窗式空调器平行流冷凝器流程
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# 98 # 设备开发
暖通空调 HV&AC 2010 年第 40 卷第 12期
窗式空调器平行流冷凝器流程和 * 扁管的优化分析
华中科技大学
摘要
鲁红亮 m
陈焕新v 金听祥
舒朝晖
广东志高空调有限公司
选择百叶窗肋片及小通道内流体传热流动的经验关联式 , 采用效能 - 传热单元数法
建立了平行流冷凝器的稳态仿真模型。 对不同流程数和扁管数方案的冷凝热和制冷剂压降进 行了模拟分析 , 得出了扁管总数为 39 时的优化方案。 关键词 流程数 扁管数 平行流冷凝器 窗式空调
m 鲁红亮 , 男 , 1980 年 7 月生 , 博士研究生 v 430074 武汉市华中科技大学能源与动力工程学院 ( 0) 13072773246 E - mail: chen huanxin@ t sing hua. org. cn 收稿日期 : 2010 - 03 - 02 修回日期 : 2010 - 05 - 26
f = 0. 435Re eq
0. 12
fl
( 4)
窗角度、 肋片间距、 百叶窗间距、 肋片高度、 百叶窗 长度、 肋片长度和肋片厚度。 1. 2 制冷剂与小通道管壁的流动换热 两相制冷剂 : 1 0. 8 h r D h, r = 0. 026 5Re eq Pr 3 Nu = K r 0. 021 4( Re Nu R = 0. 012( Re
A a , A r , h a , h r , Ga 分别为扁管外表面积、 内表
f =
0 . 079 Re
2 500 < Re [ 20 000 Re > 20 000
面积、 空气侧传热系数、 制冷剂侧传热系数、 肋片总 效率。 2 结构参数和计算工况 平行流冷凝 器的主 要结 构参数 为: 扁管 575 mm @ 2 mm @ 16 mm ( 长 @ 宽 @ 高 ) , 由 10 个 1 mm @ 1. 25 mm 矩形通道构成的扁管, 肋片侧参数 见表 1 。计算工况参照 GB/ T 7725 ) 20045房间空 气调节 器 6 取 值: 制 冷剂 入 口压 力、 温 度分 别 为 2. 23 M Pa, 88. 06 e , 冷凝器入口空气温度和流量 分别为 35. 01 e 和 1 474 m 3 / h 。 制冷剂使用 R22, 制冷剂总质量流量为 0. 041 74 kg / s。
- 0. 194 4
设备开发
# 99 #
过冷模块的衔接, 则采用制冷剂干度小于 0. 01 为 判别条件。 1. 1 空气与百叶窗肋片的流动换热 Dong Junqi[ 4- 5] 的百叶窗肋片关联式为 Tp Lp
- 1. 904 5
H 90
0. 257
Fp Lp
0. 444
- 0. 517 7
Ll Lp
Abstract Establishes a steady simulat io n model of the condenser by e mpir ica l cor r ela tio n of flow and he at tr ansf er per fo r mance o f lo uver f in and f luid in m ini cha nne l tube and E - N T U metho d. P erf or ms the sim ulatio n and analy sis o f co ndensing hea t and ref r ige rant pr essure dr o p fo r the scheme s w ith dif fe rent number of pa sses and tube s and obtains the o ptima l schem e fo r the to tal tube number o f 39. Keywords pa ss number, plat tube number , par allel f lo w type co ndense r, w indow type air condit io ne r
