多元平行流冷凝器的数值模拟研究_黄晓峰

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文章编号：

FLUIDMACHINERY

1005－0329（2012）09－0072－04

No．9，2012Vol.40，

多元平行流冷凝器的数值模拟研究

黄晓峰，曹小林，潘

雯，谭志文，李

江，孙

浩

（中南大学流程工业节能湖南省重点实验室，湖南长沙410083）

摘

要：

采用能量平衡的方法对多元平行流冷凝器建立计算模型，对管内制冷剂和管外空气侧的流动和换热进行了数

值分析，模拟结果与实验结果吻合良好进行了比较。研究表明：由于多元平行流冷凝器的变流程结构及制冷剂的相态变制冷剂侧传热系数、压降，制冷剂压力和温度及干度沿管长出现多次突变。化，关键词：

平行流冷凝器；制冷剂；换热

TK124

文献标识码：

A

doi：10．3969/j．issn．1005－0329．2012．09．016

中图分类号：

SimulationStudyofaMulti-unitParallel-flowCondenser

HUANGXiao-feng，CAOXiao-lin，PANwen，TANZhi-wen，LIJiang，SUNHao

（CentralSouthUniversity，HunanProvincialKeyLaboratoryofProcessIndustryEnergy-saving，Changsha410083，China）Abstract：

Amodelwasdevelopedforaparallelflowtypecondenserwiththeenergybalancemethod．Fluidflowandheattrans-

ferprocessesinbothrefrigerantandairsideswereanalyzedwiththelatestphysicalpropertiesdatabaseandthecorrespondingcor-relations，thenumericalsimulationresultsagreewellwiththeexperimentaldata，Thestudyshowedthattherefrigerantheattrans-fercoefficientandthepressuredropalongthepassagevarysignificantlybecauseofthestructuralprocesschangeofcondenserandtherefrigerantphase-change．Keywords：

parallel-flowcondenser；refrigerant；heattransfercoefficient

1前言

本文利用能量平衡方法对多元平行流冷凝器

建立数学模型，对管内R22和空气侧的传热和流动性进行数值模拟，为今后的多元平行流冷凝器性能研究提供一定理论基础。22．1

数学模型基本假设

本模型采用分布参数法，作如下假设：（1）平行流冷凝器工作在稳定工况下，即制冷剂侧与空气侧各个参数不随时间变化；

（2）制冷剂流动简化为沿管长方向的一维流动，忽略管内制冷剂轴向和周向的导热；

（3）扁管各流道内制冷剂流量分配均匀，并具有相同的温度和压力分布；

（4）不计不凝性气体及管内外污垢热阻的影响及重力对传热和压降的影响。

近年来，随着汽车空调的发展与成熟，多元平行流冷凝器已在汽车空调领域得到成功应用。多元平行流冷凝器由于其特殊的结构形式，有换热系数高、制冷剂充灌量少、重量较轻、空气侧阻力小、易于回收等优点，可以提高空调的能效比，减

对家用空调的开发也是一种较好小空调的体积，

的选择。沈国民等分析了多元平行流冷凝器的换

热系数，并应用迭代原理得出多元平行流冷凝器的换热计算方法

［1～3］

。李俊明等以我国家用空调

器产品现状的分析为基础，探讨了执行新能效标准后空调换热器采用新型强化传热技术的潜在需［4］

求。制冷剂在微细管内凝结和沸腾传热的已家用空调器采用微细尺度强化传研究成果显示，

热技术，可以使换热器趋于紧凑、高效，从而使空调器满足新能效标准的要求。

收稿日期：

2012－04－06

2012年第40卷第9期2．2

空气侧换热模型

流体机械

Dhr———微通道水力直径

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平行流冷凝器空气侧采用波纹形多重百叶窗

能有效破坏空气流动边界层，增加扰动，强翅片，

采用j因子法来计算化传热。对于百叶窗翅片，表面换热系数，其关联式采用Chang和Wang通

［5］过大量试验得到的关联式：

0．27

Fp－0．14F1－0．49θj=Rea

90LpLp

制冷剂在微通道管内流动和冷凝过程中，加

可以忽速压降和重力压降相对于摩擦压降很小，略。因此，在整个冷凝过程中，需考虑摩擦压降。

摩擦阻力产生的压降：

ΔP=4f（L/D1r）[G2/（2ρr）

]

（5）

()()()

L1Lp

0．68

－0．29

式中

（1）

L———微细通道单元长度——制冷剂密度ρr—G———制冷剂的质量流率

［6］单相区摩擦因子采用传热的Blasius关联式：

16/Re0＜Re＜2500

×

式中

()()()()

