm p p c o n d e n s e r t h ea u t h o r sd e v e l o p e dat w o p h a s ez o n ea u g m e n t a t i o nt e c h n i q u et h a tc a nb ee m p l o y e d t oe n h a n c ec o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e ra n dr e d u c ep r e s s u r ed r o p ， w h i c hp r o v i d e sa d e s i g nm e t h o df o re n a b l i n gal i g h t e ra n dm o r ec o m p a c tc o n d e n s e rf o ra u t o m o t i v e a p p l i c a t i o n t e s ts a m p l e sf o rb o t hm p pc o n d e n s e ra n db a s e l i n ep fc o n d e n s e rw i t hs a m eo v e r a l l d i m e n s i o n a ls i z e ，t o t a lt u b e sn u m b e r ，f i np r o f i l eb u td i f f e r e n tf l o wp a t ha r r a n g e m e n t ， d i f f e r e n tt u b en u m b e ra r r a n g e m e n tf o re a c hp a s s ，d i f f e r e n td i s t r i b u t i o nh o l es i z e sa n d d i f f e r e n tn u m b e r so fh o l ep l a c e m e n t ， e t c a r eu s e d e x p e r i m e n t si nb o t hv i s u a l i z a t i o n a n dp e r f o r m a n c et e s t sa r ec a r r i e do u tt oe v a l u a t et h et w op h a s ef l o wa n dh e a tt r a n s f e r m e c h a n i s mo fm p pc o n d e n s e rb yr e f e r e n c i n gas a m e - s i z e dp a r a l l e lf l o w ( p f ) c o n d e n s e r v i s u a lo b s e r v a t i o nb yu s i n gah i g h - s p e e dc a m e r ai n d i c a t e st h a tam o r e u n i f o r mr e f r i g e r a n tt w o p h a s em i x t u r ee n t e r i n gt h ed o w n s t r e a mc o o l i n gp a s sc a nb e a c h i e v e di nm p pc o n d e n s e rb e c a u s es u p e r h e a tv a p o rt h r o u g hap a s s t h r o u g hh o l eo n f l o wd i s t r i b u t o rd i r e c t l yi n j e e t si n t ot h es e p a r a t e dl i q u i d - v a p o rz o n ei nah e a d e rt u b e f r o mh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ts t a n dp o i n to fv i e w ， i tc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v eh e a t t r a n s f e r t e s tr e s u l t sa l s os h o w nt h a tu n d e rt h es a m eo v e r a l ld i m e n s i o n a ls i z e ，t o t a lt u b e s n u m b e r ，f i np r o f i l e ，h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e ，r e f r i g e r a n tm a s sf l o wa n dp r e s s u r e d r o ph a v eb e e ni m p a c t e db yd i f f e r e n tf l o wp a t ha r r a n g e m e n t ，d i f f e r e n tt u b en u m b e r