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黄东西安交通大学制冷与低温工程系 热泵空调中冷凝与蒸发两用换热器的优化 2008年1月 2 内容提要 研究背景热泵空调中冷凝与蒸发两用换热器的特点3 热泵空调中冷凝与蒸发两用相变换热器的研究思路4 支路数对热泵空调中冷凝与蒸发两用换热器性能的影响5 流路布置对热泵空调中冷凝与蒸发两用换热器性能的影响6 后续研究计划与思路 3 1 研究背景 1 空调能效标识的强制执行 铜价的上涨 市场竞争的加剧 迫切需要开展节能研究 2 制冷系统的四大部件中 翅片管式冷凝器与蒸发器设计主要依赖经验和模仿 缺乏理论指导 3 热泵空调中是冷凝与蒸发两用相变换热器 相关研究有利于同时提高制冷循环和制热循环的效率 4 热泵空调中冷凝与蒸发两用相变换热器 必须能适应宽工况 干 湿 结霜工况 大流量范围 制冷循环与制热循环流量不同 多种相变过程 冷凝与蒸发 等特点 4 2 热泵空调中冷凝与蒸发两用换热器的特点 1 宽工况 冷凝器 干工况 蒸发器 干 湿 结霜工况 2 制冷剂物性非线性 相同压降在蒸发器低温区引起的饱和温度的变化幅度比冷凝器高温区要大 3 两流体间的流动型式变化 在制冷循环为进口 制热循环则为出口 但空气流动方向不变 顺 逆流形式发生变化 4 风速非均匀分布的影响 使基于过热度负反馈控制的蒸发器性能衰减 甚至引起控制振荡 5 空气侧与制冷剂侧的热阻相当 新研究表明 甚至在过热段 低干度段主要热阻位于制冷剂侧 是内肋管广泛使用的基础 6 气体或气液两相混合物分配 冷凝器时存在气体在各支路间的分配 蒸发器时气液混合物的分配 7 流路布置 支路数 流路布置 翅片类型等相关研究比较匮乏 难以同时提高制冷和制热循环的效率 5 3 热泵空调中冷凝与蒸发两用换热器的研究思路 要求出口总过热度5 出口带总流量5 的液体 出口过热度 28 R22在蒸发温度3 时 潜热为202 61kJ kg 显热0 74177kJ kg K 潜显热比为273倍 则将最下面支路液体汽化并过热至5 其他两个出口过热度 28 6 3 热泵空调中冷凝与蒸发两用换热器的研究思路 1 影响换热器性能的关键因素 a 风速分布取决于流道 风机与换热器的空间相对位置 可改进余地很小制冷剂流量可通过分液器 分液毛细管长度 集气管调整 工艺麻烦 易出错 生产效率低换热面积可通过流路布置来调整 易实现 2 关键因素分析 最简单易行的解决方案 制冷剂流量均匀分配 换热面积大小取决于风速分布 1 风速分布与制冷剂流量的匹配 2 制冷剂流量与换热面积的匹配 7 3 热泵空调中冷凝与蒸发两用换热器的研究思路 3 换热器内制冷剂分配 a 等阻力模型 1 冷凝器 气体易均匀分配 集气管与分支管的结构 2 蒸发器 气液两相难均匀分配 b 等流量模型 a 等阻力模型 入口无分液器及分液毛细管 制冷剂的流量分配主要依据换热器内阻力特性 阻力大流量小 阻力小流量大 风速分布 换热面积 制冷剂流量都会影响阻力特性 流路布置设计的要求高 难度大 b 等流量模型 入口有分液器及分液毛细管 压降远大于换热器的 制冷剂在各支路间均匀分配 制冷剂易均匀 换热面积根据风速大小来匹配 8 3 热泵空调中冷凝与蒸发两用换热器的研究思路 4 流路布置 1 支路数 协调制冷剂压降与温度分布的关系 协调总传热系数与传热温差关系 2 流路布置 改变传热系数与传热温差的空间分布 优化总传热系数与传热温差的空间分布 3 翅片类型 协调管外干 湿 结霜工况下空气侧的流动与传热特性 综合空气流量和传热系数 4 支路汇合与分歧 汇合可增大过冷度 