王磊

（英格索蘭亞太工程技術中心，上海 200051）

0 引言

翅片盤管換熱器是大型風冷制冷機組中常見的換熱設備，也是機組的關鍵部件之一。該換熱器的設計對機組的整體尺寸有著決定性的作用，對整機的系統(tǒng)性能也影響較大。

翅片盤管換熱器的設計參數(shù)比較多，比如流路、管型、翅片形式、翅片密度/間距、管間距、管徑等，而且很多變量之間是相互影響的。如何理解各個變量之間的耦合相關性，從而簡便可靠地優(yōu)化機組系統(tǒng)性能，是大家關心的問題。

韓廣明等[1]分析了在不同迎面風速、制冷劑質(zhì)量流量以及管內(nèi)徑尺寸下低GWP工質(zhì)換熱量和壓降的變化情況。尹斌等[2]對R134a制冷工質(zhì)在銅管內(nèi)的冷凝換熱系數(shù)以及空氣在翅片側(cè)的表面換熱系數(shù)進行了模擬比較，同時考慮了空氣流過冷凝器時壓降的變化。鄭明等[3]對于管排數(shù)，REMERO等[4]和黃浩亮等[5]對翅片密度，徐靜等[6]對流程布置，以及張智等[7-8]、孟輝等[9]和WANG等[10]對翅片形式進行了研究。趙夫峰[11]和肖皓斌[12]比較了翅片厚度的影響。劉鵬等[13]在對R410A的風冷機組研究中發(fā)現(xiàn)了最佳翅片密度的現(xiàn)象，并認為這是由于換熱系數(shù)提升的原因。熊偉等[14]研究了在析濕過程時翅片管換熱性能的表現(xiàn)。商萍君等[15]著眼于換熱器在過冷段的應用研究。這些研究主要著重于單個參數(shù)對換熱器的影響，但對于各個設計變量之間的相關性，以及它們的相關度探討比較少。陳潔璐等[16]在分析冷凝器的翅片形式對換熱影響時引入了場協(xié)同理論，指出氣流流動與溫度梯度的協(xié)同性可導致?lián)Q熱性能的提升。在實際換熱器的設計過程中，這些參數(shù)往往是同時變化的，研究參數(shù)的相關性對設計是有借鑒意義的。

本文以R134a制冷系統(tǒng)為研究對象，對翅片密度/翅片間距、盤管排數(shù)、盤管高度這些設計變量與風機的關聯(lián)度進行了解耦定性分析，并通過模擬計算，對冷凝器進行了定量比較。

圖1所示為翅片盤管換熱器參數(shù)示意圖。

圖1 翅片盤管換熱器參數(shù)示意圖

1 換熱器的設計參數(shù)相關性影響

對于換熱器的換熱量，主要的影響參數(shù)可以從基本的傳熱計算公式得知：

式中：

Q——換熱量，W；

K——傳熱系數(shù)，包括制冷劑內(nèi)側(cè)與空氣外側(cè)，W/(m2·℃) ；

F——盤管換熱面積，m2；

ΔT——管內(nèi)側(cè)制冷劑與外側(cè)空氣的換熱溫差，℃。

在設計換熱器時，當制冷量不足或希望提升系統(tǒng)能效時，通常的方法是增加管排數(shù)、盤管高度或翅片密度來增加換熱面積。但在實際應用時我們發(fā)現(xiàn)沒有達到預期效果。因為當換熱面積改變時，傳熱系數(shù)以及換熱溫差也在同步變化。

與空氣側(cè)相關的換熱公式為：

式中：

m——空氣質(zhì)量流量，kg；

Cp——空氣等壓比熱，W/(kg·℃) ；

Δt——空氣進出口溫差，℃。

空氣流量m和空氣溫升Δt是相互影響的，從而會改變ΔT。

1.1 盤管管排數(shù)相關性

當盤管管排數(shù)增加時，對空氣側(cè)流動換熱影響的相關性如下。

1）正向影響

整個翅片的寬度增加，盤管換熱面積F成正比例增加。

2）反向影響

由于空氣穿越翅片的流動距離增加，從而空氣側(cè)壓降增加，當同一風機工作時輸送的空氣流量m降低。由于流量的減少，在同樣的流通面積下，流速降低，傳熱系數(shù)K變??；此外，流量降低后，空氣溫差Δt增加，使得制冷劑側(cè)與空氣側(cè)溫差ΔT變小。

