翅片管换热器最佳回路长度的仿真计算

　Ｒ22替代问题的讨论已进行了很长一段时间。到目前为止,这方面的研究工作仍然是制冷领域一个迫切而重要的问题。目前,欧美以及其他一些发达国家已经全面禁止使用Ｒ22的空调制冷设备的生产。在空调行业,Ｒ407Ｃ和Ｒ410Ａ是最有前景并已经开始初步使用的两种环保制冷剂。Ｒ407Ｃ的优点在于其热力性质和运行工况与Ｒ22系统非常接近,因此新系统的开发只需要在Ｒ22系统的基础上进行非常少量的设计改动就能完成,降低研发成本和时间。但是Ｒ407Ｃ属于非共沸混合物,温度滑移和传质阻力在一定程度上影响了节能效果和机组的稳定性。Ｒ410Ａ温度滑移很小,可以忽略不计,这是Ｒ410Ａ的优势。不过Ｒ410Ａ的热力性质与Ｒ22相差较大,因此系统需要重新设计,在开发成本和时间上不如Ｒ407Ｃ。综合各种因素比较,Ｒ410Ａ比Ｒ407Ｃ更有前途,很多空调行业的企业均已开始了Ｒ410Ａ系统的研发工作。
　　换热器的设计在整个空调系统的设计中非常重要。对于使用Ｒ410Ａ的空气源热泵,翅片管换热器需要重新设计。其中翅片管回路的设计(包括回路长度和回路的安排方式)是在耗材和成本一定的情况下,尽力提高系统能力的重要优化方法。因此笔者将针对使用Ｒ410Ａ的翅片管换热器回路最佳长度进行计算机仿真研究。
　　1　模型的建立
　　1.1　换热器结构和工况说明
　　选取的仿真对象为某个空气源热泵的室外换热器,该翅片管换热器的结构为:2排管,每排60根管,叉排排列,铝翅片为人字型波纹片,铜管为内螺纹管,外径为9.52ｍｍ,每根直管的长度为1.5ｍ,翅片间距为1.69ｍｍ,翅片厚度为0.11ｍｍ,迎面风速为2ｍ/ｓ,回路走向为制冷顺流而制热逆流。
制冷运行时,室外换热器为冷凝器,设定进风干球温度35℃,湿球温度为24℃,换热器的入口过热气体温度为80℃,冷凝温度为50℃,制冷剂质量流量为0.3ｋｇ/ｓ;制热运行时,室外换热器为冷凝器,进风干球温度为7℃,湿球温度为6℃,制冷剂入口干度为0.2,入口饱和蒸发温度为2℃,制冷剂质量流量为0.15ｋｇ/ｓ。
1.2　稳态分布参数法建模
在分布参数模型中,需要将传热管划分成若干个微元段,每个微元段的结构如图1所示。

建模时假设:①制冷剂在管内作一维轴向流动;②只考虑制冷剂与管壁和空气之间的径向换热交换,不计轴向的热传递;③冷凝器管壁热容忽略不计;④两相区,制冷剂气体和液体混合均匀;⑤制冷剂气液看作不可压缩;⑥空气和制冷剂在各点的参数和流量不随时间变化。