提高制冷剂单相区的传热系数 分歧减小大压降区域的制冷剂流量 减小压降 9 3 热泵空调中冷凝与蒸发两用换热器的研究思路 实例1等阻力条件下 优化流路布置 制冷量从6628W提高到7280W 10 3 热泵空调中冷凝与蒸发两用换热器的研究思路 实例2其中一个支路中部温度在加氟过程中逐渐降低 11 3 热泵空调中冷凝与蒸发两用换热器的研究思路 实例2冷凝器时集气管与分支管结构影响 12 3 热泵空调中冷凝与蒸发两用换热器的研究思路 实例2冷凝器时 A比E支管的流量大2倍 13 3 热泵空调中冷凝与蒸发两用换热器的研究思路 实例3根据风速分布去设计换热面积 尤其是迎风第一排的面积 14 4 支路数对冷凝与蒸发两用换热器性能的影响 制冷剂流向为制冷循环作蒸发器时 制热循环时进 出口刚好相反 15 4 支路数对冷凝与蒸发两用换热器性能的影响 表1换热器的几何结构参数 16 4 支路数对冷凝与蒸发两用换热器性能的影响 表2蒸发器模拟的约束条件 表3冷凝器模拟的约束条件 17 4 支路数对冷凝与蒸发两用换热器性能的影响 18 4 支路数对冷凝与蒸发两用换热器性能的影响 1 蒸发器的换热量 随支路数增大先升后降 最小值比最大值少23 2 存在使换热量最大的最佳支路数 冷凝器的换热量单调递减 最小值比最大值少40 55 2 蒸发器的压降大于冷凝器的压降 19 4 支路数对冷凝与蒸发两用换热器性能的影响 1 蒸发器支路数减少时 压降增大 再加上低温区对压降较敏感 抬高了蒸发器的进口温度 减小了传热温差 2 实验时 蒸发器进口 中部 出口温度不同的主要原因就是 相变换热时 压力与饱和蒸发温度具有一一对应关系 20 4 支路数对冷凝与蒸发两用换热器性能的影响 1 传热温差和传热系数都具有空间分布性 1 迎风第一排传热温差远比第二排大 传热系数后半段较小 2 随支路数增大 支路内的制冷剂流量在减小 传热温差随管壁温均匀而增大 但传热系数随每个支路内制冷剂流量减小而减小 对换热量的影响存在矛盾 21 4 支路数对冷凝与蒸发两用换热器性能的影响 1 1个支路与2个支路相比 传热温差要小 换热量也小 温差场是制约蒸发器换热量的主导因素 2 6个支路与2个支路相比 传热温差基本相同 但换热量要小 传热系数是制约蒸发器换热量的主导因素 3 对于蒸发器而言 存在使换热量最大的最佳支路数 制约换热量的主导因素从温差场变为传热系数 22 4 支路数对冷凝与蒸发两用换热器性能的影响 1 冷凝器支路数增大时 压降基本相同 再加上高温高压区对压降不敏感 使制冷剂的进 出口温度差别很小 23 4 支路数对冷凝与蒸发两用换热器性能的影响 1 冷凝器支路数减少时 温差场基本相同 但传热系数变化较大 2 冷凝器的传热温差在过热段较大 传热系数 两头小 中间大 3 随支路数增大 传热温差随进出口温差减小而增大 但传热系数随支路内制冷剂流量减小而减小 对换热量的影响存在矛盾 24 4 支路数对冷凝与蒸发两用换热器性能的影响 1 冷凝器支路数减少时 压降基本相同 再加上高温区对压降不敏感 使温差场基本相同 但换热量单调递减 传热系数始终是制约冷凝器换热量的主导因素 25 4 支路数对冷凝与蒸发两用换热器性能的影响 1 随支路数增多 换热器的温差场和总传热系数的变化趋势相反 随支路数增多 制冷剂流量和压降都在降低 换热器表面的温度分布趋于均匀化 对数传热温差会随着增大 但制冷剂侧的表面传热系数和总传热系数会随制冷剂流量的减小而变小 2 存在使蒸发器换热量最大的最佳支路数 当小于最佳支路数时 过大的制冷剂流量和压降对换热器的表面温度和温差场分布影响显著 此时温差场是制约换热量的主导因素 而对数传热温差随支路数增多而增大 