臧潤清，周會芳，張晨旭

（天津市制冷技術(shù)重點實驗室，天津商業(yè)大學，冷凍冷藏技術(shù)教育部工程研究中心，天津市制冷技術(shù)工程中心， 天津 300134）

0 引言

對于風冷式冷凝器，空氣側(cè)熱阻是制冷劑熱阻的成百上千倍，所以大多數(shù)的研究方向主要集中在空氣側(cè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化與管內(nèi)制冷劑流動換熱特性來提高換熱器的性能，但是流程布置對換熱器換熱性能也有很大影響，對于不同流程布置傳熱溫差［1］、制冷劑的性能［2］、管路分合［3］、逆向?qū)幔?］、重力效應(yīng)［5］均會對換熱效率有不同的影響，其中管路分合通過改變制冷劑流向、分布位置進而改變換熱性能，因此為了獲得更大的換熱效率，研究不同流程布置的風冷式冷凝器的送風條件對換熱性能的影響是非常必要的。

Joppolo 等［6］通過模擬對11 排管換熱器8 種流程進行了分析，結(jié)果表明改變流程布置可以在相同的制冷劑側(cè)壓降下提高冷凝器傳熱速率，降低充注量；張東輝等［7］針對5 種雙排管冷凝器流程布置對其幾何結(jié)構(gòu)布置和制冷劑流路合并點位置進行了研究，發(fā)現(xiàn)高制冷劑流量相對于低制冷劑流量流程布置對換熱性能影響較大。另外，空調(diào)熱泵用的小管排數(shù)［8］的風冷式冷凝器［9］已經(jīng)有了一定的研究成果，但對于冷凍冷藏的大型風冷式冷凝器流程布置的設(shè)計原則和優(yōu)化效果研究較少，所以研究不同流程布置的大型風冷式冷凝器具有重要的意義［10-13］。

為了更好地研究送風條件對換熱性能的影響，本文主要研究4 種不同流程布置的風冷式換熱器，設(shè)定制冷劑流量不變，通過大量試驗分析不同流程布置的換熱器中迎面風速、迎風溫度對換熱器性能參數(shù)的影響。

1 風冷式冷凝器性能測試系統(tǒng)

風冷式冷凝器性能測試的系統(tǒng)分為空氣處理系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。如圖1 所示，空氣處理系統(tǒng)使用閉式風洞，為測試冷凝器提供所需環(huán)境條件。閉式風洞分為4 部分，分別是空氣測量段、空氣處理段、被測冷凝器段和風機段?？諝鉁y量段包括整流器和空氣渦街流量計；空氣處理段包括冷水機組和風道電加熱器；被測冷凝器段包括整流器、被測冷凝器和制冷機組，冷凝器迎風面布置了溫度測點；風機段包括兩臺離心風機。

圖1 風冷式冷凝器空氣處理系統(tǒng)

圖2是圖1 中制冷系統(tǒng)的示意。為監(jiān)測系統(tǒng)運行，溫度測量與壓力測量位置在圖2 中均有標注，冷凝器溫度測點分布為從每條流路制冷劑進口開始，每隔4 根換熱管就布置一個溫度測點，即每條流路各有7 個溫度測點。另外還需進行風量測量和制冷劑流量測量。4 種不同的流程布置如圖3 所示。

圖2 制冷系統(tǒng)示意

圖3 4 種不同的流程布置

4 種流程布置對應(yīng)的合流點個數(shù)不同，4 種 流程布置合流點次數(shù)分別為0，1，2，3，而且所具有的合流點位置與其之前所具有的合流點位置 相同。

2 試驗裝置及試驗過程

2.1 試驗裝置

試驗所用閉式風洞風道全長24 m，調(diào)節(jié)空氣進口溫度的風道電加熱器最大加熱功率為6 kW，迎風面積為1 m2；用于冷卻空氣的冷水機組的最大水流量為500 L/min，最大制冷量為52.8 kW。2臺離心風機型號為DT-No12”-（1）-1.5 kW 和DT-No9”-（1）-1.1 kW，制冷系統(tǒng)使用R404A制冷劑作為制冷工質(zhì)。保溫體規(guī)格為3 m×2 m ×2.8 m，是由厚度為100 mm 的彩鋼夾芯聚氨酯組成的裝配式冷庫，保溫體內(nèi)的電加熱器最大加熱功率為30 kW。制冷機組是三并聯(lián)制冷機組，蒸發(fā)器為DJ-200 吊頂式冷風機。機組所用3 臺壓縮機均為2FES-3Y-40S 型活塞壓縮機，1 臺定頻，2 臺變頻。