其中,ρ为密度(ｋｇ/ｍ3),ｕ为速度(ｍ/ｓ),Ｍ为质量流量(ｋｇ/ｓ),Ｄｉ,Ｄｏ为管的内径、外径(ｍ),ｐ为压力(Ｐａ),ｆ为摩擦系数,ｈ为焓(Ｊ/ｋｇ),ΔＬ为微元段长度(ｍ),Ｑ为热量(Ｗ),下标1,2表示控制体入口、出口。且换热方程:Ｑ=ＫｏＡｏΔＴ,其中,Ｋｏ为以外表面为基准的综合传热系数;Ａｏ为ΔＬ段外表面面积,ΔＴ为换热温差。
1.3　几个重要参数的选择
本文的主要目的是为了计算得到换热器的最佳回路长度,因此制冷剂换热系数和压降以及空气侧换热系数计算的准确性就非常重要。对于人字型波纹片的换热系数,笔者选择了Ｃ.Ｃ.ｗａｎｇ[1]总结的公式,而对于Ｒ410Ａ在内螺纹管内的换热与压降公式,选择Ｃａｖａｌｌｉｎｉ[2]总结的公式。
2　仿真结果分析
图2～图7所示为换热器作冷凝器和蒸发器运行的仿真结果。以冷凝器为例,从理论分析可以知道,每个回路的长度越长,整个换热器的回路数就越少,每个回路的制冷剂流量就越大,管内流速越高,管内换热系数就越大,从而增强整个换热器的换热能力。但管内流速越高,阻力也就越大,阻力增加会使冷凝压力下降,冷凝温度下降,从而减少空气与制冷剂之间的换热温差,反而影响换热器的换热能力。因此,存在最佳的最佳回路长度使得换热量最大。蒸发器也有相似的结论。
对于冷凝器来说,由于加速阻力和摩擦阻力方向相反,也就是说加速阻力能在一定程度上抵消摩擦阻力,因此整个冷凝器的压降不会很大;而蒸发器中,加速阻力和摩擦阻力方向相同,两者同时使压降增加,因此蒸发器的压降相对较大。对于热泵机组的换热器必须同时考虑换热器作冷凝器运行和作蒸发器运行的情况。因此根据经验一般将冷凝器的饱和温度下降1℃,蒸发器的饱和温度下降2℃为极限。另外为了防止节流机构产生闪发,冷凝器出口有一定的过冷度是必要的;同样,为防止压缩机发生湿压缩,蒸发器出口有一定的过热度也是必须的。所以在上述条件的限制下,能够找到制冷剂回路的最优长度或长度区间。
图2所示为换热器用作冷凝器时换热量随回路长度变化而变化的曲线,可以看出,换热器换热量最大时回路长度为22.5ｍ。考虑到实际设计时,由于其他条件的限制,设计长度不一定刚好控制在最佳回路长度点上,因此,笔者选择换热量最大值的95%以上的区间(图中虚线所示)是可以接受的范围,即换热器回路长度为10～36ｍ。
图3所示为冷凝器饱和温度下降随回路长度的变化,以饱和温度下降1℃为极限标准(图中虚线所示),可知回路长度应该选择在22.5ｍ以下。　　
图4所示为冷凝器过冷度随回路长度的变化,可以看出在一定的制冷剂流量的前提下,回路过长和回路过短都会产生不完全冷凝,即过冷度为零。以过冷度3℃作为标准,因此回路长度在12～30ｍ之间是可以接受的范围。
综合上面3项评价指标,可得使用Ｒ410Ａ的换热器用作冷凝器时最佳的回路长度为22.5ｍ,回路长度在12～22.5ｍ之间均是可以接受的。
图5所示为换热器用作蒸发器时换热量随回路长度变化而变化的曲线。由于仿真过程中制冷剂流量一定,因此回路长度越长,每个回路的制冷剂流速越快,蒸发过程完成越早,剩下的管子均用于过热,与实际过程有一定的差别,因而不具有太多的参考价值。
图6所示为蒸发器饱和温度下降随回路长度的变化。以饱和温度下降2℃为极限标准(图中虚线所示),可知回路长度应该选择在18ｍ以下。
图7所示为蒸发器过热度随回路长度的变化。为保证压缩机的安全运行,以过热度3℃作为最小过热度要求(图中虚线所示),因此回路长度应选择在14.5ｍ以上。
综合蒸发器的3项评价指标,可得使用Ｒ410Ａ的换热器用作蒸发器时回路长度在14.5～18ｍ之间。
综合冷凝器和蒸发器两种情况分析的结果,可见换热器的回路长度为14.5～18ｍ,能较好地平衡换热器作为冷凝器和蒸发器运行时的换热性能和稳定性。
3　结　论
Ｒ410Ａ是Ｒ22最有希望的替代方案之一,由于热力性质的差别,使用Ｒ410Ａ的空调系统和使用Ｒ22空调系统在设计上需要做较大的改动。笔者针对使用Ｒ410Ａ的空气源热泵室外换热器,通过稳态分布参数模型,对其作为冷凝器和蒸发器运行时的最佳回路长度做了初步的计算。
由结果可以看出,Ｒ410Ａ在内螺纹管内的阻力比Ｒ22要小,因此最佳回路长度也可以加长,最后得到了采用Ｒ410Ａ时,换热器的最佳回路长度范围应在14.5～18ｍ之间。