房间空调器中换热器的研究概况及进展

1、科技报道房间空调器中换热器的研究概况及进展陈颖邓先和王杨君(华南理工大学教育部传热强化与过程实验室广州510640丁小江(广东志高空调器厂南海摘要用于房间空调器的紧凑套片管换热器因其良好的换热性能越来越受到重视,国内外众多的生产厂家和科研工作者研究了这类换热器的换热和流动规律,分析其强化换热的机理,推出了许多新的翅片形式,并比较了各种翅片管的特性。取得了大量的研究成果,并提出了这类换热器今后有待研究的方向。关键词:市政工程换热器综述房间空调器Progre ss on heat exchanger of room air -conditionerAbstract Compact fin -and

2、 -tube heat exchangers with continuous fins become facus to attract a lot of re searchers and room air -conditioner manufacturers due to their better heat transfer characteristics .A lot of inve stigations about the performance of various fin configuration have been carried out to enhance the heat t

3、ransfer capabillitie s of air-cooled condensers and evaporator ,including new style fins ,new data correlation ways and the comparison methods to evaluate the air side performance.The paper summarize s their achievements ,and also discusse s the re search work needed to do in the future.K eywords Ci

4、ty planning engineering ,Heat exchanger ,Summarize ,Room air -conditioner1引言房间空调器中有两个主要换热器,即蒸发器和冷凝器,这两大换热器的一侧工质是制冷剂,另一侧是空气。由于空气的对流换热系数比制冷剂的小1至2个数量级,为了强化换热器的传热,一般在空气侧采取紧凑布置换热面积。房间空调器大多采用紧凑管翅式换热器,其优点是:1有许多具有不同数量级比表面积的有效换热表面;2按设计要求可灵活布置热侧和冷侧换热表面;3可节省成本,减少质量或体积;4管内流体的工作压力范围很宽,管外流体可保持较低压力。现用于房间空调器的是整体套片管

5、式换热器,翅片的形式很多:可以是表面变化翅片,如平直翅片、波纹翅片;也可以是表面间断翅片,如开缝翅片、百叶窗翅片等。2紧凑管翅式换热器的发展历程据公开的文献可查知,对紧凑管翅式换热器的系统研究取得有价值的成果始于1970年代,McQu 2iston 1是第一个成功拟合了平直翅片叉排布置换热器的热力性能的人。到了八十年代,房间空调器的发展为整体套片式管翅换热器的研究提供了大量应用机会,同时全球节能的需要使整体套片管加工工艺的优势得到了生产厂家的青睐,其在生产过程中摈弃了传统焊接连接方法,采用机械或水压涨管,这样消耗的能量就大大地降低了。近期的研究注重换热器的传热和流动机理,Saboya 和S p

6、srrow 2将传质技术用于确定一排、二排和三排盘管的局部传质系数,其结果通过类比关系用换热系数的形式来说明局部换热系数的分布情况。欧美的换热器制造商,如Luve C ontardo 等对管43制冷学报2002年第4期收稿日期:2002年03月18 日翅式换热器的研究一直走在世界前列,他们研究的重点集中在寻找新的间断表面,在已有的翅型上发展了多重百叶窗翅片、带翼百叶窗翅片、双面开缝翅片等新的翅型,对其换热机理的实验研究相对不够活跃。换热管管径也日趋小型化(扩管前Do= 9.52,7.94,7mm,而且实验关联式的拟合方法也有了较大的改进,出现了多重拟合方法,充分考虑了各种几何结构参数对换热和流

7、阻特性的影响,从而克服了采用水力直径作为特征尺度带来的预见局限性。研究手段有实验研究和数值模拟两种方法,其中实验研究又分为原型实验和放大实验。原型实验即换热器风洞实验,这是一种对换热器热力性能研究行之有效的方法。近期有关的实验研究工作趋势是,实验模型的结构尺寸更系统、更全面,数量更多,实验数据采集的工况范围进一步扩大。实验设备、测量仪器更精密,更先进,实验的精确度得到了很大提高。自从Beauvais3在1965年第一次用放大十倍模型来展示流场的分布后,许多科研人员都采用这种方法进行研究,Y un和Lee等47都用这种方法证实了用放大模型研究原型翅片流动的可行性,这种方法比原型模型更方便有效地分