2.2 試驗過程

試驗分別測試不同迎面風速和不同迎風溫度對風冷式冷凝器性能的影響。迎面風速的變化可以通過風機的開停來實現(xiàn)，迎風溫度的變化可以通過風洞電加熱器和冷水機組的配合來實現(xiàn)，過程中需要調(diào)節(jié)庫溫來匹配合適的蒸發(fā)溫度來保證單一變量。

2 種參數(shù)的變化對風冷式冷凝器性能影響的試驗步驟統(tǒng)一表示如下：

（1）打開試驗系統(tǒng)，穩(wěn)定工況；（2）改變當前研究的參數(shù)，然后根據(jù)系統(tǒng)控制面板上的冷凝器進口狀態(tài)匹配調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度和保溫體內(nèi)溫度；（3）待當前工況穩(wěn)定30 min 后，開始記錄數(shù)據(jù)；（4）重復(fù)（1）～（3），直至所有工況測試完畢；（5）重復(fù)（1）～（4），對每組工況進行多次可重復(fù)驗證試驗。

選取3組迎面風速工況和3組迎風溫度工況，如表1 和表2 所示。

表1 不同迎面風速試驗工況

表2 不同迎風溫度試驗工況

3 數(shù)據(jù)與分析

3.1 不同迎面風速對風冷式冷凝器性能的影響

圖4 為不同流程布置風冷式冷凝器換熱量隨迎面風速的變化趨勢。從圖中可以看出，4 種流程布置的換熱量都隨迎面風速Ua的增加而增加，而且隨著制冷劑合流次數(shù)的增加，換熱量隨迎面風速增加的趨勢越來越明顯。在較低的迎面風速范圍，具有合流點的流程布置b～d 換熱量都低于沒有合流點的流程布置a，隨著迎面風速的增加，所有流程布置形式的換熱量之間的差值逐漸減小，當迎面風速在Ua=2.4 m/s 附近時，所有流程布置形式的換熱量比較接近；在較高的迎面風速范圍，在同一迎面風速下，換熱量隨制冷劑合流次數(shù)的增加而增大，這是由于當迎面風較低時換熱不充分，合流之后換熱管制冷劑流量增大，風速太小不足以帶走制冷劑放出的熱量，會加劇換熱不充分這種結(jié)果，迎面風速過大時，合流反而會有利于換熱，風速剛好可以帶走制冷劑放出的熱量，隨著合流次數(shù)的增加，總的換熱量增大。

圖4 換熱量隨迎面風速的變化趨勢

根據(jù)圖4 可知，在Ua＜2.4 m/s 時，推薦使用流程布置a 和流程布置b 兩種流程布置形式；在 2.4 m/s＜Ua＜2.7 m/s 范圍內(nèi)時，流程布置b，c，d 的換熱量非常接近，都可以選用；在Ua＞2.7 m/s 時，推薦使用流程布置d 作為風冷式冷凝器流程布置形式。隨著制冷劑流路中合流次數(shù)的增加，風冷式冷凝器的流動換熱特性在相同迎面風速變化區(qū)間內(nèi)的變化率越來越大。表3 為流程布置d 在迎面風速Ua=2.5，3.5m/s 時換熱性能參數(shù)的對比。從表3 中數(shù)據(jù)可知，隨著迎面風速Ua從2.5 m/s增加到3.5 m/s，流程布置d 的平均總傳熱系數(shù)增加了2.6%，而換熱量則增加了21.48%，顯然換熱量的增加不只是平均傳熱系數(shù)增加的結(jié)果，換熱過程的平均傳熱溫差同樣是增加的。

表3 流程布置d 在不同迎面風速下?lián)Q熱性能參數(shù)

