直接蒸發式空氣冷卻器設計的優化

直接蒸發式空氣冷卻器設計的優化

直接蒸發式空氣冷卻器選用合適的風速和制冷劑質量流速對于其換熱性能及能耗有重要的影響。本文利用計算機采用分段分析法模擬了直接蒸發式空氣冷卻器的一些性能，為制冷系統的優化提供參考。

1 直接蒸發式空氣冷卻器的結構
空氣冷卻器的表面式蒸發器都采用翅片管式。氟利昂翅片管式蒸發器的結構常用紫銅管外套鋁片制成。銅管直徑由至，鋁片厚。在以上工作的蒸發器翅片節距在之間，并采用整套片式?？照{用空冷器由于傳熱系數高，因而排數少，一般不超過6排。

2 直接蒸發式空氣冷卻器的傳熱過程
空冷器中的傳熱過程包括：管內制冷劑的流動沸騰換熱；通過金屬壁、垢層的導熱過程；管外空氣的放熱過程（對流換熱）。

2.1 制冷劑側的換熱

制冷劑側沸騰換熱采用分段分析法，即按照干度來分段計算。每一段的制冷劑側的沸騰換熱系數的求法按照文獻[2]推薦的公式計算。

2.2 空氣橫向掠過肋管管束時的換熱

空氣橫向掠過肋管管束時的換熱系數的計算按照文獻[3]中提供的公式計算。這里就不做重復了。

2.3 通過管壁與垢層的附加熱阻

管壁熱阻為（），對于銅管，由于其導熱系數很高，該項熱阻可以不計。但對于鋼管則應予以考慮，本論文的設計程序中取為。

油膜熱阻的考慮，若為氟里昂制冷劑，一般控制含油濃度，設計時可以不考慮。

直接蒸發式空氣冷卻器肋管外表面積灰等造成的附加熱阻，計算時一般取0.0003～0.0001。

3 采用分段分析法對直接蒸發式空氣冷卻器計算機模擬的計算步驟
在這里，我們只給出制冷劑為純質時的直接蒸發式空氣冷卻器計算機模擬的計算步驟：

1）輸入已知蒸發器入口制冷劑參數，蒸發壓力或蒸發溫度，并求入口焓；

2）輸入結構參數及物性參數：結構參數中需給出基管外徑，壁厚，肋片厚度，肋片節距，排列方式，管中心距；物性參數中需給出空氣的導熱系數，動力粘性系數，密度，比熱，空氣的進口狀態參數，空氣的出口狀態參數和冷卻空氣量，并調用濕空氣的熱物性計算程序來計算空氣進出口的其余參數；

3）計算空氣側換熱系數，初步確定沿氣流方向的管子排深數；

4）確定制冷劑循環量及每排并聯的肋管根數；

5）根據干度分段，，分為段；

6）計算局部微元段換熱量

；

7）假設局部微元段長度，可求局部微元面積；

8）局部微元段熱流密度（以管內表面積為基準），是計算制冷劑側換熱系數的必需已知量；

9）調用制冷劑側換熱系數計算程序，算；

10） 計算局部傳熱系數（以管內表面積為基準）

其中 為肋化系數，為空氣側垢阻，

為空氣側的當量換熱系數；

11） 計算局部微元段熱流密度；

12） 與比較，調整；

13） 計算該干度段的壓降，下一干度段的壓力為，返回6），進行下一干度段的計算；

14） 每個通路肋管總長；

15） 計算蒸發器的長寬高。

隨著現代科技和生產的發展，人們在設計一個工程系統時，總是希望得到一個最優的方案。所謂最優，往往表現為投資最少，利潤最大，時間最省，產量最高，運行費最省等等。

從數學的角度看，最優化的問題實質就是求最大最小的問題。

從優化的對象看，我們在這里進行運行參數的優化，即通過優化制冷裝置的參數來節能。

因此，制冷裝置設計的優化問題，就是確定一組設備結構和運行參數的最優值。

我們在這里選用作為性能指標，其中，為空氣側耗功，為制冷劑側耗功。選用風速和制冷劑質量流速作為獨立變量。以下我們將要討論這兩個獨立變量對性能指標的影響，以及其最佳取值。