8、析换热及流阻特性。但由于放大模型的方法受加工工艺等因素的限制,与原型模型实验结果相吻合的范围有待扩宽。紧凑整体套片管翅管束中气体的流动很复杂,圆管的存在引起翅片表面的流动加速和管后的流动分离以及由此产生的低速尾迹区,波纹形翅片往往伴随出现二次流,百叶窗式翅片往往伴随有流动分离和再附。即使是平直翅片,其流动也很复杂,难以分析预测其传热和摩擦特性。下面分别讨论各种翅片形式的研究现状。平直翅片:平直翅片不同部位的传递机理是不同的,Wang et al.9对较大范围的管径(Do=7mm 12mm进行了适应性更广的实验研究。结论如下:1.管排数N=1,2时,换热因子j与翅片间距有关,这是因为单排管时边界

9、层的发展是决定因素,在高Re数时,旋涡起重要作用,所以当Re>5000时,翅片间距的作用消失,Re<5000时,换热性能随翅片间距的减少而增加。T orikoshi10的数值模拟结果也证实了这一结论2.随着管排数的增加(N4,换热器里的流场呈周期性发展,旋涡控制着整个流场,翅片间距对换热的影响消失。比较实验结果发现,f-Re曲线中各种翅片间距在Re=20003000范围内(N=4摩擦因子f汇集在一起。3.Re DC<3000,j随管排数的增加而减小。小ReDC数时,下游湍流的趋势减弱,流场与温度场基本呈层流,换热系数随管排数的增加而减少,但在较大翅片间距(Fp=2.2mm时,

10、即使是小ReDC数,管排数的影响也可忽略不计。4.Re DC>3000,管排数的影响消失。在高Re DC 区域,换热器的流场与温度场的分布因旋涡的形成与脱落变得不稳定,因此具有较高的换热能力,而管排数的影响可忽略不计。5.排换热器摩擦因子f的大小与管排数无关。6.大管径会增加压降,虽也会增加管后的传热无效区(尾流区,但尾流区相对较小,故对换热系数影响不大。Wang11最近采用了74个平直翅片管换热器模型的实验结果,拟合了676个实验数据,采用多级回归方法,得到运用范围更广的j与f的综合拟合关联式。波纹型翅片:波纹型翅片在流动方向上是非断开表面,波纹方向上的波纹形结构为流动提供了有效间断引

11、起复杂的流动。工业界对这种翅片大概研究得最多。G oldstein和S parrow3给出了波纹翅片每53制冷学报2002年第4期一个上下表面的详细的局部舍伍德数分布。他们证明了几个涡系的存在,并认为,波纹翅片的迎风面对强化换热系数起主要作用;而波纹翅片背面的换热系数较低,且受流动分离的强烈影响。G oldstein 和S parrow 2用传质技术测定单排人字形波纹翅片管的传质系数。Beecher 和Fagan (1987用实验方法研究了20个三排波纹翅片管的模型,给出了实验数据的拟合曲线,但没有给出包含所有几何参数的总关联式。Rich 2指出Re 数用水力直径作为特征尺寸没有考虑翅片间距的

12、作用,提出用无因次量G z (G z =RePrDc l 来拟合关联式。最新提出的实验关联式是Webb 用G z 拟合的关联式。开缝翅片:开缝翅片的传热强化主要是由Re 10000(或者R el =Re l ef /Dh 100000和l ef 10时的未定型层流边界层引起的。厚的开缝翅使换热系数h 进一步强化,这是因为厚翅片的阻塞效应引起了翅片间的高速流体流动所致。流过翅片的未定型边界层以及由于有限翅厚而引起的形阻的增加,摩擦系数也相应提高了。翅条长度越短或翅厚越大,与平直翅片相比强化传热的效果越好。Wang 和Lee 17对56个开缝翅片模型进行了实验研究,考察了管排数与翅片间距对空气侧的