a r r a n g e m e n tf o re a c hp a s s ，d i f f e r e n td i s t r i b u t i o nh o l es i z e sa n dd i f f e r e n tn u m b e r so f h o l ep l a c e m e n t ， e t c i na d d i t i o n ， a n a l y t i c a la n dt e s tr e s u l t ss h o wm p p c o n d e n s e r ， b e i n gd e s i g n e dt o e n l a r g et w o p h a s ec o n d e n s i n gz o n e ，i sa b l et oi m p r o v ec o o l i n gp e r f o r m a n c ea sh i g h a s 9 6 w h i l ei t sr e f r i g e r a n tm a s sf l o wi n c r e a s e sa sh i g ha s13 3 4 w h e nc o m p a r i n gt oa b e n c h m a r kp fc o n d e n s e rf o r4p a s s e sm p pc o n d e n s e ra n dt oi m p r o v ec o o l i n g p e r f o r m a n c ea sh i g ha s5 5 w h i l ei t sr e f r i g e r a n tm a s sf l o wi n c r e a s e s 嬲h i g ha s 8 w h e nc o m p a r i n gt oab e n c h m a r kp fc o n d e n s e rf o r6p a s s e sm p p c o n d e n s e r i tn e e d st ob er e a l i z e dt h a tt h em p pc o n d e n s e rp e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n w i l l b e c o m ec o m p l i c a t e di fu n d e rt h es a n l eo v e r a l ld i m e n s i o n a ls i z e ，t o t a lt u b e sn u m b e r ， f i np r o f i l e ， b u td i f f e r e n tf l o wp a t ha r r a n g e m e n t ，d i f f e r e n tt u b en u m b e ra r r a n g e m e n t f o re a c hp a s s ，d i f f e r e n td i s t r i b u t i o nh o l es i z e sa n dd i f f e r e n tn u m b e r so f h o l e p l a c e m e n t ， e t c k e y w o r d s ：m i c r o c h a n n e lc o n d e n s e r ，h e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n t ；t w o p h a s ef l o w ， v i s u a l i z a t i o n i v 符号说明 符号说明 v 面积( m 2 ) 空气比热( j k g ) 直径( m ) 水利学当量直径( m ) 翅片波距( f mp i t c h ) ( m ) 翅片深度( f md e p t h )( m ) 翅片高度( f i nh e i g h t ) ( m ) 翅片厚度( f i nt h i c k n e s s ) ( m ) 摩擦系数 质量流速( k g m 2 s ) 高( m ) 比焓( k j k g ) ，传热系数( w ( m 2 。c ) ) 损失系数 长度 开窗长度( 1 0 u v e rl e n g t h ) ( m ) 开窗间距( 1 0 u v e rp i c t h )( m ) 混联式冷凝器 质量流量( k g h r ) 努谢尔特数( 无量纲) 压力( k p a ) 平行流 普朗特数( 无量纲) 压降( k p a ) 传热鼋( k w ) 雷诺数( 无量纲) 压缩机转速( r p m ) 温度( o c ) 微孔管高度( m ) 流速( m s ) 宽度 制冷剂主流和总流质量流量分流比，干度 4 d 协乃瓦印厂g日 厅 k 厶厶0 脚 肌 m p阡厅舻q恐s r 瓦矿矿 工 重庆人学博十：学位论文 l 希腊字母 6 f 天 p u 口 0 下标 v t l l 冷凝器出口制冷剂过冷度( 微孔管或翅片壁厚( m ) 导热系数( w ( m _ ) 密度( k g m 3 ) 动力粘度( p a - s ) 空泡系数( 无量纲) 开窗角度( 1 0 u v e ra n g l e ) ( d e g ) 空气 水利学 制冷剂 进口 流道数 