式中各量解释详见文献[ 8] 。 式
[ 10]
算关联式为[ 9- 10] K = 式中 ( 6) 1 Aa A aD f + + 1 hr A r K f ha G a ( 9)
单相 区 摩 擦因 子 采 用 传 统 的 Blasius 关 联 : 16 Re 0 < Re [ 2 500
- 0. 25
七 八
使冷凝器的加工工艺复杂化, 因此如何合理确定流 程数是平行流冷凝器 结构设计的一 个重要问题。 保持扁管总数 39 不变, 平行流冷凝器分别采用单 流程、 双流程、 三流程、 四流程、 五流程、 六流程、 七 流程和八流程的规划 ( 见表 2) , 多流程设计采用从 流程 1 起扁管数呈金字塔形分布的形式 , 在相同工 况条件下进行模拟。
1. 715 9
Fd Lp
- 0. 214 7
D Lp
- 0. 05
( 1) ( 2)
0. 306 8 f = 0. 544 86ReLp
H 90
Fp Lp
- 0. 992 5
Tp Lp
0. 545 8
Ll Lp
- 0. 200 3
Fd Lp
0. 068 8
式( 1) , ( 2) 中
H , F p , L p , T p , L l , F d , D 分别为百叶 式中
表 1 百叶窗肋片几何参数
肋片长度 Fd / m m 24
3 流程数对平行流冷凝器的影响 一般认为, 多流程设计相对于单流程 , 能使换
热器流通面积的变化与制冷剂物态相应比体积、 热 容的变化相匹配
[ 11]
, 充分利用换热面积 , 但同时也
# 100 # 设备开发
暖通空调 HV&AC 2010 年第 40 卷第 12期 况不同 , 8 个方案的制冷剂压降十分悬殊 , 随着流 程的增加 , 制冷 剂压降 整体 而言 是逐 渐增加 的 , 其中, 单流程制冷剂压降最小 , 为 187. 5 Pa, 八流 程则最大 , 为 55 432 Pa, 是前者的近 300 倍 , 该压 降导致制冷剂的冷凝温降 超过 1 e , 而后者相应 的冷凝热 并没 有提高。需 要特 别说 明的 是单流 程冷凝器的模拟结 果表明, 出口的 制冷剂状态仍 然为两相 , 干度为 0. 106 9, 其他多流程冷凝器的
¹
。 Park 等人则使用了第 1 至
第 3 流程分别为 44, 19, 11 的微通道冷凝器, 相应 的空调系统制冷量和 COP 均比采用传统肋片式冷 凝器的系统高[ 3] 。本文采用数学模型分析 , 比较了
* 广东省教育部产学研结合项目 ( 编号 : 2007A 090302115) , 粤 港关键领域重点突破项 目 ( 佛山 专项 ) ( 编号 : 2007Z41) , 华中 科技 大学能源与动力工程学院科学研究基金 ( 编号 : N K 200706)
9 9 9 7 7 6
4 4 5 5 5
由图 3, 4 可知 , 每一种形式的冷凝器中, 从流
2 4 5 5 3 3 4 3 4
程 1 起各个流程的冷凝热均呈阶梯状减小 ; 就单位 面积的冷凝热而言 , 单流程是最低的 , 仅为 5 184
2
不同流程数的冷凝器冷凝热量和制冷剂压降 见图 1, 2, 由图可以看出, 同样 39 根扁管, 随着平 行流冷 凝器 流 程数 的 增 加, 冷 凝热 呈 波 浪式 增 加, 先由单流程的 5 846 W 逐渐增加到三流程的 7 607 W, 四流程则小幅降至 7 469 W, 然后逐渐 增加到最大值即六流程的 7 632 W, 经过 七流程 的小幅降低后又开始变大 , 八流程的 冷凝热达到 了 7 618 W, 可见 , 不同流程数的冷凝器在相同工 况条件下的 冷凝 热相差 很小 , 尤 其是 三、 六、 七、 八流程非常接近。另外 , 与冷凝热比 较接近的情
[ 2] [ 1]