13、换热影响,得出单排管时换热性能随着翅片间距的减少而增加,管排数大于4时,翅片间距的作用相反;管排数增加,换热性能减弱,摩擦因子与管排数无关。他们总结了前人的实验数据,用多重迭代法得到了j 、f 的拟合式。对现今工厂使用较多的双面开缝翅片(桥式翅片热力性能的研究相对较少,Nakayama 和Xu 18拟合了三个模型的实验数据,但由于关联式中j 因子太依赖翅片厚度与翅片间距之比,所得的结果很难外推用于其他结构尺寸。最近Wang 19报告了他的实验结果,N =1,换热性能随翅片间距的减小而增强,N 4,翅片间距减小,换热能力也减小。Du 和Wang20采用了31个开缝翅片管的模型进行实验,证实了Wa

14、ng 的结论,并指出,Re DC <1000时管排数增大,换热效果减弱,Re DC >2000时,管排数对换热影响不大,特别是开缝较短的翅片,管排数的变化不影响其换热。摩擦系数与管排数无关。他们将此项工作将Nakayama 和Xu 18及Wang 19的实验结果综合在一起进行拟合(共50个模型,进一步扩大了实验关联式的适用范围。百叶窗式翅片:换热器生产商已经研究了许多不同形式的圆管束上的百叶窗式翅片,管束排列既有叉排的,也有顺排的,不过所公布的数据是很有限的。H os oda 2等的数据表明,叉排管束上平行百叶窗式翅片的换热系数要比相同的叉排管束上的波纹翅片的换热系数高50%。It

15、o 2等的数据表明,叉排管束上另一种平行百叶窗式翅片的换热系数要比平直翅片高出35%。Fukui 和Sakam oto 2指出,顺排管束上连续翅片中的单切口百叶窗结构比平直翅片约提高换热系数50%。现已证实,百叶窗翅片强化换热是由于G oertler 涡系引起的,这种涡系是当流体流过凹进的波纹表面时产生的。这些涡的旋转方向相互反向,形成螺旋状前进的流型。Beauvais 3最先提交了一张放大十倍百叶窗翅管换热器模型的流场照片,这张照片清楚地展现了流体如何被百叶窗口变向的情况。W ong Smith 21、Achichia 和C owell 22的实验研究结果很有价值,他们逐一考察了翅片间距、百

16、叶窗间距、百叶窗夹角和管间距对换热性能的影响,他们发现,用百叶窗间距作为特征尺寸比用空气通道的水力直径作为特征尺寸实验数据更易拟合。Chang 和Wang 23拟合了91个模型的实验数据得到一个换热关联式,可惜这一关联式只适合一种百叶窗翅片形式。2426阐述了近几年来对百叶窗式翅片的几何结构对换热影响的研究成果,但都局限在某种翅型的研究上,没能给出一个统一的关联式。从实验得到的管外传热因子j 的分布情况来看,各种类型的百叶窗翅片的换热性能差别很大,但都随Re DC 数的增加而减小。摩擦因子f 也随Re DC 数的增加而减小,且百叶窗的倾斜角度愈小,则摩擦因子愈小(型2的百叶窗角度为13.5&#

17、176;,摩擦因子最小。Wang 27分析了管排数对换热的影响的机理,Re DC 2000时,j 随管排数的增加而减小,Re DC 小,下游湍流消失,管后尾流旋涡产生耗散。Re DC 2000时,j 与管排数无关,Re DC 大,下游的湍流旋涡从管上脱落,使翅片下游区得到较好的混合。f 则与管排数无关。Hatada 28报告了单排百叶窗翅片的性能数据,他们用两种倾斜角控制空气63制冷学报2002年第4期流场的分布来强化换热;Wang29发现翅片间距是影响换热的重要因素。但以上的研究没有揭示强化表面在翅片上的分布位置对换热的作用。Wang30在前人的实验研究结果上分析了六种百叶窗翅型,49个换热

18、器模型,用多重回归法归纳出一个总的关联式。这一关联式的适用范围和预见性大大增强了。各种翅片的性能比较:对各种翅型的热力性能比较方面的工作也吸引着广大科研工作者,Wei-m on31实验比较了平直翅片换热器、波纹翅及百叶窗翅,得出:相同ReDc下,百叶窗翅的j与f都比平直翅片大;平直翅片的j与f随翅片间距的减少而增加,但百叶窗翅片没有这种趋势;迎面风速增大,P 和h都增大;迎面风速不变时,压力降随管排数的增加而增加。Wei-m on31同时也比较了这三种翅片管的性能有劣。1用面积优度因数比较法比较: Re Dc1500,单排管时,波纹翅片的2jf最大,平直翅片次之,百叶窗翅片最小;两排管时,波纹