出口 口 矗 r 1 一 d 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的盟士学位论文 堡亟盘望堡兰旦丝竺刍蔓鱼晔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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 导师签名： 叶舡 签字日期：毒矗1 7 纠， 签字日期：，中 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以n 下简称“章程，) ，愿意将本人的理士学位论文i 雏盎j 圣幽舭塑缁笾妒衢 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 、 z 作者签名：盐翌莛导师签名：形础 。哆们矸年以爻1 月日 。| 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书 ，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至堑翌年月丘日。 说明：本声明及授权书! 噬装订在提交的学位论文最后一页。 1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 问题的提出 近年来，有关微孔管平行流( m i c r o c h a n n e lt u b ep a r a l l e lf l o w ，o r ，p f ) 冷 凝器的两相流传热现象已得到国内外研究人员的极大重视，相关的理论与实验研 究可见于诸多文献。就应用方面而言，p f 冷凝器已成功替代了管片式冷凝器，成 为了汽车空调冷凝器的标准配备。随着全球范围内能源及原材料价格的不断攀升， 各国政府致力于加速推动节能减排有关的法律法规的设立与完善，微孔管冷凝器 技术正在逐步向家用及商用制冷空调领域推广应用。因此，对微孔管平行流( p f ) 冷凝器的强化传热和优化设计也在不断的展开。 提供更加高效可靠，且又经济省材的热交换器一直是空调工业领域近几十年来 面临的最大挑战。8 0 年代后期，为了限制以氯为基本成份的碳氟化合物 ( c h l o r o f l u o r o c a r b o n ( c f c ) ) ，如r 1 2 ，作为制冷剂泄漏后对大气臭氧层 的破坏，汽车工业不得不用相对环保的r 13 4 a 制冷剂替代r 1 2 t 1 2 】。 r 1 3 4 a 和r 1 2 是两种特性完全不同的制冷剂。当r 1 3 4 a 被用来取代r 1 2 作为 传统圆铜管铝翅片热交换器( 如图1 1 所示) 的制冷剂时，冷凝器的换热能力急 剧下降。 一【 ，1 】 j 】 j 】 j 图1 1 圆铜管铝翅热交换器示意图 f i g 1 1c o p p e rr o u n dt u b ea n da l u m i n u mf i nh e a te x c h a n g e r 增加换热面积可以提高以r 1 3 4 a 作制冷剂的铜管铝翅的热交换器的换热能力， 但这会导致成本，体积和重量的急剧增加。因此，找到一个即可增加换热能力，又 经济实际的方法至关重要。特别需要指出的是，由于其应用环境的特殊性，汽车 及航空航天工业尤其需要高效紧凑，性能优越的热交换器以保证其不会产生由重 重庆大学博十学位论文 量而带来的高油耗以及体积的庞大臃肿而影响车内布置，组装和造型。图1 2 所 示的扁型微孔管丌窗翅片紧凑式热交换器( 以下简称微孔管热交换器) 就是在这 样的背景下运应而生。 图1 2 即为一典型的微孔管热交换器。它是由把图1 3 所示的挤压多孔扁管，图 1 4 所示的开窗翅片，以及集流管等经由高温铅焊炉焊接而成。 钠9 3 = 昭4 9 弋 图1 2 微孔管开窗翅片热交换器示意图 f i g 1 2m i c r o c h a n n e ll o u v e r e df i nh e a te x c h a n g e r 广 c 6 0 oc h a n n e l s 良= 1s 2 m m ( r 。o oo o o 0 0 0 0 0 0o o o o o ) c 3 01 7e h 黼n 学i s ，= 0 7 6 1m m 臼0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 a c 2 0 2 3c h 甜讷幽，1 0 ，e “硼 c i r c u l a rc h a n n e l s i _ 口口口口口口口口口口a 口口口口口口l s 3 0 7c t l 3 n 州曩c h = 0 7 6 2 m m ( i 3 囫豳励溜圆豳豳幽别 t 3 34 9c h a n r 睁i s 渤= 0 8 3 9m m 张 52 0c h a n n e l s d h = 04 2 4 m m 嬲1 9 c h a r m s 。蕊：07 3 2 m 自1 1 ( g c 口口a c a 口口a 口a 西固口圆口口囝 n 2 1 t 9c h a n r 燃o n = 0 s 3 6 嗍 图1 3 传统制冷剂圆管和当前扁型微孔管的示意酬3 】 f i g 1 3t r a d i t i o n a lr o u n dt u b ev s m i c r o c h a n n e lt u b e s 2 绪论 瀚 厂i = 。