流程布置对非共沸制冷剂空冷冷凝器性能的影响-

1、流程布置对非共沸制冷剂空冷冷凝器性能的影响浙江大学 张绍志 陈光明 王剑峰摘 要 建立了非共沸制冷剂空冷冷凝器的分布参数模型,并以R407c为例通过计算比较了6种制冷剂流程布置的空冷冷凝器的性能。在6种流程中,以逆交叉流程布置为最佳,以顺交叉流程布置为最差。最佳与最差流程布置的冷凝器尺寸的差别随制冷剂质量流速的增加而增大,在质量流速为300kg/m2 s时可达5 1%。关键词 非共沸制冷剂 空冷冷凝器 流程布置1 引言在CFC S替代被各国环保部门提上议事日程后,许多国家展开了寻找合适的替代制冷剂的研究工作。经过数年的努力,对大气臭氧层有较大破坏作用的R12、R502等已经有了比较令人满意的替

2、代品,如R134a、R507等。空调制冷设备中广泛使用的R22为HCFC S,其ODP值为0 04 0 06,GWP值为0 320 37,由于它仍具有臭氧层消耗作用及较高的温室效应,因此被列入逐步禁用范围,现已开发出的R22替代品有R407c、R410a等。在R22替代品中,有一些是非共沸制冷剂,它们在蒸发与冷凝过程中存在温度滑移,如R407c在大气压力下的温度滑移为7 1。温度滑移的存在使得换热器的设计与使用纯质时有所不同,如存在夹点1。流程布置会改变传热温差的分布,从而对换热器性能有较大的影响2、3。作者曾对使用R407c作制冷剂的空气表冷器进行过模拟计算,在所比较的4种流程中,最好与最差

3、流程间的换热器尺寸相差8 72%4。冷凝器与蒸发器一样是制冷系统的重要组成部分,已有研究探讨流程布置对它的性能的影响,如文献5研究了流程布置对R22冷凝器的影响,但研究流程布置对非共沸制冷剂冷凝器性能的影响的文献还不多见。为此,作者拟建立使用非共沸制冷剂的空冷冷凝器的分布参数模型,并进行数值求解,探讨不同制冷剂流程布置对空冷冷凝器尺寸大小的影响。2 空冷冷凝器的数学模型图1显示了空冷冷凝器的6种流程布置。对于其中任何一种布置,可将换热器划分成若干离散单元,如图2所示。制冷剂节点标号(i,k中的i表示制冷剂流程中的第i根管,k表示该根管上的第k个节点。空气节点标号(i,j,k中的i,j 表示空气

4、流动方向上的第i排第j根管,k表示该根管上的第k个节点,下标r代表制冷剂,下标a 代表空气,下标in表示进口,下标out 表示出口。图1 流程布置图2 离散单元对每个单元都可以建立传热与能量平衡的方53Vol.29,No.1,2001 FLUID MACHINE RY 收稿日期:2000!07!17程如下:q =ma (T a,out ,k,j ,i -T a,in,k,j ,i =m r (T r,i,k +1-T r,i,k (1q=(T r,i,k +1+T r,i,k /2-(T a,in,i ,k,k +T a,out ,i,j,k /21h a A 0 0+ t k t A 0 0

5、+1h f ,a A 0 0+1h r A i (2式中 A i 、A 0!管内外侧换热面积 k t 、 t !铜管壁的导热系数、厚度0!翅片效率 h r 、h a !制冷剂、空气侧的换热系数 H f ,a !空气侧污垢热阻对于空气侧对流换热系数的计算,采用文献6推荐的适用于流体流过整张平套片管管簇的换热公式。制冷剂侧换热系数的计算可分为两种情况:全部是汽体或液体的单相区与汽液共存的两相区。对于单相区,根据Re 数的不同分别采用Hausen 、Gnielinski 、Dittus-Boelter 关联式:Nu =3 65+0 0668(d/x RePr1+0 04(d /x RePr 2/3(

6、Re <2300 (3Nu =0 0214(Re 0 8-100Pr 0 41+(d L2/3(T f T w0 45(2300#Re #10000(4Nu =0 023Re 0 8Pr 0 4 (Re >10000(5对于两相区,采用文献7提供的冷凝换热公式(因形式十分复杂,本文略。制冷剂在管内流动时压力降的计算同样可分成两种情况,对于单相区,根据Re 数的大小选择不同关联式:=64/Re (Re <2300(6=0 3164/Re 0 25 (2300#Re #105(71=2 03lg Re -0 8 (Re >105(8对于两相区,采用文献8提供的关联式:(!p

