翅片管蒸发器忽略过热段计算的修正方法分析.doc

翅片管蒸发器忽略过热段计算的修正方法分析 丁海斌 郭超 （大连金昱新能源科技开发有限公司）摘要：由于影响翅片管蒸发器传热计算的因素较多，关联式比较复杂，工程设计人员通常作一些忽略次要因素的处理来简化计算。本文将设计对象定位在空调用翅片管蒸发器，针对设计计算中忽略过热段因素的修正问题，从湿空气冷却效率关联式出发，分析提出翅片管蒸发器设计忽略过热段因素的修正方法和原则。关键词：翅片管式蒸发器制冷换热器优化设计 Analysis of modification method of fin-tube evaporator design with superheated part neglected Ding Haibin Guo Chao (Dalian Jinyu New Energy Technique Development Ltd. )ABSTRACT： Because of many factors influencing the heat exchange calculation of fin-tubeevaporator and the complicated correlations, engineers usually neglect the subordination factors to simplify the calculation and to make some modificatio For design of fin-tube e-vaporator of air conditioner, proposes the proper method and principles to make the modi-fication when the superheated part is neglected.KEY WORDS fin-tube evaporator; refrigeration; heat exchanger; optimum design 由于影响翅片管蒸发器传热计算的因素较多，关联式比较复杂。一直以来，工程设计人员通常作一些忽略次要因素的处理来简化计算，再进行一定的修正。然而这样作还是经常达不到预期效果，所配用机组能力达不到要求，因此如何合理地对被忽略的因素进行修正非常重要。影响设计结果与实际状况不符的因素较为复杂，但通常忽略过热段的影响是造成这种结果的主要因素之一。根据工作实际需要，笔者将研究空调用翅片管蒸发器的设计问题（它通常带有热力膨胀阀；制冷剂在离开蒸发器前要完全蒸发，这种空气冷却器也称作干式膨胀蒸发器），分析翅片管蒸发器设计过程中修正忽略过热段这一因素的方法，提出修正结果对原设计的影响，指出错误的修正思路将导致的设计问题，并通过实例进行说明。1 忽略过热段的修正分析 一般认为，采用忽略过热段影响的方法设计计算换热器时，计算面积与实际面积（或者区分两相区和过热区计算时的结果）相比会偏小，因此计算面积一定要加一些余量才能满足实际要求。 这一观点来自下面的分析1：过热区按两相区处理时，对数平均温差偏大，同时过热段制冷剂放热系数比较小，即TmtpTms，KtpKs，因此可知： Qtp(KtpTmtp)+Qs(KsTms)(Qtp +Qs)/(KtpTmtp).式中，脚标m，tp和s分别表示对数平均、两相区、过热区。即区分两相区和过热区计算出的面积要大于忽略过热区计算的面积。这一结论似乎很清楚，但它会使翅片管式蒸发器产品的优化设计走进误区，无法预测和把握实际经过蒸发器空气的处理过程。这往往是设计结果与实际状况不符的主要原因。 下面就这方面加以分析： 冷水机组、乙二醇机组的蒸发器，载冷剂经过蒸发器只发生温度变化，在计算过程中，通常根据简化设计条件，根据Q=KAT确定换热面积1，然后再针对忽略的因素对面积进行修正。上面的分析对此种情况是适用的。但是简单套用这一思路进行翅片管式蒸发器设计将必然导致设计结果与实际情况不符。与冷却液体载冷剂的蒸发器不同的是，空气流经翅片管式蒸发器时发生的是温、湿度变化。