圖5 示出了迎面風速Ua分別為2.5，3.5 m/s的情況下，流程布置d 制冷劑側(cè)對流換熱系數(shù)沿流動方向的變化，從圖中可以看出，較低的迎面風速具有較高的制冷劑側(cè)對流換熱系數(shù)是因為制冷劑換熱不完全導(dǎo)致制冷劑對流換熱系數(shù)高的兩相區(qū)域換熱管長度增加，甚至在風冷式冷凝器出口的制冷劑狀態(tài)仍是兩相狀態(tài)，這也意味著在制冷劑合流之后存在較大的壓力梯度。

圖5 流程布置d 制冷劑側(cè)對流換熱系數(shù)沿流動 方向的變化

圖6 為相區(qū)長度隨迎面風速的變化趨勢。從圖中可以看出，所有流程布置的過熱區(qū)長度隨著迎面風速的增加到而略微減小，兩相區(qū)的長度隨迎面風速的增加變化較大，所有流程布置的兩相區(qū)長度均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；過冷區(qū)的長度隨迎面風速的增加變化同樣較大，所有流程布置的過冷長度均呈現(xiàn)增加的趨勢，且增加幅度相差不大，導(dǎo)致流程布置b，c，d 各相區(qū)長度變化一致的原因是同一流程布置中各支路制冷劑壓降近似，進而使各支路制冷劑流量相近。

圖6 4 種流程布置下相區(qū)長度隨迎面風速的變化趨勢

在低迎面風速區(qū)域，由于換熱不充分導(dǎo)致兩相區(qū)范圍增加，兩相區(qū)較高的壓力梯度使得制冷劑總壓降增加，導(dǎo)致制冷劑兩相區(qū)飽和溫度的降低，進而使平均傳熱溫差降低。對于存在合流點的流程布置b，c，d，在制冷劑經(jīng)過合流點之后制冷劑質(zhì)量流量增大，導(dǎo)致?lián)Q熱管中兩相制冷劑壓力梯度較高，質(zhì)量流速較大，從而使制冷劑壓降比沒有合流點的流程布置a 更大。隨著流路中合流次數(shù)的增加，制冷劑壓降的增加和平均傳熱溫差的降低會更加明顯。

表4 具有合流點的流程布置形式換熱性能參數(shù)

表4 為具有合流點的流程布置b，c，d 在迎面風速Ua=2.5 m/s 時的換熱性能參數(shù)對比，平均總傳熱系數(shù)從小到大依次是流程布置b，c，d，換熱量則是相反的趨勢，顯然平均傳熱溫差從小到大依次是流程布置d，c，b。在高迎面風速區(qū)域，由于換熱效果的增強，具有合流點的流程布置制冷劑壓降b，c，d 的兩相區(qū)長度逐漸減小，制冷劑壓降也是減小的趨勢，平均傳熱溫差增加，但是平均傳熱溫差的增加并不只是制冷劑壓降減小的結(jié)果，迎面風速的增加使得參與換熱的風量增加，這同樣會增大換熱的平均傳熱溫差。

圖7 示出不同流程布置制冷劑壓降隨迎面風速的變化趨勢，圖中制冷劑壓降的變化趨勢與基于相區(qū)長度的壓降分析基本一致。圖6 中，隨著迎面風速的增加，各流程布置形式的制冷劑壓降均呈現(xiàn)降低的趨勢，且具有合流點的流程布置制冷劑壓降降低幅度更大，流程布置c 和d 制冷劑壓降在較小迎面風速范圍內(nèi)變化較快，在較高迎面風速范圍內(nèi)變化減緩。流程布置a，b，c，d 的制冷劑壓降隨著迎面風速的增加而減小，隨著迎面風速的增加，具有合流點的流程布置b，c，d 的制冷劑壓降逐漸接近流程布置a。

圖7 制冷劑壓降隨迎面風速的變化趨勢

3.2 迎風溫度對風冷式冷凝器性能的影響

圖8 示出不同流程布置風冷式冷凝器換熱量隨迎風溫度變化的曲線。

圖8 換熱量隨迎風溫度的變化趨勢

從圖8 中可知，隨著迎風溫度的增加，所有流程布置的換熱量均呈現(xiàn)減小的趨勢，且換熱量減小的速率隨著制冷劑合流次數(shù)的增加而增大。在較低的迎風溫度下，流程布置中制冷劑合流次數(shù)越多，換熱量越大；在較高的迎風溫度下，流程布置中制冷劑合流次數(shù)越多，換熱量越小。