1.2 翅片密度相關性

當盤管翅片密度增加時，影響相關性分析如下。

1）正向影響

翅片數(shù)增加，盤管換熱面積增加。

2）反向影響

翅片密度增加導致空氣的流通面積變小，空氣壓降增加，使風機輸送的空氣流量m變小。與1.1分析相同，空氣溫差增加，制冷劑側(cè)與空氣側(cè)溫差變小。

3）不確定影響

空氣流量與翅片流道的流通面積是同時發(fā)生變化的，因此空氣流速的變化取決于此兩者的變化速率。當流量下降速率低于流通面積變化時，空氣流速有所上升, 換熱系數(shù)變大；當流量下降速率高于流通面積變化時，流速下降，換熱系數(shù)變大。

1.3 盤管高度相關性

當盤管高度增加時，其影響相關性分析如下。

1）正向影響：整個翅片的高度增加，盤管換熱面積成正比例增加。

2）反向影響：在風機不變時，空氣的流通面積變大，導致壓降變小，空氣的流量變大。由式2可知，整體流量增加使得空氣側(cè)進出口溫差變小，從而制冷劑側(cè)與空氣側(cè)溫差變大。

3）不確定影響：流通面積增加，空氣流速的變化取決于流量的上升速率。由于流速變化不確定，故換熱系數(shù)變化方向不確定。

表1總結(jié)了在這3類參數(shù)變化時換熱面積、傳熱系數(shù)以及傳熱溫差變化的方向。由于這些因素之間的相互影響，故單純加大換熱器面積的方法不能確認換熱量的變化量。

為了定量地分析其參數(shù)變化的相關性，本文以一臺制冷量為100冷噸的螺桿壓縮機制冷機組為設計目標，進行了模擬計算，其參數(shù)為強化內(nèi)螺紋管，管間距25.4 mm，管徑9.52 mm，波紋翅片。

表1 設計參數(shù)相關性定性分析

2 盤管管排數(shù)的變化

圖2所示對100冷噸冷量的機組分別采用2、3和4排盤管時，在達到同樣的換熱量時所需的盤管長度（假設機組的盤管高度和翅片密度不變）以及機組的盤管換熱面積變化。所有對比都以3排管為基準。

圖2 不同管排數(shù)下所需盤管長度與面積

2排管的換熱面積最小，僅為3排管的80.7%，但機組長度增加了21%。4排管有效地減少了機組長度14.4%，但總盤管換熱面積需求增加了13.9%。從這個數(shù)據(jù)我們可以看到如果風機配備相同，2排管的換熱性能優(yōu)于3排管性能，并且大大優(yōu)于4排管性能。

圖3為在2、3、4排盤管時冷凝器的風量與壓力匹配的工作點。虛線為風機運行曲線，實線為在不同的管排數(shù)情況下盤管阻力曲線?？諝饬鬟^盤管的阻力不同從而使風機的運行點發(fā)生變化，2、3、4排管的空氣流量分別為15,100 m3/h、13,300 m3/h和11,900 m3/h，分別降低了約13%和12%。

假設2、3、4排管的盤管面積與管排數(shù)為比例關系，可推算出傳熱系數(shù)與傳熱溫差乘積的變化量如表2所示。

隨著管排數(shù)，即傳熱面積的顯著增加，換熱系數(shù)與溫差的乘積K·ΔT在不斷下降，換熱效果有所弱化，但整體的換熱量還是在上升。

圖3 風機與不同管排數(shù)下的工作曲線

表2 盤管管排數(shù)定量影響

3 翅片密度的變化

圖4～圖6是在機組相同制冷量下，隨著翅片密度的變化，所需盤管的長度、空氣側(cè)壓降、空氣迎面風速的關系。翅片密度變化范圍為(11～20)片/25.4 mm。

圖4所示，隨著翅片密度的增加，翅片間距減小，單位長度內(nèi)換熱面積相應增加。在同樣的制冷量要求下，盤管長度可相應降低。翅片密度從11片/25.4 mm增加到15片/25.4 mm時，盤管長度變化較大，減少了約15%。從15片/25.4 mm增加到18片/25.4 mm時，盤管長度變化較小，不到5%。當翅片密度超過18片/25.4 mm，對盤管長度的變化影響已非常有限；也就是說在翅片密度較低時，增大換熱面積有助于換熱量的上升。但在達到一定量以后，繼續(xù)加大翅片數(shù)來提高換熱面積，對換熱量的提升沒有幫助。這個現(xiàn)象可以由風量和迎面風速的影響來分析。