由冷却效率公式： （1） （2） （3）式中，为冷却效率，h1和h2分别为空气进出口焓值，aa为空气侧对流换热系数，Ma为空气质量流量，A为空气侧换热面积，Va为迎面风速，a为肋通系数，N为排数，Cp空气定压比热容，为空气密度。 根据设计条件，一般空气的处理过程是确定的。当蒸发器进出口空气状态给定后，冷却效率即为定值。当结构参数和迎面风速一定时，便可以确定换热面积。就是说空气侧对流换热系数和空气的起始状态就决定了换热面积的大小，并没有涉及到制冷剂，换热面积似乎并不会因为忽略过热段设计而减小。 设计时通常按无过热度考虑，但实际运行中过热度是存在的，制冷剂侧的平均换热系数、空气与制冷剂之间的平均对数换热温差均比设计值小。根据公式Q=KAT，通常认为，如果不修正面积，蒸发器换热量就达不到设计需要。 这正是翅片管式蒸发器设计修正过程中需要注意的地方。实际上在冷却液体载冷剂的蒸发器与翅片管式蒸发器设计中，换热面积的确定是依据不同的理论公式进行的1。前者围绕换热器导热公式Q=KAT，后者围绕冷却效率公式。前者面积的确定直接受到传热系数K和平均对数温差T的影响，如前所述，忽略过热段的简化处理将使设计面积小于实际的需求。但后者面积的确定与忽略过热段无关，因此面积也不会因为忽略过热段而减小。 既然换热面积并没有因为忽略过热段设计而减小，那么为什么忽略过热段设计的翅片管式蒸发器在实际使用时达不到设计能力呢？忽略了过热段的简化处理到底影响到了什么呢？ 实际上设计翅片管式蒸发器，不仅要确定蒸发器的结构参数，还要确定蒸发器的使用参数，空气侧参数往往是给定的，因此设计时一般需要确定的使用参数是制冷剂侧的蒸发温度。从蒸发温度的确立过程1可知，忽略过热段的简化处理恰恰直接影响到蒸发温度的确定。造成蒸发器能力不够的原因是忽略过热段使得设计蒸发温度偏高，而实际上蒸发器只有在更低的蒸发温度下工作才能达到设计负荷，在设计蒸发温度下运行时表现为出力不足。有关这一影响，从下面的分析中同样可以得到说明。先看一下如下方程式组： （4） （5）aaA=B，因为冷却效率不变，根据式(2)，B为常数。 （6） 为了便于说明问题，忽略管壁热阻Rf，则 （7） 将式(6)和(7)代入式(4)整理，得： （8） 式中：K为传热系数，A为换热面积，T为对数平均温差，ar为制冷剂侧平均对流换热系数，aae为空气侧当量换热系数，aa为空气侧对流换热系数，为析湿系数，为肋化系数，fb为肋片管效率。 与忽略过热段的简化算法相比，如果将蒸发器分为两相区和过热区分别计算1-2，由于过热区对流换热系数小于两相区对流换热系数，因此计算的制冷剂侧平均对流换热系数ar将小于忽略过热段情况计算值。由式(8)可知，计算出的平均对数温差将要大于忽略过热段情况计算值。对于相同的环境温度，意味着根据分区情况所计算出的蒸发温度要低于简化算法得出的蒸发温度值。 因此针对翅片管蒸发器设计中忽略过热段的简化处理，为使蒸发器处理能力达到实际需求，修正蒸发温度是最直接、简单的修正方法。由冷却效率公式可知，简单加大面积会破坏空气的处理过程。 但是对蒸发温度的修正是有限度的，因为降低蒸发器设计蒸发温度意味着降低压缩机吸气压力，压缩机能力下降，因此蒸发温度不能太低。 如果蒸发温度不宜降低，或不能再降低蒸发温度，即平均对数换热温差不再变化，下面来讨论这一情况的修正方法。 由式(8)，应该保持不变。于是要么想办法增大管内对流换热系数ar，使制冷剂侧对换热系数与忽略过热段计算值相等，要么减小，使得/ar值保持不变。 由式(8)，调整管内对流换热系数不会引起其他变化，因此这是一个非常好的选择。 如果有更好的管内强化措施可选，则不考虑采取保持/ar值不变的修正方式。 对于设计计算，析湿系数由空气进出口状态决定，是定值。假定使用材质不变，则为片距、肋高、片厚、管外径等基本结构参数及aa的函数，即：/ar= f(结构参数，aa，ar)。实际上aa又是这些结构参数、翅片形式与雷诺数的函数，而雷诺数是结构参数与空气流速的函数，于是aa= f(结构参数、翅片形式、空气流速)。那么为保持/ar值不变，必须调整结构参数或空气流速、翅片形式中一个或几个参数，这样就使得问题变得非常复杂。因此最好不采用基于/ar值不变的修正措施。 通常研究修正方法的目的是便于计算机辅助设计。