Td

Lp

TpLp

δfLp

－0．23－0．28－0．23

Rea———基于百叶窗间距的雷诺数——百叶窗角度θ—Fp———翅片间距Lp———百叶窗间距F1———翅片长度Td———扁管宽度L1———百叶窗的长度Tp———扁管间距——翅片厚度δf—

空气侧压降为：

2

Δp=4fFdρaua/Dha

f=（2）

{

0．079Re－0．250．046Re－0．2两相区

2500＜Re＜2000（6）

Re＞20000

Webb对包括多种工质近600个数据点进行［7］

结合Shah关联式，改进得到新的换热关分析，

联式与试验数据吻合较好，表达式为：

hr=0．023Reeq0．8Pr10．4(λ1/D1r)（1－x）

（2）

式中

3．8x0．76（1－x）+

(p/p)0．8

sc

0．04

［

0．8

式中Dha———空气侧排列翅片的当量直径f———百叶窗翅片摩擦因子Fd———翅片宽度——空气密度ρa—

ua———空气流速

（7）

Reeq———当量雷诺数——制冷剂侧导热系数λ1—

x———制冷剂干度ps———制冷剂的饱和压力pc———制冷剂的临界压力摩擦阻力压降：

22

LReeqμ1

Δp=4f3

Dhr2ρ1

对于百叶窗翅片的摩擦因子，同样采用Chang和Wang通过大量试验得到的关联式［3］：

f=f1f2f3

式中

f1，f2，f3———影响摩擦因子的因素

（3）

式中

（8）

在Rea＜150时和150＜Rea＜5000时，f1、

f2、f3都有不同的表达式，在Chang和Wang中有在此不再赘述详细说明，

2．3制冷剂侧换热模型

［5］

——制冷剂液相密度ρ1—

——制冷剂侧的动力粘度μ1—

。

两相区压降则采用Zhang和Webb的摩擦因［8］

子试验关联式：

f=0．435Reeq0．12f1（9）式中

f1———按照单相区摩擦因子计算公式计算

得到的制冷剂液态摩擦因子

33．1

结果与分析

模拟结果与试验结果对比

2所示，模拟结果与试验结果的对比如图1，由图可知空气侧传热系数与冷凝器的换热量的实验

值与模拟值都是随着迎面风速的增加而增加，且增速较快，模拟结果与试验结果的相对误差都较小。

制冷剂在整个冷凝过程经历3个状态区：过

热蒸汽区、饱和两相区和过冷液体区，过热蒸汽区与过冷液体区可统称为单相区。

（1）单相区

Boelter公式在计算微通道内单相经典的Ditus-区强制对流冷凝换热系数时与试验数据相差较小。

hr=0．023Re0．8Pr0．3(λr/Dhr)

式中

——制冷剂侧导热系数λr—

Re———雷诺数Pr———普朗特数

（4）

74FLUIDMACHINERYNo．9，2012Vol.40，

制冷剂的传热系数存在两次突变。

（2）由于多元平行流冷凝器的变流程结构，在制冷剂的冷凝过程中流过各个流程时，每个流程的扁管数不同，流通的面积不同，导致制冷剂从一个流程进入下一个流程时传热系数值会出现跳跃性，产生突变。图中的3次突变是由于平行流冷凝器分4个流程所导致的。

图1

空气侧传热系数随迎面风速的变化

制冷剂侧压降沿管长的变化如图4所示，从

制冷剂压降与压力在图可知在整个冷凝过程中，

随着管长的变化时都有几次突变。第一次和第五第二次、第三次和第四次是由于制冷剂相变导致，

次是因为管程数的变化导致。制冷剂在冷凝过程

中要经历4个流程，并且各个流程的管子数不同，因此在流程变化的时候，制冷剂流通面积依次是减小，使得制冷剂流速增加，从而导致压降突变，因此，制冷剂在两相区的冷凝压力并不是保持不

