微通道冷凝器流程和布置形式研究

【摘要】：微通道換熱器以其高傳熱系數(shù)、結(jié)構(gòu)緊湊、能效高、耐腐蝕、成本低、質(zhì)量輕、便于回收再生等諸多優(yōu)勢，得到高度關(guān)注和迅速的發(fā)展。本文介紹了微通道換熱器的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，對多元微通道冷凝器建立仿真計算模型，對微通道冷凝器的流程分布和布置形式進行研究，獲得較為理想的布置形式，為生產(chǎn)和工程實踐提供參考。

【關(guān)鍵詞】：微通道 冷凝器 仿真 布置形式

微通道換熱器由多孔扁管、集液管和百葉窗波紋翅片組成，最早用于電子元器件的散熱問題，由于其具有高傳熱系數(shù)、結(jié)構(gòu)緊湊、能效高、耐腐蝕、成本低、質(zhì)量輕、便于回收再生等諸多優(yōu)勢，微通道冷凝器在汽車領(lǐng)域得到廣泛的推廣應(yīng)用，在家用空調(diào)和工業(yè)制冷領(lǐng)域也正在逐步推廣，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

目前已經(jīng)有學(xué)者對微通道換熱器進行了比較系統(tǒng)的研究。王鐵軍、劉杰、韓豐云[1]等分析了客車空調(diào)的運行特點以及對換熱器的性能要求，在對微通道換熱器進行深入分析的基礎(chǔ)上建立了一維準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算模型，并在BJX10E客車空調(diào)上進行了應(yīng)用設(shè)計和性能對比試驗，驗證了微通道換熱器較傳統(tǒng)管翅式換熱器性能有較大提高。沈國民、謝軍龍、韓軍[2]分析了多元微通道換熱器的換熱系數(shù)，并且應(yīng)用迭代原理得出多元微通道換熱器的換熱計算方法。

對于冷凝器換熱性能的強化主要通過增加換熱面積，強化換熱系數(shù)和增大制冷劑側(cè)與空氣側(cè)的平均溫差[3] 來實現(xiàn)，而微通道冷凝器的變流程設(shè)計特點使其可以通過合理地安排流程分布來改變各個流程的流通截面，增大平均溫差，強化換熱效果[4]；實際工程中，有時需要針對有限的空間采用高效的換熱器，此時可使用雙排微通道冷凝器的布置形式，但目前對此類布置形式的研究尚不多見。本文擬對上述兩種微通道換熱器的結(jié)構(gòu)形式進行研究。

1 仿真模型

本文采用分布參數(shù)法，對多元微通道冷凝器建立穩(wěn)態(tài)模型。從模型計算的速度和穩(wěn)定性考慮，建立模型時采用以基本下假設(shè)：（1）微通道冷凝器在穩(wěn)定工況下運行，空氣側(cè)和制冷劑側(cè)各參數(shù)不隨時間發(fā)生變化；（2）空氣可以均勻地通過微通道水平扁管的表面；（3）扁管各通道內(nèi)的制冷劑流量分配均勻，具有相同的溫度和壓力分布；（4）扁管微通道內(nèi)的制冷劑流動簡化為沿長度方向的一維流動，忽略扁管內(nèi)制冷劑軸向?qū)幔唬?）忽略不凝性氣體和管內(nèi)外污垢對傳熱的影響；（6）忽略漏熱及重力對傳熱和壓降的影響。

1.1 制冷劑側(cè)傳熱與壓降

制冷劑在整個冷凝過程中一共經(jīng)歷三個狀態(tài)區(qū)：過熱蒸汽區(qū)、氣液兩相區(qū)和過冷液體區(qū)。針對不同的制冷劑狀態(tài)區(qū)域，需選用不同的關(guān)聯(lián)式進行計算。

（1） 單相區(qū)

過熱蒸汽區(qū)和過冷液體區(qū)可統(tǒng)稱為單相區(qū)，此時制冷劑屬于無集態(tài)變化，在水平扁管內(nèi)受迫流動。Nusselt認(rèn)為流場傳熱與雷諾數(shù)Re和普朗特數(shù)Pr有關(guān)。在計算微通道內(nèi)單相區(qū)制冷劑換熱系數(shù)時，經(jīng)典的Ditus-Boeltes [5]公式與實驗數(shù)據(jù)吻合較好。