流程数、 扁管数在不同的排列组合时对换热器性能 的影响, 得到了相应的优化值。 1 数学模型 根据有限体积法原理将冷凝器每一流程中的 每一根扁管沿制冷剂流动方向分为 30 个控制体 , 每一个控制体根据已知的入口参数通过逐次逼近 法求解出口参数。制冷剂的相态不同 , 其换热和压 降的关联式就不同, 空气侧的则基本不变, 因此冷 凝器模拟计算按照制冷剂的状态区分 , 包括过热气 体、 气液两相和过冷液体三种模块 , 已知每一模块 制冷剂侧和空气侧的入口参数, 需要假设空气侧流 体的出口温度 , 根据能量守恒定律得出制冷剂侧出 口温度, 然后经由两侧的表面传热系数求出 K 值 ,
表2
一 39 22 17 15 13 11 9 7
不同流程数的冷凝器规划方案
二 17 13 11 11 9 7 6 三 流程 四 五 六
制冷剂出 口时 均达到 了过 冷状 态。 综合 以上分 析可知 , 冷凝器 的流程 数并 非越 多越 好, 以六流 程、 三流程为宜。
单流程 双流程 三流程 四流程 五流程 六流程 七流程 八流程
暖通空调 HV&AC 2010 年第 40 卷第 12 期 使用效能 - 传热单元数法求得换热量和出口参数 , 并进行迭代求解。对于过热模块与两相模块的衔 接, 采用制冷剂温度与该状态压力对应的饱和温度 之差小于 0. 01 e 为判别条件 ; 而对于两相模块与 j = 0. 267 12Re Lp
0. 87 R 0. 8 R [6 - 7]
R eeq 为两相区当量雷诺数 ; G eq为当量质量流 对于单相区制 冷剂的对流换热 , Park 等 人[ 3]
量; f l 为对应的液相摩擦因子。 使用了 Gnielinski 公式
[ 8]
, 式 ( 5) 为过热 区和过冷
( 3) d l
2 3 2 3
( mc p ) min 0. 78 NT U - 1 ( mc p ) m ax
相变换热: E= 1 - ex p (- NT U)
( 8)
冷凝器以管子外表面为基准的总传热系数计
百叶窗间距 L p/ m m 2. 0 百叶窗角度 H / ( b) 27 肋片间距 F p / mm 1. 4 肋片厚度 D/ mm 0. 1
n Huazhong Universit y of S cience & Technology, Wuhan, China
¹
冷凝器主要靠相变换热, 但其中过热气体、 气 液两相和过冷液体均存在 , 而各种物态下的换热系 数、 换热量均不相同, 平行流冷凝器通常由多个流 程构成, 每一流程内的扁管并列连接在集管上。如 何根据物态变化来规划整个冷凝器的流程数及每 一流程的扁管数, 以充分利用有效换热面积 , 使制 冷剂的流动换热达到高效、 低压降是优化平行流冷 凝器的一条重要途径。 Chung 等人使用 AL M 方 法得到了第 1 至第 4 流程分别为 9, 8, 5, 5 的最优 扁管数组合 。 Bullard 等人建造了第 1 至第 3 流 程分别为 38, 24, 9 的微通道冷凝器 , 相应的空调系 统能耗降低了 25 %
Optimi zation on pass design and plat tube arrangement of paral lel fl ow type condensers for window type air conditioners
By Lu Hongliang n , Chen Huanxin, Shu Zhaohui and Jin Tingxiang
区制冷剂对流换热关wenku.baidu.com式: TR TW
0. 45
- 100) Pr
0. 4 R
g 1+
0. 6 < Pr < 1. 5, 0. 5 < Pr R/ Pr W < 1, 2 300 < Re R < 106 ( 5)
- 280) Pr
0. 4 R
1+
d l
Pr R Pr W
0. 45
1. 5 < Pr < 500, 0. 05 < Pr R / Pr W < 1. 5, 2 300 < ReR < 106
扁管厚度 T d/ m m 0. 3 进口区长度 S 1 / mm 1. 0 转向区长度 S 2 / mm 2. 0 肋片高度 T p / mm 8. 15
0 . 46Re 1. 3 效能计算公式
- 0. 2
单相换热( 两侧流体均不混合的交叉流) [ 9] : E= 1 - exp ex p ( mc p ) max 0. 22 NT U # ( mc p ) m in ( 7)