当用计算机程序计算时，风速一般设置一个约束范围，由程序自动调整。在程序中一般不适宜自动调整片距、肋高、片厚、管外径结构参数，否则牵连变化因素太多，程序可能会得出不可预测的结果，同时程序设计因此会变得很复杂（但可以提示，由设计者调整，这样程序的可控度就会增加）。 如果不改变结构参数，上述函数关系/ar=f（结构参数，aa，ar），aa= f(结构参数，翅片形式，空气流速)简化为/ar=f(aa，ar），aa= f(翅片形式)。只要调整翅片形式，适当降低空气侧对流换热系数aa3，保持aa/ar不变。需要注意的是B=aaA需要保持不变，因此换热面积要增加。 应用该修正方法需慎重，有3种不利因素：1）增大面积的同时增加了产品成本。2）需要降低翅片表面对流换热系数，而翅片表面对流换热系数一直是研究人员在致力强化的一个因素，人为地降低太可惜。3）同时调整温差、换热面积、传热系数，计算量的加大是明显的，对程序计算的稳定性可能也会产生影响。有利因素包括：空气阻力小，易清洁，翅片加工工艺简单。 更换翅片形式如果不可行，可通过调整迎面风速来降低空气侧对流换热系数。虽然换热管形式、翅片形式的调整一般影响很大，但是在合适的最大风速约束下，发生修正迎面风速的可能性比较小，因此笔者不再考虑此种情况。2 系统应用实例及分析 图1是根据以上修正原则编制的翅片管换热器设计计算程序软件界面。 1)设计条件冷却负荷：40 kW 图l翅片管换热器设计计算程序软件界面冷凝温度：50，过冷度：5，过热度：10空气进口温度：28，相对湿度：60%空气出口温度：17，相对湿度：88%管外径：12 mm； 管壁厚：0.4 mm；管间距1：30 mm管间距2：30 mm 节距：2.5 mm2) 计算结果 表l第1组计算结果简化处理结果修正结果蒸发温度 7.98.2翅片形式波纹片波纹片实际列数55实际流程数1514管内换热强化系数11.5计算传热面积m2 51.551.5迎面风速(ms) 33换热器空气侧阻力/Pa 112.1112.1表2第2组计算结果简化处理结果修正结果蒸发温度 8.57.5翅片形式平片平片实际列数66实际流程数1514管内换热强化系数11计算传热面积m2 59.959.9迎面风速(ms) 3.13.1换热器空气侧阻力/Pa 90.590.5表3第3组计算结果简化处理结果修正结果蒸发温度 8.47.3翅片形式波纹片波纹片实际列数55实际流程数1514管内换热强化系数11计算传热面积m2 57.357.3迎面风速(ms) 2.72.7换热器空气侧阻力/Pa 93.793.73)比较分析第1组，波纹翅片，单纯修正蒸发温度不能满足要求，修正采用管内对流强化方法，设计蒸发温度不降，反而增加了。第2组，平翅片，修正时在蒸发温度允许的情况下，只修正了蒸发温度。第3组：设定更低的空气流速，采用波纹翅片，修正时也只需修正蒸发温度。分析可以看出：翅片侧对流换热强化程度低时，一般修正蒸发温度就能满足要求，否则修正需要强化管内侧对流换热。无法进行管内侧对流强化时，可以在不降低迎面风速的前提下，选择对流换热系数强化能力低的翅片来满足设计要求。无法进行管内侧对流强化时，在不改变翅片形式的条件下，改变迎面风速同样可以获得相同效果，但从产品成本、系统节能、设备加工、换热器运行自清洁方面考虑，第3组都不如第2组。3 结论在翅片管式蒸发器设计过程中，针对忽略过热段简化处理的修正方法与冷却液体载冷剂的蒸发器设计过程不同，需要引起注意。其修正过程与原则总结如下：1)忽略过热段的修正首先是考虑适当修正蒸发温度。2)蒸发温度受限，修正不能满足设计要求时，修正制冷剂侧对流换热系数（增大制冷剂侧换热系数）。3)增强管内侧对流换热系数仍不能满足设计要求，或没有更好的增强措施时，可以考虑采用降低空气侧对流换热系数的方法，首先采用更换翅片形式（如波纹片变平片）。此种方法，虽然增大了换热面积，但因为翅片的成本降低，因此对产品的成本增加也有一定的抵消作用。4)如果更换翅片形式不能满足设计要求，可通过调整迎面风速来降低空气侧对流换热系数。由于换热管形式、翅片形式的调整一般影响很大，因此在合适的最大风速约束下，发生修正迎面风速的可能性比较小。5)翅片管蒸发