微型多元平行流冷凝器的流程布置和風速優化

何予東， 張 毅

（1.新鄉航空工業（集團）有限公司， 河南 新鄉 453049； 2.中鐵工程裝備集團隧道設備制造有限公司，河南 新鄉 453100）

1 多元平行流冷凝器的相關概述

平行流冷凝器由扁管和波紋百葉窗翅片組成。扁管各截一根，扁管兩端各有集氣管。對于多單元平行流冷凝器，集流管內有隔板，且每段管數不同。制冷劑進入冷凝器時，制冷劑處于氣態，比體積最大，管數最多。隨著制冷劑逐漸冷凝成液體，其比體積減小，管數減少，這種柔性工藝的結構設計使冷凝器的有效容積得到最合理的利用，它具有空氣和制冷劑側壓力損失低、傳熱系數高、質量輕、結構緊湊、制冷劑充注量少等優點，使制冷劑的流動和傳熱更加合理。微制冷系統要求冷凝器具有工作性能高、體積小、質量輕、安裝方便、耐用、運行安全可靠的特點。因此，多元平行流冷凝器非常適合微型制冷系統冷凝器的開發。比較國內外來說，新型的熱水循環泵HPK-L的結構簡單且性能好，并且機械密封選型進行起來容易，不用外加冷卻水以及配用價格離譜的冷卻器來冷卻機械密封和軸承，泵就能安全穩定地運行，運行成本低，安裝以及維修也方便，達到了設計目標。

2 單雙層冷凝器熱力性能試驗分析

通過調查研究發現，有專門的機構進行了14 mm厚單雙層冷凝器熱力性能試驗，并得出了一些有效結論。值得注意的是，這個試驗是研發中心內部的實驗，現在的通用成熟平臺（14×1.8-9.8）并不能達到一些集團企業如新航集團和新航特換軍品客戶的相關要求。因而在產品生產方面，為了盡最大可能滿足用戶需求，相關企業主要生產雙層冷凝器芯體，以此在迎風面積不變且加大換熱面積的情況下達到相關性能要求。軍品冷凝器的負責人曾表示，現在關于自身雙層冷凝器以及單層冷凝器單體的熱力性能大小比對并不精確，缺乏相關依據，因而對軍品雙層冷凝器性能預估的準確性也較差。但是由于雙層冷凝器的加工比較復雜，很難確保客戶的相關要求，因此在了解了雙層冷凝器和單層冷凝器單體具有的熱力性能之后，就會通過判斷客戶條件和要求來確定現有的單層冷凝器是否達標，如果不能達標則要按照單雙層單體之間性能提升的具體百分比來對其進行優化提升。有學者通過將實驗得到的換熱量（空氣側）數據進行分析得知：當風速增大時，相關雙芯體換熱量提升百分比也會增大，當增幅減小時，風速增加到某個值之后，提升百分比停止增加，甚至會降低。雙芯體流程逆排布置時會高于順排布置。具體原因是：逆排布置時，芯體平均溫差小于順排時平均溫差，對空氣側換熱有益處。前后芯體的迎風面積本不能重合，而逆排的前后迎風面積能夠重合，且順排芯體的外表面黑漆和翅片倒伏以及在護板里面的鉚釘破壞翅片結構等一些問題會使芯體的換熱能力降低，進而就會使高風速的換熱強度降低。

分析數據先要以確定、懷疑、校正、確認的態度來分析，檢查輸入參數是不是符合試驗申請單，避免出現錯誤的結果。這個試驗的單雙層芯體流程就較為單一，且試驗情況只有一種。而且還要較多誤差，如人為加工誤差、測量誤差、驗設備帶來的誤差、操作誤差等，在這一背景下，試驗所得結果只能解決一些問題，如芯體零部件的參數尺寸和試驗工況等，但是并不能全部解決，具體還要通過實際情況來分析。在該試驗中，試驗芯體外觀的噴漆和翅片倒伏，會使得試驗數據出現偏差，還會對曲線趨勢走向造成影響。