圖4 盤管長度與翅片密度的關系

圖5為通過盤管的空氣壓降與翅片密度的關系。隨著翅片密度增加，空氣壓降迅速上升，從而使風機風量減少?？諝饬髁康慕档蛯е聠挝幻娣e換熱量降低，這一原因解釋了翅片密度過高是不合適的。但這里未能說明為什么在翅片密度較低的時候，提高翅片密度能有效地增加換熱，因為這時整個風量也是在衰減的。這就需要用迎面風速的變化進行分析。

圖6所示為通過盤管的空氣迎面風速與翅片密度的關系?？諝庥骘L速是空氣量與流通面積的比值。當翅片密度較低時，翅片間距大，即空氣的流通面積較大。即使是在較大的空氣流量情況下，迎面風速還是不夠理想。當翅片密度增大到約15片/25.4 mm，截面面積與空氣流量之間有一個比較好的匹配關系，使得迎面風速處于較優(yōu)的狀態(tài)，即有理想的換熱系數(shù)來增強換熱。但翅片密度過大時，由于風量的衰減，迎面風速再次降低。對于不同的翅片類型，最佳的迎面風速點是不同的，與翅片的阻力系數(shù)相關。

隨著翅片密度的變化，換熱量將出現(xiàn)先上升、后不變的現(xiàn)象。在實際設計時應在考慮翅片類型的情況下，選擇合理的翅片密度。

圖5 空氣壓降與翅片密度的關系

圖6 迎面風速與翅片密度的關系

4 盤管高度分析

在設計風冷機組時，由于機組外形的不同，盤管的高度是不一樣的。如果在滿足了安裝與運輸規(guī)范的前提下，對于同樣換熱面積的要求，機組高度越高則占地面積越小，是比較受歡迎的選擇方案。從表1的分析可知，這時換熱面積與換熱溫差都是會上升的，但傳熱系數(shù)處于不確定的情況。實際這時的傳熱系數(shù)變化量是非常大的，不但是由于原先定性分析中談到的風量影響，還由于迎風面風速不同的緣故。尤其當機組高度過高時，由于空氣流場的不均勻性，會發(fā)生盤管底部流動與換熱性能惡化的現(xiàn)象。王敬歡等[17]比較了不同高度的換熱器，指出高換熱器的風量損失與不均勻最大。MAO等[18]和王強等[19]也都指出了不均勻空氣流場的影響。圖7為針對某一盤管所做的流動分析，沿機組高度垂直方向的空氣流場分布和流速變化情況。軸流風機是安裝在頂部的，受風機吸風場影響，離吸口位置越近，風速越高。離吸口越遠，風機的吸入速率下降非?？?，最遠端盤管流過的空氣流量非常有限。在圖中，最高與最低處的風速差別超過50%。這樣底部的換熱量會大大降低，不能達到設計要求。受換熱器結(jié)構(gòu)設計的影響，以及風機特性的不同，吸風場的空氣流場分布圖會有區(qū)別，但底部的換熱衰減是一定會發(fā)生的，只是衰減的幅度大小不同。

隨著盤管高度的增加，換熱量將出現(xiàn)換熱器上部換熱加強、下部換熱弱化的現(xiàn)象。整體的換熱量變化與風機和機組的匹配相關。

圖7 盤管高度與吸風場流場關

5 結(jié)論

對常見的翅片盤管換熱器設計參數(shù)進行分析后可以發(fā)現(xiàn)，換熱器的性能與風機、結(jié)構(gòu)密切相關。在進行換熱器設計時，關注較多的是換熱器本身，如管內(nèi)和管外的傳熱系數(shù)，以及換熱面積。但對于翅片盤管換熱器，由于主要的傳熱熱阻在空氣側(cè)，風量、風壓及風速的變化對換熱的影響較大。故在實際設計應用過程中，必須基于系統(tǒng)的觀點來進行此換熱器的設計。

換熱器的盤管排數(shù)、翅片密度、盤管高度的增加能提高換熱量，但不會與換熱面積的變化成比例增加，因為傳熱系數(shù)與傳熱溫差的變化方向是不一致或不確定的。

換熱器換熱面積的變化與風機輸送的空氣流量變化是一對相反的作用因子。因此，在考慮改變換熱面積時，同樣需考慮風機風量以及流場的影響。

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