風(fēng)冷式冷水機(jī)組用翅片管式換熱器組件的結(jié)構(gòu)改
在多“V形結(jié)構(gòu)翅片管式換熱器組件的基礎(chǔ)上，提出一種新型結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)形式能夠改善翅片管式換熱器組件空氣側(cè)的風(fēng)量分布，使靠外側(cè)“V”形組件中2個(gè)翅片管式換熱器的風(fēng)量比從1.3：1改善至1：1，制冷模式下的制冷劑液體溫度差由原來(lái)的約7℃減小到1．5℃，提高整個(gè)翅片管式換熱器組件的效率。
關(guān)鍵詞：冷水機(jī)組；“V”形結(jié)構(gòu)；風(fēng)量分配；翅片管式換熱器；中央空調(diào)管理；同方科迅
隨著制冷空調(diào)行業(yè)的發(fā)展以及新技術(shù)、新工藝在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用，不斷提高產(chǎn)品的技術(shù)含量、追求高效節(jié)能、最大限度地獲取經(jīng)濟(jì)效益，己成為企業(yè)組織生產(chǎn)所遵循的基本原則。翅片管式換熱器作為制冷空調(diào)領(lǐng)域中廣泛采用的一種換熱器形式，一直備受?chē)?guó)內(nèi)外研究人員的重視。
張凡等對(duì)4種工程常用的翅片管式換熱器進(jìn)行試驗(yàn)研究，給出了在工業(yè)常用的雷諾數(shù)范圍內(nèi)的換熱和阻力特性的試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，供工程實(shí)際選用。肖皓斌指出減小翅片厚度或換熱管尺寸都會(huì)導(dǎo)致整體換熱性能的下降，為了保證相同的換熱量，需要綜合考慮成本和性能的影響。張春路等研究了不同風(fēng)速分布形式及風(fēng)速不均勻度對(duì)熱泵（空調(diào)）中冷凝和蒸發(fā)兩用換熱器性能的影響，并提出了一種全交錯(cuò)性流路設(shè)計(jì)，降低風(fēng)速不均勻性的影響，提高換熱器效率。筆者在現(xiàn)有多“V”形結(jié)構(gòu)翅片管式換熱器組件的基礎(chǔ)上，提出一種新型結(jié)構(gòu)，模擬分析新型結(jié)構(gòu)內(nèi)各翅片管式換熱器的風(fēng)量分配并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明新型結(jié)構(gòu)的翅片管式換熱器組件性能優(yōu)于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的翅片管式換熱器組件性能。
1現(xiàn)有結(jié)構(gòu)
風(fēng)冷式冷水機(jī)組用翅片管式換熱器組件均為多個(gè)翅片管式換熱器的組合，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)其性能影響不可忽視。最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有倒“M”形和“V”形，V”形結(jié)構(gòu)以其布置靈活、擴(kuò)展性好的優(yōu)點(diǎn)在業(yè)內(nèi)廣泛被采用。尤其是模塊化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，對(duì)此結(jié)構(gòu)非常青睞。圖1所示為常見(jiàn)“V”形結(jié)構(gòu)翅片管式換熱器組件示意圖，沿?fù)Q熱管方向一般比較短，進(jìn)風(fēng)條件比較優(yōu)越，翅片管式換熱器
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圖1常見(jiàn)“V”形結(jié)構(gòu)翅片管式換熱器組件示意圖
組件的整體利用率相對(duì)比較高。然而筆者在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在名義制冷工況（即空氣干球溫度為35℃，水側(cè)進(jìn)／出口水溫為12℃／7℃）下，靠外側(cè)的“V”形組件2個(gè)翅片管式換熱器的出口制冷劑液體溫度相差比較大，如表1所示。由于溫度測(cè)點(diǎn)使用的是熱電偶，測(cè)量值有士0．5℃的偏差。表中翅片管式換熱器1和2，5和6分別組成一個(gè)“V”形組件，布置在整個(gè)組件的外側(cè)，如圖2所示。翅片管式換熱器1和6的溫度比翅片管式換熱器2和5的低，說(shuō)明在這2個(gè)“V”形組件中2個(gè)翅片管式換熱器換熱不均勻；另外在名義制熱工況下，靠外側(cè)的“V”形組件中內(nèi)側(cè)的翅片管式換熱器2和5結(jié)霜嚴(yán)重。翅片管式換熱器結(jié)霜可能是因?yàn)橹评鋭┓峙洳痪鶆蚧蝻L(fēng)量偏小，再結(jié)合制冷工況下，液體溫度偏高，筆者認(rèn)為靠外側(cè)的“V”形組件2個(gè)翅片管式換熱器的風(fēng)量分配不均勻是主因之一，并采用 FLOEFD模擬軟件對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的空氣側(cè)風(fēng)量分配進(jìn)行模擬分析。
表1現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的每個(gè)翅片管式換熱器出口制冷劑液體溫度
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圖2 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的翅片管式換熱器組件模擬分析原型圖
圖2所示為現(xiàn)有翅片管式換熱器組件的模擬分析原型圖，與試驗(yàn)樣機(jī)布置結(jié)構(gòu)相同，翅片管式換熱器1和2，5和6分別為一個(gè)“V”形組件，布置在外側(cè)；6個(gè)翅片管式換熱器幾何尺寸相同，所用銅管和翅片亦相同。假設(shè)流動(dòng)是穩(wěn)態(tài)的，空氣為不可壓縮的常物性流體，忽略浮升力作用，進(jìn)出口均為環(huán)境壓力，控制方程有連續(xù)性方程和動(dòng)量方程，不求解能量方程。風(fēng)機(jī)定義為風(fēng)機(jī)邊界，每個(gè)翅片管式換熱器設(shè)定為同向性多孔介質(zhì)，阻力曲線見(jiàn)圖3，計(jì)算的控制精度為風(fēng)量±0．01m2／s，壓降±0．1Pa