讣l 八n l l = 二z 少v l：z 划v t 书i ；一 ，。占：l 二7 7 o 。二“二 圈】4 开窗翅片示意圈 f i g1 4p r o f i l e o f m i c r o l o u v e r e d f m 从图13 可看出传统的制冷剂圆管和当前的扁型微孔管水利学直径的大致对应 关系。即，扁型微孔管的优势在于它把传统的直径 3 r m n 的制冷剂流道分化成多 个平行的直径 2 m m 甚至接近l m m 的微 l 管道，传热接触面因此得到极大的提升。 因此，若维持单位体积不变，微孔管热交换器可比传统的( 圆) 管( 翅) 片式热 交换器的传热性能更高。或者说，在维持相同的换热能力的前提下，微孔管热交 换器可比传统热交换器豹芯体吏小。事实上，已有研究和实验结果表明，在维持 相同的换热能力的前提下，微孔管热交换器可比传统热交换器的芯体尺寸少2 5 。 由于微孔扁管的应用，其芯体效率也比传统管片式热交换器的高出1 0 t 4 。 自从微孔管热交换器问世以来，各方面的研究表明，与传统管片式热交换器相 比，微孔管热交换器技术的优势有： 传热性能更高 芯体的恬热有效性更高 更加紧凑和燃油经济性更佳 制冷剂充注量得以降低 有助于结构的稳固 铝制热交换器的抗腐蚀能力得以增强 微孔管热交换器技术虽先是被引入到冷凝器的设计中。由于其制冷剂流道为 多个平行排列的微孔，因此也被称为平行流( p f ) 冷凝器。由于前面提到的紧 重庆人学博十学仃论文 凑，鼋最轻，传热效率高等特_ l - _ i ，p f 冷凝器己成功替代了管片式冷凝器，成为了 汽车空调冷凝器的标准配备以及不断向家用空调器领域渗透。它的设计原理和思 路也立即被加速扩张到整个空调领域的所有热交换器的设计和应用中”4 1 。 对空气侧换热翘片来讲圈l4 所示的jf 宙翅片在微孔管热交换嚣中的应用也 得到了广泛的荚江。所有的研究都得出微型开窗翅片使空气侧的传热系数得到极 人地提高h 过去人们认为”宙翅片之所以能极大的提一岛热交换器空气侧的换热能力是由 于开窗翅片就帽“丁一粗糙表面， 能使气流早紊流状从而强化传热。b e a u v a i s ” 1 9 9 5 年壤早对气流通过jf 宙翅片进行可视化研究并发现空气流主要是沿翅片开窗 1 3 平行流动，如图l5 s t e p h a n 1 在2 0 0 2 年c f d 所做的模拟结果所示。正是由 十这种维的宅气流动带柬了守气侧的剧烈扰动，使挟热系数得以极大的提高。 喇15 卒气流通过肝宙翅片时的流线分靠 f i gl 5p r e d i c t e ds t r e a m l i n e st h r o u g h o u v e m df i n 根据微孔管热交换器的构造原理阻及以上分析，要进一步的强化传热可从三个 方丽入手：即，空z t 侧( 翅片) ，制冷剂侧( 微孔管) ，翅片和微孔管的接触面。 本文研究和实验的样重点就是探讨强化微孔管平行流冷凝器制冷剂侧的传热 性能的新途径。通过新的设计概念对其强化传热进行研究和分析。 l1 2 研究意义 热交换器包括冷凝器， 蒸发器，暖风芯体，等。热交换器在航空航天、石 油化f ，4 三辆船舶，能源动力，食品环保等领域有着广泛的f 、! 五h j 。全球范围内环 保教育的n 益普及和能源危机意议的r 趋离涨，促使对热变换器进一步强化传热 的技术和科学研究小断深化。热交换器的设计和制造正朝着更加经济省材，轻巧 节能，高效紧凑的方向快速发展。铝材料的微孔管开窗翅片换热器， 简称微孔管 绪论 换热器，就是在这样的需求下应运而生。 铝材料的引进改变了传统铜管热交换器在重量和体积等方面的不足。而微孔 管和开窗翅片的使用则使换热器的换热效率得到急剧的提高。而微孔管平行流 ( p f ) 冷凝器则是这一铜转铝，低效体大憨重转高效体轻紧凑的先驱。 本文选择了微孔管热交换器之一的微孔管平行流( p f ) 冷凝器作为主要研 究对象。探讨如何进一步优化其性能，更加深入的推动轻巧节能，高效紧凑的热 交换器的设计和制造。它对降低成本，提高经济效益和性能效率，节约原材料和 减少对不可再生资源的使用等意义非常远大。 冷凝器是使经过压缩机压缩的高温高压制冷剂在流过它的过程中通过其外壁 与空气发生热交换从而使制冷剂冷却的装置。目前汽车工业界应用最广泛的冷凝 器为平行流( p f ) 冷凝器。其每一组制冷剂的流动通道都由多根平行管道组成 而每组平行管道的质量流量都相等。平行流冷凝器( p f ) 因此而得名。现有的平 行流冷凝器一般分为非过冷型和过冷型。参见图1 6 和图17 。 制冷剂在进入冷凝器时呈过热蒸气状，流出冷凝器时则呈过冷液体状。根据 制冷剂在平行流冷凝器巾的热力学过程，可将平行流冷凝器的冷却过程分为去过 热区、冷凝区和过冷区。 制冷剂在平行流冷凝器中的热力学过程原理显示，制冷剂的密度在蒸气状态 和液体状态的差别很大，按照制冷剂密度变化的这一特性，平行流冷撮器在设计 时有目的地逐渐减少从进口到出口的各层管道的管子数。理想情况是各层管道的 管子数的变化( 逐渐减少) 与制冷剂密度( 逐渐增加) 的变化相一致以减少制冷 剂侧的压头损失。 