3 微型多元平行流冷凝器的流程布置分析

通過對微型多元平行流冷凝器的流程布置分析，總結了一些可行性方案和優化風速的特點：在有限的結構集管方面，由于入口數量的不斷增多，在個體進行分發的液體經過多個結構集管的數量也在不斷遞增。所以進氣管結構的設計成為了影響液體分配十分重要的因素。液體進行分發的均勻部分主要表現在通過入氣管的長度出現了先減小后增大的變化，而且通過一定數據的調查和分析得知，如果在有限的入口質量流量條件下，在集管內的液體分發會由于組合的長度出現先變小后增大的情況，多個孔的扁管和集管會在臨界處結合長度變化，使整個液體分放的均勻程度呈現出一個比較良好的狀況。通過對較小的管道里液體流動的特質進行計算分析后發現，在液體流動的情況下，整個管道的關鍵部分液體流動速度會變大，直到出口的位置，每個位置的速度都不會經過管道行程方向的改變而改變，同時，速度呈現出拋物線的起伏趨勢，而且在比較小的管道里面液體流入的長度也會比一般的管道短，通過分析較小的管道的有限尺寸發現，在比較矮的入口處，制冷量較少的管道就會快速凝固，由于距離等量地增加，換熱的相關值逐漸減小，所以這些結論都對整個有了一些考察和參考作用。

4 微型多元平行流冷凝器的風速優化分析

由于微型多元平行流冷凝器的流程布置以及風速的優化會對各種流程布置產生影響，因此當流程數減少時，空氣側以及制冷劑側總壓降都會減小，其中制冷劑側總壓降減小最快；扁管和翅片的總質量以及冷凝器的高度、單根扁管的長度都會進一步增加。原因是流程數減少，所以每一個流程里面扁管數會相應增加，冷凝器入口的制冷劑質量流量穩定，兩相區的總傳熱系數減小，冷凝器需要的扁管總數變多，冷凝器高度增加的同時總傳熱系數降低導致單根扁管的長度變化，同時增加了冷凝器的迎風面積，扁管寬度穩定并且冷凝器體積增加，最終會使扁管以及翅片的總質量增加，風量呈現穩定狀態。當迎風面積增加時，冷凝器迎面風速就會減小，風速減小使得空氣側摩擦因子以及兩相區摩擦因子都會同時增大，因為風速決定了空氣側壓降，所以空氣側壓降會減小，盡管兩相區摩擦因子會增加，但是因為每一個流程的制冷劑的流通密度在減小，進而出現了兩相區當量制冷劑制冷流量變小，而流程數減少使得兩相區流通長度也會減小，這兩者決定了兩相區制冷劑壓降。

通過以上的研究與分析，得出以下結論：

1）平行流式冷凝器換熱量是根據風速增大而增加的，并且會慢慢達到一個穩定數值。鑒于此，在優化設計多元平行流式冷凝器的結構時，要綜合考慮臨界風速的影響，然后在此基礎上對其進行合理的布置，使得風速呈現出最優化的狀態。

2）多元平行流式冷凝器空氣出口的溫度在扁管回流中會出現很多變化，而這些變化大多是由于制冷劑相態變化以及冷凝器流程變化引起的。相比較于空冷式冷凝器，平行流式冷凝器空氣進出口的溫差值更大。

3）由于環境溫度升高，冷凝器傳熱溫差數值會減小其，相應的換熱量也會減小。

4）制冷劑的入口質量的提升對增大換熱量有幫助，并且增減幅度也會減小，但是也會導致管內壓降增加，要想保證其最佳質量流量，可以在壓降較小的時候對其進行控制，以確保達到較高的換熱量。

5 結語

在微型多元平行流冷凝器的設計應用中，對流程布置和風速優化具有較高的要求，因此要想從根本上提高微型多元平行流冷凝器的性能功能，相關研究人員要加大對微型多元平行流冷凝器的流程布置和風速優化方面的研究，以此來減少微型多元平行流冷凝器在應用中的問題，提高其應用性能。