其中，

制冷劑在微通道扁管內(nèi)流動和冷凝的過程中只考慮摩擦壓降，即：

式中： LC—計算單元長度，m； —制冷劑的密度，kg/m3。

單相區(qū)的壓降摩擦因子可采用傳統(tǒng)的Bladius關(guān)聯(lián)式求出：

（2）兩相區(qū)

微通道冷凝器中的制冷劑絕大部分處于兩相流狀態(tài)，兩相流的傳熱相對于單相流更為復(fù)雜。本文采用均相流模型對空冷式微通道冷凝器進行分析計算。

C-Y Yang和R L Webb推薦使用Akers[6]的冷凝換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式：

式中，Reeq為兩相區(qū)當(dāng)量雷諾數(shù)：

其中， 是制冷劑當(dāng)量質(zhì)量流率，單位為kg/（m2·s） ：

式中， —制冷劑干度；下標(biāo)liq和下標(biāo)vap分別表示制冷劑在相同壓力和溫度下的液態(tài)和氣態(tài)參數(shù)。

兩相區(qū)的制冷劑壓降則采用C-Y Yang和R L Webb推薦的摩擦因子關(guān)聯(lián)式計算：

式中， 為按單相區(qū)摩擦因子計算公式求得的制冷劑液態(tài)摩擦因子，則

1.2 空氣側(cè)換熱系數(shù)和壓降

由于多元微通道冷凝器的特殊結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的管翅式換熱器的傳熱及壓降關(guān)聯(lián)式已不再適用。針對微通道冷凝器空氣側(cè)采用的波紋式百葉窗翅片，選用Kim and Bullard[7]給出的關(guān)聯(lián)式計算空氣流過百葉窗翅片的j因子及摩擦系數(shù)f，進而計算空氣側(cè)的傳熱系數(shù)及壓力損失。

式中， 為基于百葉窗間距的雷諾數(shù)； 為扁管間距， ； 為百葉窗間距， ； 為翅片高度， ； 為百葉窗長度， ； 為翅片厚度，

； 為百葉窗角度， ； 為翅片寬度， 。

又由Kim and Bullard[7]列出的關(guān)系式：

可推導(dǎo)出如下空氣側(cè)換熱系數(shù)計算公式：

式中 為空氣密度，kg/m3； 為空氣定壓比熱容， ； 為空氣熱導(dǎo)率，單位為 。

空氣側(cè)壓力損失計算公式為：

1.3 雙排微通道冷凝器設(shè)計

在保證總換熱面積不變的情況下，改變微通道冷凝器的單層結(jié)構(gòu)，垂直于空氣流動方向上重疊布置兩片相同大小的微通道冷凝器，圖2所示為雙排和單排結(jié)構(gòu)對比，流程分布及扁管數(shù)布置情況不變，扁管長度為單片微通道冷凝器樣件1/2，每片的面積為原面積的1/2。

兩片微通道冷凝器以串聯(lián)方式聯(lián)通，前一片的空氣和制冷劑側(cè)的出口參數(shù)即為后一片冷凝器的入口參數(shù)，為簡化計算忽略兩片冷凝器連接管處的散熱，兩片雙排串聯(lián)微通道冷凝器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 數(shù)值計算

沿制冷劑流動方向，以扁管通道中心對稱軸為軸線，將冷凝器劃分為若干微元段， 以每個微元段作為一個計算單元，如圖2所示。

圖中，Gr 、Ga—制冷劑、空氣質(zhì)量流量，單位為 kg/s；

Tri、Tro—制冷劑進、出口溫度，單位為K；

hri 、hm—制冷劑進、出口焓值，單位為

kJ/kg；

Tai、Tao—空氣進、出口溫度，單位為K。

對第 j個計算單元，該單元的散熱量Qj為：

每個單元的散熱量可由效能-傳熱單元法（

法）得出。

單相區(qū)的效能 按下式計算：

兩相區(qū)的效能 可按下式計算：

式中

則散熱量

每一個計算單元的制冷劑入口參數(shù)等于上一個計算單元的制冷劑出口參數(shù)，減小由于變物性帶來的計算誤差，將每個單元的換熱量和壓力損失相加就可得到換熱器的散熱量和壓力損失。本文對一件三流程（32，18，11）多元微通道冷凝器樣件進行模擬計算，制冷劑側(cè)和空氣側(cè)的入口預(yù)設(shè)條件以及多元微通道冷凝器的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1和表2。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 流程分布