r e 衔g e r a n t 图1 6 非过冷型平行流冷凝嚣 f i gi 6 p a r a l l e l f l o wc o n d e n s e r 重庆人学障卜学位论文 r e f r e g i r 卸t o u t l c t 雾、 剖17 过冷型平行流冷凝器 f i 9 17s u b t o o l t y p ep a r a l l e l f l o wc o n d e n s e r 微孔管平行流冷凝器设计的这恃点使其与传统冷凝器相比，在强化传热方 面效果相当卓著。本论文第二章“平行流冷凝器( p f ) ”将对平行流冷凝器的热力 学过程作更为详细的描述。 然而，耳前平行流冷凝器的结构设计尚未充分利用制冷剂的流动和传热的特 点来对冷凝器进行优化。如何又能减小去过热区的压降又能提高冷凝区的散热是 一个很其挑战性的重要课题。 此外，现有平行流冷凝器中的隔板在制造过程中容易导致制冷剂在集流管内 泄漏，从而造成冷凝器性能下降。通常情况下，需要在冷凝器的制造过程中加 一道检漏的上序，阻防止泄漏发生。 在此自u 提f ，本文提出了混联式冷凝器( m p p ) 的设计概念以及由此引入的 冷凝器两相流区强化技术。它通过隔板分流来减少进入去过热区的制冷剂流量， 即一部分制冷剂流入去过热区，另一部分制冷剂则直接流入凝结区。通过压缩去 过热区酊使两相流区增大，可使在不增加冷凝器的体积的情况下提高冷凝器的散 热效果，以及通过消除内部检漏程序以简化制造过程。 传热学和热力学的理论和实验论证分析证明，此一创新设计为设计更薄 ( 1 2 m m 或以下) 的，换热效率更高的，流阻更低的冷凝器提供了呵能性。对节省 原材料和提高资源使用效率的意义十分显著。 1 2 国内外研究现状 热变换器被广泛用于需要把热从一种介质传到另一种介质的实际麻用中。热 交换器的强化是近年来众多学术和工业应用研究项目中最为重要的课题之一i 。 单就j o u r n a lo f h e a t t r a n s f e r 而占，其每年发表的论文中，热交换嚣的强化传热 萋 1 绪论 都占2 0 以上【1 3 j 。 大多数的热交换器为液体到气体的热交换器。在车辆中使用的热交换器通常 可把从管道中流过的液体( 冷却水或制冷剂) 所携带的热通过管壁和翅片传到空 气侧。 热交换器强化传热的方式和方法各种各样。紧凑式热交换器是近年来效果最 为突飞猛进的典范。目前具有紧凑式热交换器特征的微孔管热交换器j 下在空调领 域迅速取代传统管片式和层叠式热交换器。 紧凑式热交换器通常是指其在单位体积上的换热面很大。 热交换器紧凑性的重要性可通过以下的例子来加以说明。 在汽车上，水箱作为热交换器被用来把发动机中的余热传向外界环境。当车 速达n 8 0 公里时，汽车发动机产生的能量一半被用来克服空气对前行汽车的阻 力。为了减少阻力，汽车的前端设计非常重要。它的迎风面积应该是越小越好。 然而，为了满足把发动机中的余热向外界环境传递，汽车的前端面又必须又足 够大的迎风面以保证水箱能够与足够的空气流进行热交换，从而保证汽车发动机 冷却得以正常进行，不会过热而烧坏。在此不难看出，在保持同样的冷却能力 的前提下，提高热交换器的效率可使其更加紧凑，从而达到减少其需要的迎风面 积，车身的阻力将会得以减少，紧凑的热交换器也可减少车身的重量，最终使 汽车的燃油经济性得以提高。 汽车空调热交换器采用强制对流空气冷却，车用热交换器从传统管片式向微 孔管紧凑式的发展如图1 8 所示。 图1 8 ( a ) 1 1 4 1 为管片式热交换器示意图，对应于换热能力4 5 k w 其厚度需约 l o o m m 。图1 8 ( b ) 为层叠式热交换器示意图，对应于换热能力4 5 k w 其厚度需 约8 0 m m 。图1 8 ( c ) 为微孔管微型翅片热交换器示意图，对应于换热能力4 5 k w 其厚度需约3 5 m m 。 热交换器的紧凑式得益于开窗翅片和微孔管的引入。开窗翅片和微孔管的热 交换器正在快速取代管片式和层叠式热交换器。微型开窗翅片使空气侧的传热系 数得到极大地提高。而微孔管则使流体侧的单位体积内的换热面积得到成倍的增 长。这两个因素是当今的热交换器得以高效紧凑的关键。 图1 8 ( c ) 所示的微孔管热交换器是由把翅片，挤压多孔扁管，以及集流管 经由高温铅焊炉焊接而成。w e b b 早在1 9 9 4 年就指出【l5 1 ，微孔管热交换器的优势在 于其扁状的制冷剂流道可比传统热交换器的圆型制冷剂流道提供更多的换热接触 面。扁状的制冷剂流道的特定几何形状也可使翅片效率更高。因为空气流穿过热 交换器时，微型扁管末端的下游气流对传热的负面影响没有在传统圆管热交换器 中的那样显著即，因为扁管的迎风面尺寸明显小于管片式的圆管，由于迎风面积 7 重庆火学| 尊十学忙论文 图18 ( a ) 管片式一换热能力45 k w 厚度需约l o o m m f i 9 1 8 ( a ) t u b ea n df i n d e p t h f o r 45 k wc a p a c i t ya b o u t i o o m m d i m p l ep l a t e 幽18 ( b ) 层叠式换热能力45 k w 厚度需约8 0 m m f i g1 8 ( b ) l a m i n a t e dp l a t e d , e p t h f o r 45 k wc a p a e i t ) a b o u t g o m m 图舭塾瓤龇 绪论 倒18 ( c ) 微孔管微型翅片，换热能力45 k w 厚度需约3 5 m m f i g 18 ( c ) m i c r o e h a n n e l m b