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圖3單個(gè)翅片管式換熱器的風(fēng)量壓降曲線
模擬結(jié)果如表2所示，可以看出，中間“V”形組件的翅片管式換熱器風(fēng)量相近。而靠近外側(cè)的“V”形組件，翅片管式換熱器1和6比2和5進(jìn)風(fēng)條件優(yōu)越，因此得風(fēng)量相對(duì)較多，多了近30％。與之相反，翅片管式換熱器2和5得風(fēng)量少，換熱效率低，出口液體溫度相對(duì)翅片管式換熱器1和6較高，并且在制熱模式下結(jié)霜嚴(yán)重。模擬結(jié)果與試驗(yàn)現(xiàn)象比較吻合，證明了風(fēng)量分配是整個(gè)翅片管式換熱器組件效率低的主因。
表2現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的每個(gè)翅片管式換熱器風(fēng)量模擬結(jié)果
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2新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證2．1新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
新型結(jié)構(gòu)翅片管式換熱器組件是在現(xiàn)有的多“V”形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整靠外側(cè)“V＂形組件中2個(gè)翅片管式換熱器的進(jìn)風(fēng)面積，達(dá)到風(fēng)量分配均勻的目的。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮翅片管式換熱器組裝的難易程度、對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形式的影響以及風(fēng)機(jī)安裝和進(jìn)風(fēng)面的影響等多方面因素，兼顧制熱模式運(yùn)行特點(diǎn)。最終設(shè)計(jì)得到如圖4所示的新型結(jié)構(gòu)。新型結(jié)構(gòu)中的6個(gè)翅片管式換熱器外形幾何尺寸相同，所用銅管和翅片亦相同。翅片管式換熱器1和6垂直放置，翅片管式換熱器2和5與水平面夾角為55～6°，中間翅片管式換熱器3和4與水平面夾角稍大些，在68～72范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)模擬分析發(fā)現(xiàn)靠外側(cè)“V”形組件2個(gè)翅片管式換熱器的風(fēng)量分配已經(jīng)趨于均勻（見(jiàn)表3）。此新型結(jié)構(gòu)翅片管式換熱器組件保留了“V”形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)整機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸幾乎沒(méi)有影響，安裝方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔。同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，在中間增減“V”形組件可達(dá)到改變整體翅片管式換熱器組件面積的目的。
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2．2試驗(yàn)驗(yàn)證
試驗(yàn)樣機(jī)是一臺(tái)名義制冷量為300kW的風(fēng)冷式冷水（熱泵）機(jī)組，測(cè)試翅片管式換熱器的主要尺寸如表4所示，測(cè)試翅片管式換熱器組件結(jié)構(gòu)如圖5所示。
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在國(guó)家認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中利用樣機(jī)做了驗(yàn)證試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)要求布置相應(yīng)的測(cè)試點(diǎn)，主要測(cè)點(diǎn)有壓縮機(jī)吸氣溫度、排氣溫度、吸氣壓力、排氣壓力，蒸發(fā)器側(cè)載冷劑溫度和流量、翅片管式換熱器出口溫度等。試驗(yàn)采用風(fēng)速儀測(cè)量翅片管式換熱器的迎面風(fēng)速。為了能夠一次性讀取翅片管式換熱器表面的多點(diǎn)風(fēng)速，采用高精度多點(diǎn)風(fēng)速儀，在靠外側(cè)2個(gè)“V”形組件表面的相同位置，選取中間200mm的寬度，沿高度方向均勻劃分方格，每個(gè)方格的中心點(diǎn)設(shè)置一個(gè)風(fēng)速測(cè)量點(diǎn)。每個(gè)翅片管式換熱器的迎面風(fēng)速選取各測(cè)點(diǎn)的平均值，風(fēng)量由迎面風(fēng)速和迎風(fēng)面積獲得。試驗(yàn)結(jié)果與模擬對(duì)比如圖6所示，兩者的最大偏差在士5％以內(nèi)，在測(cè)量過(guò)程中，工裝振動(dòng)對(duì)多點(diǎn)風(fēng)速儀的測(cè)量有干擾，每個(gè)翅片管式換熱器測(cè)3次，取平均值，以減小測(cè)量誤差。
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圖5測(cè)試樣機(jī)上的新型結(jié)構(gòu)翅片管式換熱器組件實(shí)物圖
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圖6新型結(jié)構(gòu)靠外側(cè)“V”形組件翅片管式換熱器模擬風(fēng)量和試驗(yàn)風(fēng)量對(duì)比圖
在名義制冷工況下，靠外側(cè)“V”形組件2個(gè)翅片管式換熱器的制冷劑溫度差值縮小到1．5℃以內(nèi)，見(jiàn)表5。新型結(jié)構(gòu)下的飽和冷凝溫度下降了1．1℃。在名義制熱模式下，未出現(xiàn)翅片管式換熱器結(jié)霜現(xiàn)象。此新型結(jié)構(gòu)改善了整個(gè)翅片管式換熱器組件的換熱性能。
表5新型結(jié)構(gòu)靠外側(cè)“V”形組件翅片管式換熱器出口制冷劑液體溫度
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