暖通空调 HV&AC 2010 年第 40 卷第 12期
窗式空调器平行流冷凝器流程和 * 扁管的优化分析
华中科技大学
摘要
鲁红亮 m
陈焕新v 金听祥
舒朝晖
广东志高空调有限公司
选择百叶窗肋片及小通道内流体传热流动的经验关联式 , 采用效能 - 传热单元数法
建立了平行流冷凝器的稳态仿真模型。 对不同流程数和扁管数方案的冷凝热和制冷剂压降进 行了模拟分析 , 得出了扁管总数为 39 时的优化方案。 关键词 流程数 扁管数 平行流冷凝器 窗式空调
m 鲁红亮 , 男 , 1980 年 7 月生 , 博士研究生 v 430074 武汉市华中科技大学能源与动力工程学院 ( 0) 13072773246 E - mail: chen huanxin@ t sing hua. org. cn 收稿日期 : 2010 - 03 - 02 修回日期 : 2010 - 05 - 26
f = 0. 435Re eq
0. 12
fl
( 4)
窗角度、 肋片间距、 百叶窗间距、 肋片高度、 百叶窗 长度、 肋片长度和肋片厚度。 1. 2 制冷剂与小通道管壁的流动换热 两相制冷剂 : 1 0. 8 h r D h, r = 0. 026 5Re eq Pr 3 Nu = K r 0. 021 4( Re Nu R = 0. 012( Re
A a , A r , h a , h r , Ga 分别为扁管外表面积、 内表
f =
0 . 079 Re
2 500 < Re [ 20 000 Re > 20 000
面积、 空气侧传热系数、 制冷剂侧传热系数、 肋片总 效率。 2 结构参数和计算工况 平行流冷凝 器的主 要结 构参数 为: 扁管 575 mm @ 2 mm @ 16 mm ( 长 @ 宽 @ 高 ) , 由 10 个 1 mm @ 1. 25 mm 矩形通道构成的扁管, 肋片侧参数 见表 1 。计算工况参照 GB/ T 7725 ) 20045房间空 气调节 器 6 取 值: 制 冷剂 入 口压 力、 温 度分 别 为 2. 23 M Pa, 88. 06 e , 冷凝器入口空气温度和流量 分别为 35. 01 e 和 1 474 m 3 / h 。 制冷剂使用 R22, 制冷剂总质量流量为 0. 041 74 kg / s。
- 0. 194 4
设备开发
# 99 #
过冷模块的衔接, 则采用制冷剂干度小于 0. 01 为 判别条件。 1. 1 空气与百叶窗肋片的流动换热 Dong Junqi[ 4- 5] 的百叶窗肋片关联式为 Tp Lp
- 1. 904 5
H 90
0. 257
Fp Lp
0. 444
- 0. 517 7
Ll Lp
Abstract Establishes a steady simulat io n model of the condenser by e mpir ica l cor r ela tio n of flow and he at tr ansf er per fo r mance o f lo uver f in and f luid in m ini cha nne l tube and E - N T U metho d. P erf or ms the sim ulatio n and analy sis o f co ndensing hea t and ref r ige rant pr essure dr o p fo r the scheme s w ith dif fe rent number of pa sses and tube s and obtains the o ptima l schem e fo r the to tal tube number o f 39. Keywords pa ss number, plat tube number , par allel f lo w type co ndense r, w indow type air condit io ne r
式中各量解释详见文献[ 8] 。 式
[ 10]