圖9 示出不同流程布置風冷式冷凝器的制冷劑壓降隨迎風溫度的變化趨勢。從圖中可以看出，隨著迎風溫度的增加，所有流程布置的制冷劑壓降都呈現(xiàn)增加的趨勢，且制冷劑壓降提升速率隨著制冷劑合流次數(shù)的增加越來越大。在同一迎風溫度工況下，各個流程布置的制冷劑壓降隨制冷劑合流次數(shù)的增加而增大，這是由于制冷劑合流使合流點之后的制冷劑質(zhì)量流量增加，從而使沿程壓降也增加。在迎風溫度較小時，各流程布置的制冷劑壓降差值較?。浑S著迎風溫度的增加，各流程布置的制冷劑壓降差值也逐漸增加。

圖9 制冷劑壓降隨空氣進口溫度的變化趨勢

圖10 示出流程布置d 在不同迎風溫度下平均傳熱溫差和制冷劑飽和溫度沿程變化趨勢。

圖10 流程布置d 平均傳熱溫差和制冷劑飽和溫度 沿程變化趨勢

從圖中可以看出較小的迎風溫度具有較大的平均傳熱溫差。在制冷劑換熱初期相對長度小于0.18 時的后排管段部分，2 種迎風溫度的平均換熱溫差相差并不大，這是由于低迎風溫度具有較大的換熱量將空氣溫度升高，使后排管的空氣進口溫度與較高迎風溫度下后排管空氣進口溫度相差不大。當相對長度大于0.18 時，2 種工況下的制冷劑都從過熱狀態(tài)進入了兩相狀態(tài)，兩種迎風溫度的平均傳熱溫差差距較大。隨著相對管長的增加，兩種迎風溫度平均傳熱溫差之間的差距再次縮小，說明Tai=25 ℃工況下，管內(nèi)制冷劑在相對長度等于0.74 的位置已經(jīng)進入過冷區(qū)，且制冷劑溫度隨換熱過程的進行繼續(xù)降低導(dǎo)致平均傳熱溫差的降低。當制冷劑進入換熱流程相對長度大于0.88 時，兩種迎風溫度工況下的平均傳熱溫差再次出現(xiàn)分離。在Tai=33 ℃工況下的平均傳熱溫差逐漸減小，甚至低于0 ℃；在Tai=25 ℃工況下的平均傳熱溫差則一直保持著接近2 ℃的平均傳熱溫差。從制冷劑飽和溫度與相對長度的對應(yīng)關(guān)系來看，因為Tai=33 ℃工況下流程布置d 的所有制冷劑合流點都處于兩相區(qū)，導(dǎo)致合流之后制冷劑同時存在較大的壓力梯度和較大的質(zhì)量流速，使得制冷劑兩相區(qū)飽和溫度急劇下降至低于空氣側(cè)平均溫度的溫度區(qū)域。

4 結(jié)論

（1）在較低迎面風速下，合流點次數(shù)對風冷式冷凝器換熱量影響不大，在較高迎面風速下增加合流點次數(shù)使換熱量增加；但較低的迎面風速下增加合流點次數(shù)使兩相區(qū)換熱管長度增加，具有較高的制冷劑側(cè)對流換熱系數(shù)。

（2）在較低的迎風溫度下，換熱量隨制冷劑合流次數(shù)的增加而增大；在較高的迎風溫度下，換熱量隨制冷劑合流次數(shù)的增加而減小。制冷劑壓降差值隨迎風溫度的增加而增加。

（3）Tai=25 ℃，管內(nèi)制冷劑在相對長度等于0.74 的位置已經(jīng)進入過冷區(qū)，Tai=33 ℃時流程布置d 的所有制冷劑合流點都處于兩相區(qū)，導(dǎo)致合流之后制冷劑同時存在較大的壓力梯度和較大的質(zhì)量流速，使得制冷劑兩相區(qū)飽和溫度急劇下降至低于空氣側(cè)平均溫度的溫度區(qū)域。