当实际支路数大于最佳支路数时 总传热系数是制约换热量的主导因素 而它随支路数增多而减小 3 冷凝器换热量随支路数增多而单调递减 冷凝器的压降比蒸发器要小 再加上高温区对压降不敏感 总传热系数始终是制约换热量的主导因素 而它随支路数增多而减小 4 当支路数增多时 蒸发器的换热量先升后降 冷凝器的换热量单调递减 而且冷凝器换热量的变化幅度也比蒸发器要大 因此 热泵空调的室内换热器存在最佳支路数 以同时提高制冷循环和制热循环的效率 26 5 流路布置对冷凝与蒸发两用换热器性能的影响 27 5 流路布置对冷凝与蒸发两用换热器性能的影响 1 蒸发器时 换热量从小到大排列为 Parallel Counter NU shape 最大值比最小值多4 9 2 冷凝器时 换热量从小到大排列为 Counter NU shape Parallel 最大值比最小值多7 4 3 冷凝器与蒸发器的换热量之和从小到达排列为 Counter Parallel NU shape 最大值比最小值多3 25 28 5 流路布置对冷凝与蒸发两用换热器性能的影响 1 空气第一排和第二排的传热温差相差较大 制冷剂侧换热系数的沿程减小使总传热系数也沿程减小 验证了制冷剂侧与空气侧热阻相当 2 蒸发器时 第一排的换热温差基本相同 Counter和NU shape将传热系数小的后半段置于传热温差较大的迎风第一排 换热量较大 29 5 流路布置对冷凝与蒸发两用换热器性能的影响 1 蒸发器时 迎风第一排每根管的换热量相差不大 但第二排相差较大 Parallel布置最小 NU shape最大 30 5 流路布置对冷凝与蒸发两用换热器性能的影响 1 冷凝器时 总传热系数 两头小 中间大 过热段的传热温差较大 2 Parallel利用过热段增大了第二排的传热温差 并将总传热系数小的过热段放在了传热温差较大的第一排 换热量最大 3 冷凝器时 由于总传热系数 两头小 中间大 以及传热温差较大的过热段 影响换热量的因素比蒸发器更为复杂 31 5 流路布置对冷凝与蒸发两用换热器性能的影响 1 冷凝器时 第二排的换热量差别较大 Counter最小 32 5 流路布置对冷凝与蒸发两用换热器性能的影响 对于蒸发器而言 各种流路布置的对数传热温差基本相同 总传热系数分布起主导作用 Counter布置将传热系数较小的后半段放在了对数传热温差较大的第一排 换热量最大 比最小的Parallel布置大4 9 而NU shape与Counter的换热量基本相同 对于冷凝器而言 Parallel布置利用具有较大传热温差的过热段增大了第二排的传热温差 再加上第一排较大的传热温差弥补了过热段总传热系数小的缺点 使Parallel布置的换热量最大 比最小的Counter布置要大7 4 而NU shape居中 当以蒸发器和冷凝器的换热量之和为依据 流路布置从小到大依次排列为 Counter Parallel和NU shape 冷凝器由于过热段的对数传热温差较大及总传热系数 两头小 中间大 的分布特点 影响换热量的因素比蒸发器要复杂得多 可以通过流路布置 优化传热温差和总传热系数的分布 增大换热器的换热量 33 6 后续研究计划与思路 研究典型流路排布 U n N X等 支路数 支路的汇合和分歧等对翅片管式蒸发器或冷凝器流动和传热特性的影响规律 包括对传热系数 温差场 压降等分布特征 建立基础性数据库 研究翅片类型 平直 波纹 百叶窗 与翅片间距分别在干 湿 结霜工况下对换热器流动和传热特性的影响规律 主要包括对空气流量 空气压降及相应对制冷剂侧总传热系数 温差场 压降的分布特征 基于以上基础性数据库 优化热泵空调中冷凝与