19、翅片的2jf最大,平直翅片最小,百叶窗翅片次之。2用体积优度因数法比较法比较:百叶窗的性能最好,平直翅最差。3用换热系数风机功率法比较,风机功率一定时,管排数越小,h越大,且百叶窗翅在操作条件相同时性能最好。4用VG1准则比较:翅间距为1.4mm2.0mm时,百叶窗可减少面积30% 40%,G iovanni32对一些新型翅片表面的性能进行了较为全面的比较,他所选用的15个翅片管换热器的模型几何尺寸相同,但翅片形状不同,有平直翅片、波纹翅片、百叶窗翅片和带翼形的翅片。比较结果如下:1.百叶窗翅片能强化换热,但也增大压力损失。百叶窗高度愈小,压力降愈大,且不能提高换热系数。波纹翅片对j与f的提高

20、都有限。在小Re数时,百叶窗翅比波纹翅强化换热的效果好。2.扩展式百叶窗的换热效果几乎是波纹翅片的两倍,而压力降却只比普通百叶窗翅片略高。3.翼形翅片增强换热的效果不明显,但翼形与百叶窗组合的翅片对换热有明显的提高。Wang和T ao33将开缝翅片与其他的一些翅片形式进行了比较,并作了机理分析。认为翅片间距对平直翅片及开缝翅片影响较大,对百叶窗影响较小。翅片间距与迎面风速相同时,开缝翅片的换热能力比百叶窗翅片小,压降也小;迎面风速增大,这种趋势也进一步增大。这是因为当Re数达到临界值时,间断表面会产生旋涡脱落,流体保持摆动流动,增强换热。翅片间距越密,临界Re数越小,越容易产生旋涡的脱落。对属

21、于表面起伏变化的百叶窗翅片而言,气流能够在相邻翅片间产生更好的混合,强化换热的机理与间断翅片不一样。翅片间距小时,管排数增加,换热能力下降很大,因为风速减小,每片翅片尾流区的温度提高,减弱了换热。这种现象随管排数的增加表现得尤为突出。当管排数增大时,这种现象会抵消掉旋涡脱落的强化换热效果,所以,换热因子j在多管排数时与管排数无关。同样,摩擦因子也遵循这个规律。特别是间断表面这种现象更为突出。4紧凑式换热器研究的发展趋势由于紧凑式换热器的换热及流动机理很复杂,结构参数多而且尺寸小,实验模型的加工工艺必须严格控制才能的到有价值的实验数据,模型的模具制造成本高,这给实验研究、分析研究、数值模拟都带来

22、困难。在许多科研人员的多年努力下,正一步一步揭示其换热和流动机理,得到许多强化换热的方法,也不断发明新的表面形状,并将这些表面形状生产出来,用于空调换热器中。在这方面换热器制造商作出了很大贡献,可惜实验数据无法共享。所以,无法将这些翅片形状的应用作有效的推广。另外,每个厂家各自掌握着几种翅片形式的大量数据,科研人员手中的数据又十分有限,各种翅片性能相互比较的工作进行得却远远不够。许多空调生产厂家在换热器翅片选型方面存在着盲目性,各种翅片的换热性能及流动特性的实验关联式运用起来也不方便。家用空调器中紧凑式换热器的发展和研究还有以下工作有待进行。1.发展数值模拟技术,减小实物实验的成本和研究周期。

23、特别是与实验研究的有效结合可以获得丰富有价值的数据。2.对新型翅片形式的研究,需要进一步扩大几何参数范围和工况范围,得到预见性及外推性更好的拟合式。3.设计计算中不定因素的确定需要进一步地收集数据。4.实验关联式的拟合方法及结果应进一步改善,使其更好地为实际生产所用。5.各种翅片的性能比较需做大量的工作,使比较结果更全面更符合工厂的需要。6.科研工作还需紧跟生产实践,一些在生产实践证明的翅片改型需要不断总结和揭示其内在的换热机理。参考文献73制冷学报2002年第4期S AE Paper No.650470,1965.-fin heat exchanger ,S AE.Paper N o.730

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