算关联式为[ 9- 10] K = 式中 ( 6) 1 Aa A aD f + + 1 hr A r K f ha G a ( 9)
单相 区 摩 擦因 子 采 用 传 统 的 Blasius 关 联 : 16 Re 0 < Re [ 2 500
- 0. 25
七 八
使冷凝器的加工工艺复杂化, 因此如何合理确定流 程数是平行流冷凝器 结构设计的一 个重要问题。 保持扁管总数 39 不变, 平行流冷凝器分别采用单 流程、 双流程、 三流程、 四流程、 五流程、 六流程、 七 流程和八流程的规划 ( 见表 2) , 多流程设计采用从 流程 1 起扁管数呈金字塔形分布的形式 , 在相同工 况条件下进行模拟。
1. 715 9
Fd Lp
- 0. 214 7
D Lp
- 0. 05
( 1) ( 2)
0. 306 8 f = 0. 544 86ReLp
H 90
Fp Lp
- 0. 992 5
Tp Lp
0. 545 8
Ll Lp
- 0. 200 3
Fd Lp
0. 068 8
式( 1) , ( 2) 中
H , F p , L p , T p , L l , F d , D 分别为百叶 式中
表 1 百叶窗肋片几何参数
肋片长度 Fd / m m 24
3 流程数对平行流冷凝器的影响 一般认为, 多流程设计相对于单流程 , 能使换
热器流通面积的变化与制冷剂物态相应比体积、 热 容的变化相匹配
[ 11]
, 充分利用换热面积 , 但同时也
# 100 # 设备开发
暖通空调 HV&AC 2010 年第 40 卷第 12期 况不同 , 8 个方案的制冷剂压降十分悬殊 , 随着流 程的增加 , 制冷 剂压降 整体 而言 是逐 渐增加 的 , 其中, 单流程制冷剂压降最小 , 为 187. 5 Pa, 八流 程则最大 , 为 55 432 Pa, 是前者的近 300 倍 , 该压 降导致制冷剂的冷凝温降 超过 1 e , 而后者相应 的冷凝热 并没 有提高。需 要特 别说 明的 是单流 程冷凝器的模拟结 果表明, 出口的 制冷剂状态仍 然为两相 , 干度为 0. 106 9, 其他多流程冷凝器的
¹
。 Park 等人则使用了第 1 至
第 3 流程分别为 44, 19, 11 的微通道冷凝器, 相应 的空调系统制冷量和 COP 均比采用传统肋片式冷 凝器的系统高[ 3] 。本文采用数学模型分析 , 比较了
* 广东省教育部产学研结合项目 ( 编号 : 2007A 090302115) , 粤 港关键领域重点突破项 目 ( 佛山 专项 ) ( 编号 : 2007Z41) , 华中 科技 大学能源与动力工程学院科学研究基金 ( 编号 : N K 200706)
9 9 9 7 7 6
4 4 5 5 5
由图 3, 4 可知 , 每一种形式的冷凝器中, 从流
2 4 5 5 3 3 4 3 4
程 1 起各个流程的冷凝热均呈阶梯状减小 ; 就单位 面积的冷凝热而言 , 单流程是最低的 , 仅为 5 184
2
不同流程数的冷凝器冷凝热量和制冷剂压降 见图 1, 2, 由图可以看出, 同样 39 根扁管, 随着平 行流冷 凝器 流 程数 的 增 加, 冷 凝热 呈 波 浪式 增 加, 先由单流程的 5 846 W 逐渐增加到三流程的 7 607 W, 四流程则小幅降至 7 469 W, 然后逐渐 增加到最大值即六流程的 7 632 W, 经过 七流程 的小幅降低后又开始变大 , 八流程的 冷凝热达到 了 7 618 W, 可见 , 不同流程数的冷凝器在相同工 况条件下的 冷凝 热相差 很小 , 尤 其是 三、 六、 七、 八流程非常接近。另外 , 与冷凝热比 较接近的情
[ 2] [ 1]
流程数、 扁管数在不同的排列组合时对换热器性能 的影响, 得到了相应的优化值。 1 数学模型 根据有限体积法原理将冷凝器每一流程中的 每一根扁管沿制冷剂流动方向分为 30 个控制体 , 每一个控制体根据已知的入口参数通过逐次逼近 法求解出口参数。制冷剂的相态不同 , 其换热和压 降的关联式就不同, 空气侧的则基本不变, 因此冷 凝器模拟计算按照制冷剂的状态区分 , 包括过热气 体、 气液两相和过冷液体三种模块 , 已知每一模块 制冷剂侧和空气侧的入口参数, 需要假设空气侧流 体的出口温度 , 根据能量守恒定律得出制冷剂侧出 口温度, 然后经由两侧的表面传热系数求出 K 值 ,