保證多元微通道冷凝器的扁管總數(shù)不變（61根）的情況下，對微通道冷凝器的流程進行重新劃分，劃分原則為盡量保證相鄰兩流程的壓降近似相等。流程數(shù)量劃分越多，在制冷劑總質(zhì)量流量不變的情況下，計算單元內(nèi)的制冷劑質(zhì)量流量就越大，傳熱系數(shù)和換熱量隨之升高，但同時也會帶來更大的壓力損失。

本節(jié)所研究流程分布按金字塔形遞減，數(shù)據(jù)如表3-1所示。

圖5和圖6分別表示了冷凝器的換熱量和壓降隨流程數(shù)的變化情況。從圖中可以看出，流程數(shù)從1增加到3的過程中，冷凝器的散熱量從15.6kW 迅速提高18.49kW，從3流程到6流程時冷凝器的散熱量從18.49kW增加到18.68kW，但是增長幅度逐漸降低；同時，隨著流程數(shù)目的增加，制冷劑側(cè)的壓降越來越大，增大幅度逐漸提高，如從1流程到3流程，制冷劑側(cè)壓降由4.2kPa增加到16.1kPa，從3流程到4流程時壓降增加到24kPa 。

總結(jié)上述分析可知，一定程度增加流程的數(shù)目可使扁管內(nèi)質(zhì)量流速相對增大，提高換熱系數(shù)，增大換熱量，對系統(tǒng)有利，過多流程數(shù)量沒有意義，對性能提高程度不大；壓降則隨流程數(shù)目增加而迅速增大。所以選擇合理的流程數(shù)目對換熱器的性能優(yōu)化有重要意義。

本例中冷凝器散熱量在3流程之后變化較小，而隨流程數(shù)增加制冷劑壓力迅速增大，所以選定3流程為樣件最優(yōu)流程分布。

3.2 雙排分布

取迎面風(fēng)速分別為2.45m/s、2.65m/s、2.85m/s、3.05m/s、3.25m/s、3.45m/s、3.65m/s，利用前文所建立仿真模型進行仿真計算，將計算結(jié)果與單片式進行對比。計算結(jié)果見圖7和圖8。

可以看出，隨著迎面風(fēng)速的增大，兩種布置形式的微通道冷凝器的換熱量都有所增加，單排式增加幅度略大且換熱量大于相同迎面風(fēng)速下的雙排冷凝器；同時制冷劑側(cè)的壓降也隨風(fēng)速的增大而增大，且雙排式布置的制冷劑測壓降明顯大于單排式。

4 結(jié)語

本文對微通道冷凝器所建立了穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型，對微通道冷凝器的結(jié)構(gòu)和布置形式進行了研究。通過對模擬計算結(jié)果的分析可知：

（1）在扁管總數(shù)和長度不變的情況下，增大流程數(shù)目對提高冷凝器的散熱量是有利的，但過多的流程數(shù)目是沒有實際意義的，同時管路壓力會隨流程數(shù)目的增多而迅速增大，模擬所用樣件的最優(yōu)流程分布為3流程。

（2）給出了雙排串聯(lián)式微通道冷凝器的結(jié)構(gòu)形式，并在不同的迎面風(fēng)速的條件下，對總換熱面積相同的雙排式和單排式微通道冷凝器進行了對比模擬，結(jié)果表明相同迎面風(fēng)速下，單排式較雙排式有更好的換熱效果，雙排式換熱量約為同換熱面積的單排式的76%，可為實際工程提供參考指導(dǎo)。