冷凝器流道劃分比例對換熱效率的影響研究

劉 晨，顏雄超

（1.海裝駐武漢地區軍事代表局，湖北 武漢，430060；2.海裝駐武漢地區第七軍事代表室，湖北 武漢，430060）

0 前言

冷凝器是制冷系統中的核心部件之一，它的主要作用是將制冷劑由高壓蒸汽冷卻成液體。為確保制冷劑能夠充分與濕空氣進行熱交換，且能獲得一定過冷度，工業應用上按照一定比例來劃分多個流道，為了更好的了解流道劃分比例對冷凝器傳熱性能的影響，降低單位換熱量下冷凝器的重量，就必須對流道劃分比例進行深入的研究，從而揭示流道劃分比例的規律。在前人所做工作的基礎上[1-6]，本文對典型冷凝器進行了仿真建模和試驗數據校準，分析不同流道劃分比例對換熱效率的影響，得出了優化設計冷凝器流道劃分比例的規律。

1 仿真模型

1.1 換熱器結構特征

選擇多元平行流式冷凝器（圖1）作為研究對象，其主要結構由扁管和波浪形翅片組成，集流管中有隔片打斷，形成多個流道，每個流道內包含的扁管數量不同。制冷劑進入冷凝器時，制冷劑呈氣態，比熱容較大，隨著制冷劑逐漸冷卻為液體，比熱容減小。合理的劃分流道占冷凝器迎風面積的比例，可以使制冷劑的流動和換熱情況更趨合理。

1.2 細節參數尺寸

扁管內部結構尺寸見圖2，為提高單位體積內的總換熱面積，扁管內部設置微通道結構，沿扁管寬度方向均勻布置多個矩形孔。

在扁管之間設有翅片，主要用于與濕空氣進行熱交換，其微觀結構示意圖見圖3。

圖3 外部翅片參數

設計熱交換器的各項細節尺寸見表1。

表1 冷凝器細節參數表總體參數計算

1.3 總體參數計算

根據表1所列詳細參數，對冷凝器逐項參數進行計算，可得到全局參數，見表2。

圖4 局部與全局尺寸

表2 全局參數計算結果

1.4 模型校準

為驗證模型正確性，使用試驗數據對模型進行校準，最終對制冷劑側參數和濕空氣側參數作為主要計算特征的公式進行擬合，總換熱系數采取的擬合公式如下：

其中：Gext是單位迎風截面積下濕空氣質量流量，Gint是單位容積下的制冷劑流量。

試驗數據與擬合數據對照表見表3，可見擬合數據與試驗數據最大誤差為2%，擬合結果滿足后續對照仿真分析的需求。

表3 試驗數據與擬合數據對照表

2 典型工況下計算分析

選擇某典型多元式平行流冷凝器，共含32個扁管，劃分為4個流道，建立仿真模型如圖5，按照表1設定冷凝器各項參數。制冷劑流動通路示意圖見圖6（a）,分別按照表4所列的三種方案劃分流道比例。

圖5 仿真模型示意圖

表4 流道劃分方案

圖6 流道比例劃分方案

為了更加直觀的表征不同流道劃分方案下冷凝器換熱效率的差異，用冷凝器出口處的制冷劑過冷度來評價冷凝器的換熱效率，計算結果見圖7，其中方案二可以使冷凝器獲得最大換熱效率，在壓焓圖（圖8）中可見制冷劑狀態變化情況。

圖7 各方案過冷度對比

圖8 方案二計算結果

3 結語

在制冷劑流通方向上布置多個流道時，應采用遞減的方式安排流道占用冷凝器迎風面積的比例，可在高壓高比熱容制冷劑在流入冷凝器后第一個流道布置較多扁管數量，使制冷劑充分與濕空氣進行熱交換，同時可以在最后一個流道內布置較少扁管數量，中間流道占用的扁管比例依次遞減，這種流道比例劃分的結構設計，可以使冷凝器的有效容積得到最合理的利用，從而使制冷劑的流動和換熱情況更加合理。本文提出的計算和分析方法，對于應用在特種設備上的冷凝器減重優化具有重要意義。