表2
一 39 22 17 15 13 11 9 7
不同流程数的冷凝器规划方案
二 17 13 11 11 9 7 6 三 流程 四 五 六
制冷剂出 口时 均达到 了过 冷状 态。 综合 以上分 析可知 , 冷凝器 的流程 数并 非越 多越 好, 以六流 程、 三流程为宜。
单流程 双流程 三流程 四流程 五流程 六流程 七流程 八流程
暖通空调 HV&AC 2010 年第 40 卷第 12 期 使用效能 - 传热单元数法求得换热量和出口参数 , 并进行迭代求解。对于过热模块与两相模块的衔 接, 采用制冷剂温度与该状态压力对应的饱和温度 之差小于 0. 01 e 为判别条件 ; 而对于两相模块与 j = 0. 267 12Re Lp
0. 87 R 0. 8 R [6 - 7]
R eeq 为两相区当量雷诺数 ; G eq为当量质量流 对于单相区制 冷剂的对流换热 , Park 等 人[ 3]
量; f l 为对应的液相摩擦因子。 使用了 Gnielinski 公式
[ 8]
, 式 ( 5) 为过热 区和过冷
( 3) d l
2 3 2 3
( mc p ) min 0. 78 NT U - 1 ( mc p ) m ax
相变换热: E= 1 - ex p (- NT U)
( 8)
冷凝器以管子外表面为基准的总传热系数计
百叶窗间距 L p/ m m 2. 0 百叶窗角度 H / ( b) 27 肋片间距 F p / mm 1. 4 肋片厚度 D/ mm 0. 1
n Huazhong Universit y of S cience & Technology, Wuhan, China
¹
冷凝器主要靠相变换热, 但其中过热气体、 气 液两相和过冷液体均存在 , 而各种物态下的换热系 数、 换热量均不相同, 平行流冷凝器通常由多个流 程构成, 每一流程内的扁管并列连接在集管上。如 何根据物态变化来规划整个冷凝器的流程数及每 一流程的扁管数, 以充分利用有效换热面积 , 使制 冷剂的流动换热达到高效、 低压降是优化平行流冷 凝器的一条重要途径。 Chung 等人使用 AL M 方 法得到了第 1 至第 4 流程分别为 9, 8, 5, 5 的最优 扁管数组合 。 Bullard 等人建造了第 1 至第 3 流 程分别为 38, 24, 9 的微通道冷凝器 , 相应的空调系 统能耗降低了 25 %
Optimi zation on pass design and plat tube arrangement of paral lel fl ow type condensers for window type air conditioners
By Lu Hongliang n , Chen Huanxin, Shu Zhaohui and Jin Tingxiang
区制冷剂对流换热关wenku.baidu.com式: TR TW
0. 45
- 100) Pr
0. 4 R
g 1+
0. 6 < Pr < 1. 5, 0. 5 < Pr R/ Pr W < 1, 2 300 < Re R < 106 ( 5)
- 280) Pr
0. 4 R
1+
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Pr R Pr W
0. 45
1. 5 < Pr < 500, 0. 05 < Pr R / Pr W < 1. 5, 2 300 < ReR < 106
扁管厚度 T d/ m m 0. 3 进口区长度 S 1 / mm 1. 0 转向区长度 S 2 / mm 2. 0 肋片高度 T p / mm 8. 15
0 . 46Re 1. 3 效能计算公式
- 0. 2
单相换热( 两侧流体均不混合的交叉流) [ 9] : E= 1 - exp ex p ( mc p ) max 0. 22 NT U # ( mc p ) m in ( 7)