7、 t p (!p lo=12 82X -1 47tt(1-x 1 8(x #75% (9(!p t p (!p vo =1+2 82X 0 525tt(x >75%(10X tt =(1-x x 0 9(v l 0 5(#l #v0 1(11制冷剂在从一根管进入另一根管时,因高度差造成的压降如下:!p =v x +l (1-x g !z (12衔接两根管的弯头处的压降取为等效长度为50倍直径的直管段上的压降,并假定弯头与外界没有热交换。3 结果与分析在对每个离散单元建立方程后,在已知进口制冷剂状态与流量、进口空气状态与流量时,进行迭代求解可以得到冷凝器的尺寸,计算步骤如下:(1令空气侧节

8、点状态不变,对制冷剂侧节点从进口到出口进行更新;(2保持制冷剂侧节点状态不变,对空气侧节点沿流动方向逐一更新;(3重复步骤(1、( 2直到每个空气侧节点前后两次计算图3 6种流程布置下的温度及压力分布54 流 体 机 械 2001年第29卷第1期值相差小于0 002;(4修正换热管的长度,重复步骤(1至(3,直到出口制冷剂过冷度满足要求(本文中取为50 1。在非共沸制冷剂中,R407c是近年来被研究得最多的,故本文将以它做制冷剂。其热力学性质采用文献9提供的改进PR型状态方程计算,而汽液相的导热系数、粘度等热物理性质则根据文献10、11提供的公式计算或根据文献12提供的方法估算。图3给出了一组

9、计算得到的图1所示6种流程布置下制冷剂的温度与压力分布曲线,计算条件为:制冷剂质量流速200kg/m2 s、进口温度90、空气进口温度35、迎面风速2 5m/s。从图上可以看出,温度曲线基本是重合的,在单相区曲线较陡,而在两相区则较为平缓,压力曲线则不尽类似,流程(c、(d、(e的压力曲线走势是先降后升,后期升高主要是由重力因素引起的。而流程(a、(b、(f的压力曲线则是单调下降。表1各种流程布置下的换热管长度流程布置(a(b(c(d(e(f100kg/m2 s 200kg/m2 s 300kg/m2 s 0 3240 5310 7420 3350 5540 7800 3250 5310 74

10、40 3350 5530 7790 3270 5380 7540 3270 5370 751表1给出了制冷剂质量流速分别为100、200、300kg/m2 s时6种流程布置所对应的传热管长度。属于逆交叉流的(a、(c布置所需的换热管长度最短,交叉流布置的(e、(f居中,而以顺交叉流的(b、(d布置所需换热管最长。从流程布置(a与(c、(e与(f、(b与(d的对比可以看出,制冷剂从换热器的上部还是下部进入对换热效果几乎没有影响。对应于6种质量流速,6种流程布置中最佳与最差布置的差别分别达3 4%、4 3%、5 1%。由此可见,冷凝器流程的布置对空冷冷凝器的性能有一定影响,在制冷剂质量流速较高时尤

11、其值得注意。4 结论本文建立了制冷剂为非共沸工质的空冷冷凝器的分布参数模型,讨论了求解方法。文中以R407为例进行了计算,给出了6种流程布置下的制冷剂温度与压力的分布曲线,并比较了各种流程布置所需的换热面积。在各种流程中,以逆交叉流为最佳,交叉流居中,而以顺交叉流为最差,最佳与最差流程的换热器尺寸差别随制冷剂质量流速的增加而增大。在质量流速为300kg/m2 s 时该差别可达5 1%,因此流程布置的影响值得在设计时予以注意。参考文献1 Venkatarathnam G et al.Occurrence of pi nch points incondensers and evaporators

12、for zeotropic refrigeran t2 Franco R,Curtis O P.Thermodynamic optimization ofevaporators with zeotropic refri gerant mixtures,ASHRAE Trans.,1996;(2:3673723 Cecilia G,Lennart V.Changes i n op timal desi gn of adry-expansion evaporator when replacing R22wi th4 张绍志等 制冷剂流程布置对非共沸制冷剂换热器的影响 第九届全国冷水机组与热泵技术学

13、术会议论文集,19995 Wang C C et al.Effect of circuit arrangement on thefrig.,1999;(6:2752826 张祉佑主编 制冷原理与设备 机械工业出版社,19877 Dobson M K et al.Condensaton in s mooth horizon taltubes,J.Heat Transfer,trans.AS ME,1998;(1:1932138 Jung D S et al.Prediction of pressure drop during horizon tal annular flow boiling of pure and mi xed refriger9 Nagel M and Bier K.Vapor-liquid equilibriu m ofternary mixtures of the refri gerants R32,R125and10 Srinivasan K,Oellrich L R.Saturated liq uid thermalconductivi ty correlations for some new refrigerants,In tJ.Energy Re