而是沿着管长逐渐降低，如图5所示；并且变的，

图2冷凝器换热量随迎面风速的变化

在制冷剂从一个流程过渡到下一个流程的时候，有较大的局部压降产生

。

3．2

模拟结果分析通过仿真模拟，得到平行流冷凝器制冷剂侧

的换热和流动性能参数及空气侧出口温度随管长的变化情况，并根据模拟结果进行分析讨论。图3所示为整个冷凝过程随相对管长方向制冷剂侧换热系数的变化情况

。

图4

制冷剂侧压降沿管长的变化

图3制冷剂侧传热系数沿管长变化

从图可看出明显有多次突变，主要原因有：（1）由于制冷剂在多元平行流冷凝器中经历了过热、两相和过冷三个阶段，其中在单相区（过

制冷剂侧的热区和过冷区）发生的是显热交换，

传热系数相对较小，而在两相阶段存在的是潜热

交换，制冷剂侧的传热系数明显大于单相区制冷剂的传热系数。正是由于制冷剂相态的变化导致

图5

制冷剂压力沿管长的变化

空气温度沿管长的变化如图6所示，从图可

2012年第40卷第9期流体机械75

知，空气侧温度同样是发生多次突变，是由于在制冷剂侧换热系数因多元平行流冷凝器的流程变化及制冷剂的相态转变存在多次突变，导致对应的由能量守恒方程，则对应微元传热量相差比较大，的空气温度差较大，即空气侧的出口温度发生多次突变

。

（3）制冷剂在每个流程的变化对换热器换热

及压降影响较大，为了达到较好的换热可以对制冷剂在冷凝过程中的流程进行优化。

参考文献

［1］沈国民，谢军龙，韩军．多元平行流冷凝器的换热

．建筑热能通风空调，2002，（1）：计算方法［J］

30-34．

［2］姬利明，祁影霞，郭聪．平行流冷凝器空气侧传热性J］．流体机械，2011，39（9）：85-88．能探讨［［3］汪敏，吴俊云，方亮．多元平行流式冷凝器的仿真与J］．流体机械，2010，38（9）：83-85．优化［［4］刘纳，李俊明，李红旗．家用空调器采用微细尺度

．制冷与空调，2011，11强化传热技术展望［J］

（4）：96-99．［5］

Yu-JueiChang，Kuei-ChangHsu，Yur-TsaiLin，etal．Ageneralizedfrictioncorrelationforlouverfinge-ometry［J］．InternationalJournalofHeatandMass2000，43：2237-2243．Transfer，

［6］OuldDidiMB，KattanN，ThomeJR．Predictionof

two-phasepressuregradientsofrefrigerantsinhorizon-．InternationalJournalofRefrigeration，taltubes［J］2002，25：935-947．

［7］Webb．Rl，Zhang．M，Na．B．Condensationheattransfer

insmalldiametertubes［C］．Int．HeatTransferConf，1998：403-408．

［8］YangCY，WebbRL．FrictionpressuredropofR-12

insmallhydraulicdiameterextrudedaluminumtubesJ］．InternationalJournalwithandwithoutmicro-fins［ofHeatandMasstransfer，1996，39（4）：801-809．

图6空气温度沿管长的变化

4结论

（1）将空气侧换热系数及冷凝器的换热量都

随迎面风速的增大而增大，对模拟计算结果与实验计算结果进行了比较，得出模拟结果与实验结

主要是由于数值计算中采取可果相对误差较小，

翅片与扁管之间没有一些假设如空气为常物性、

热阻等；另外采用的关联式也不一定完全适合数值模拟计算。

（2）由于制冷剂在多元平行流冷凝器内的相态转变及其流程的变化，并且每个流程的扁管数

制冷剂的传热系数、压降、制冷剂压力及空不同，

气温度等参数沿管长方向出现多次突变。（上接第45页）

（2）充分利用横梁的刚性，提高压紧板上压紧中心，并使其高于滤板中心，可以改善滤板向上的失稳状况；

（3）密封系数m=q/q1的大小取决于密封尺寸的大小、密封介质的性质、密封面的表面粗糙度等级、物料的理化性质等，传统的密封系数m=3值得商榷；并且错边错位现象影响密封尺寸的大小和接触应力的均匀性。

参考文献

作者简介：黄晓峰（1988－），男，硕士研究生，主要从事制冷空调数值模拟的研究，通讯地址：410083湖南长沙市中南大学能源科学与工程学院。

［1］丁启圣，M］．北京：冶王维一．新型实用过滤技术［

2005．金工业出版社，

［2］闫学良，许正军，刘阳，等．翻盘过滤机在脱硅粉煤

．流体机械，2012，40灰浆液过滤生产中的应用［J］（3）：52-55．

［3］唐立夫，M］．北京：机械工王维一，张怀清．过滤机［

1984．业出版社，

作者简介：丁兴江（1972－），男，工程师，从事水处理、环境及能源方面研究，通讯地址：200060上海市常德路1211号15楼上海巴西水务股份有限公司。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/kvjm.html