4.1 蒸發器中制冷劑的質量流速與壓力降問題

制冷劑在管內蒸發時，管內制冷劑的質量流速越大，管內沸騰換熱系數越高，然而流速的加大又將引起管內制冷劑的壓力降增大，所以對每一種情況，必然存在一個最優值。

4.1.1 沿程壓降公式

Jung等人（1989，1993）【4】針對R22，R114，R12，R152a等工質及其混合物在水平管內受迫對流沸騰時的壓降實驗數據與以往的知名公式作了比較，并擬合出更符合實驗數據的壓降公式。

（1）

其中

本公式適用于純質和混合物。

4.1.2 局部壓降公式

局部壓降公式我們采用文獻【3】推薦的公式：

（2）

其中

為每個通路的彎頭數；

為彎頭的局部阻力系數，無油時約等于0.8~1.0；

為彎頭的摩擦阻力系數，無油時，此處是彎曲半徑；

為制冷劑的平均比容，單位為；

為制冷劑質量流速，單位為

4.1.3 制冷劑最佳質量流速的選擇

制冷劑最佳質量流速處在使最大的時候，其中，為制冷劑通過蒸發器時的壓降，為制冷劑的體積流量。

經比較，作者推薦的取值范圍為，具體取值請通過程序參照下面的例子選擇。此取值對實驗起指導作用，實驗用值還需根據具體情況由實驗確定。

比較舉例：R22在、、時

表1 制冷劑側最佳流速的選擇

80 1.44
90 1.476
94 1.486
95 2.13
100 2.09
110 2.02
120 1.94

由上表可知，此時的最佳值為

4.2 考慮壓降和不考慮壓降的比較

作者在這里只比較一下R22和R134a考慮壓降和不考慮壓降情況下設計出的蒸發器尺寸值。

表2 R22考慮壓降和不考慮壓降的比較 R22 蒸發溫度 被冷卻空氣進出口溫度（℃）
  
蒸發器結構 考慮壓降 H 1.08 1.11 0.9 23～12
B 1 0.995 1.181
L 0.156 0.156 0.156
壓降（kpa） 2.78 2.0 2.2
溫降（℃） 0.12 0.08 0.09
不考慮壓降 H 1.08 1.11 0.9
B 1. 0.9974 1.184
L 0.156 0.156 0.156
面積變化 0 0.24% 0.25%
制冷熱負荷（w） 70570 62000 50460

表3 R134a考慮壓降和不考慮壓降的比較 R134a 蒸發溫度 被冷卻空氣進出口溫度（℃）
  
蒸發器結構 考慮壓降 H 1.11 1.17 0.96 23～12
B 1 0.976 1.15
L 0.156 0.156 0.156
壓降（kpa） 3.86 2.58 2.74
溫降（℃） 0.25 0.16 0.17
不考慮壓降 H 1.11 1.17 0.96
B 1.01 0.98 1.155
L 0.156 0.156 0.156
面積變化 1% 0.41 0.43%
制冷熱負荷（w） 70570 62000 50460

由以上比較可以看出，考慮壓降比不考慮壓降設計出的蒸發器尺寸稍微小一點，這主要是因為隨壓力降低，蒸發溫度降低。但考慮壓降和不考慮壓降情況設計出的蒸發器尺寸相差不大。

4.3 空氣側流速

空氣流經空氣冷卻器時的流動阻力可按文獻【3】中推薦的公式計算

（3）

式中，為表面狀況系數，對于不平整的表面，對于精工制作的表面，其它符號意義同前。

空氣側最佳流速處在使最大的時候，其中，，為空氣橫向掠過肋管時的壓降（參見文獻[3]），為空氣的體積流量。

作者經比較知當管外為平翅片時最佳空氣流速為左右。

5 小結
1．采用分段分析法對直接蒸發式空氣冷卻器進行了計算機模擬，對空氣側和制冷劑側的壓降都給予了考慮，并推薦出了最佳空氣流速和最佳制冷劑側流速的決定方法。模擬的結果比較表明，考慮制冷劑側壓降對換熱的影響不大。

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