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人字形波纹片空调冷凝器设计广东申菱空调设备有限公司博士后工作站 尹 斌*欧阳惕摘 要 应用换热模型计算空气流过人字形波纹片管束的换热及R134a在光滑管内的冷凝换热特征。通过样机试验，验证设计方法的可行性。通过研究说明，换热模型可以较好地应用于人字形翅片管式冷凝器的设计。关键词 空调；人字形翅片；冷凝器Design on Herringbone Wavy Fin-tube Condensers of Air-ConditioningBy Yin Bin*and OuYang tiAbstract Fin-tube condensers are widely applied in air-conditioning with air-cooling.The designing key of the fin-tubecondenser is that condensation heat transfer coefficient of refrigerants inside tubes and surface heat transfer coefficient ofair side are accurately predicted.Applying heat transfer models,this paper calculates both side of heat transfer character-istics of herringbone fin-tube condensers.At the base of theoretical research,feasibility of design method is validatedthrough sample experiments.The research result indicates heat transfer models can be preferably applied to design herring-bone fin-tube condensers.Keywords air-conditioningherringbone wavy fin;condenser*Guangdong Shenling Air-Conditioning Equipment Co.,Ltd,Guangdong,Shunde,China0 前言空调器中使用的风冷冷凝器多为铜管翅片式热交换器，制冷工质在铜管内流动冷凝，铜管外通过机械胀管的方法套平行的连续翅片以增加换热面积。铜管一般采用圆的光滑管或内螺纹管，翅片通常由铝箔制成。翅片的形式有很多种，如平翅片、波纹片、百叶窗型翅片、条缝片等 1。图1所示为人字形波纹片。根据不同的结构尺寸和换热量的要求，冷凝器可以由一排或多排翅片管组成，制冷剂的流路可以是一路或多路。目前对风冷冷凝器的研究主要集中在两个方面。一个方面是管内冷凝换热特征的研究；另一个方面是不同形式强化翅片换热及阻力特性的研究。制冷工质在管内冷凝由于存在相变，因此换热现象*复杂。许多学者的研究结果表明，影响管内冷凝的重要因素是制冷工质在管内的流型。流型主要分为三种。即环状流、层状流、及这两种流型之间的过渡流。影响环状流的主要因素是界面处的气液剪切力，而影响层状流的主要因素是重力。图2所示为光滑管内的层状流。管内冷凝换热的理论模型还在不断完善，但一些通过大量试验得出的换热关联式还是可以较好的预测管内冷凝换热系数。对于强化翅片的研究主要以试验和数值计算为主，这是由于许多强化翅片结构复杂，很难用理论模型描述。不过一些模型可以描述结构相对简单的强化翅片。在设计过程中，强化翅片的表面换热系数和阻力通常是在平翅片的基础上乘修正系数，但这样的估算往往与实际情况有较大的差异。本文应用CC Wang 2的换热模型对人字形波纹片管束的表面换热特征进行研究，换热系数。以理论为依据，设计样机。将样机试验数据与设计数据相比较，从而分析模型应用的可行性。尹斌，男，1 97 5 年生，博士528313 广东省佛山市顺德区广东申菱空调设备有限 公司博士后工作站E-mail:收稿日期：2006-4-26 修回日期：2007-4-18.64.洁净与空调技术CC&AC 2008年图1 波纹片结构简图图2 光滑管内的层状流1 数学模型及分析1.1 人字形波纹片管束换热模型CC Wang等通过大量的试验建立了人字形波纹片管束换热模型，其模型可以描述 91的试验数据，误差在15%以内。CC Wang的模型应用范围较宽，换热管外径可以为7.66mm16.85 mm，管排数可以为 16，管间距可以为 21mm38 mm，排间距可以为 12mm33mm。以下介绍该模型的数学描述。换热因子 j 与摩擦因子f 具有如下表达形式：(1)()211212211cmocAPfAG=+(2)根据雷诺数 ReDC的范围确定 j、f。当 ReDC1000 时，方程如下：(1 3)43200311206460.cl.tsJhcJDcDPPFDDRe.j=(1 2)(1 4)(1 5)()3504720051201tan1410.tl.lsPPPF.F=tan23700490tan4490.htNDP+(1 6)(1 7)40.3063.63 tanF=+(1 8)(1 9)第1期 人字形波纹片空调冷凝器设计 .65.11/3Rer=NuPj()0.21.58tan0.082321=csJtsJhcJDcDFPFDDRej()()tanln.tan0.0171ln0.031610.4910.0045N1090tlNDcPPReJ=0.3490.9840.04710.542+tscsNhcPFDFDD4321FhcFtlFhsFDcNDDPPDFRef0.20544.37=()()0.7650.24515.26ln0.1370.574=ctDcDPReF()0.0350.2170.4740.243tanNDFDDhshc()0.7370.692tanN0.2410.302tan0.05380.0545=NJ()0.2561.350.3791.3tancltllsDPPPPFtan1.430.229tan9.431.7721.29=hctlDDPPJ()NtsPFN0.5ln0.174tan1.080.166()0.2470.3834321tan0.228=tlhcFclFlsFFDcPPDDDPPFRef()()0.0130.09232ln0.562NReFDc=0.0260.0330.302=ctDcDPReF根据式（1）式（19），本文应用 VisualFortran 5.0 编制计算程序对人字形波纹片管束的换热特征及压力降进行研究。模拟时，所采用人字形波纹片管束的结构尺寸见表 1。进、出风干球温度分别为 27和 17。表1 人字形波纹片管束的结构尺寸进行模拟时，改变迎面风速，从而得到不同迎面风速下，人字形波纹片管束的表面换热系数及压力降，见图 3 和图 4。从图 3 和图4 中可以看出，人字形波纹片管束的表面换热系数及压力降随迎面风速的增大而增大。人字形波纹片的翻边角度对换热系数及压力降有较大的影响，翻边角度的逐渐增大，表面换热系数及压力降都将增大。不过为了避免较大的阻力，翻边角度一般不应大于 20。图3 表面换热系数图4 摩擦压力降1.2 管内冷凝换热模型 R134a在光滑管内的冷凝换热可以由Cavallini-Zecchin 模型预测。该模型的预测值与试验值相比，误差在8%以内，且形式简单。以下介绍该模型。0.80.330.05 R ePrtpieqllHdNu=(2 0)(2 1)根据式（20）式（23），本文得出了不同质量流率下，在不同干度区域，R134a在管内的局部冷凝换热系数。见图 5。图5 R134a 的局部冷凝换热系数从图 5 中可以看出，随干度的下降，R134a 的局部冷凝换热系数减小。而质量流率增大，冷凝换热系数增大。若确定了空气流过翅片管冷凝器的表面换热系数及制冷工质在管内的冷凝换热系数，则可以采用下式计算总传热系数。111oobotpiairKFrrHFH=+1.3 公式(1)式(2 4)中的符号名称及单位见表3。2 样机试验及分析采用前面介绍的换热模型对R134a单元式风冷冷风机组的冷凝器进行设计，冷凝器所用的翅片就是人字形波纹片。设计时，冷凝温度定为47，排气温度为70，过冷度为7。单元机采用MTZ系列的活塞机。确定分路数与管排数后，根据设计参数，用前述换热模型计算出翅片侧表面换热系数、管内平均冷凝换热系数及总传热系数分别为：53.48 W/m2K、2596.67 W/m2K、31.05 W/m2K，根据计算结果确定换热面积及换热管的布置方式。样机加工好后在焓差室进行试验，试验数据见表2。11(/)314lv，(24).66.洁净与空调技术CC&AC 2008年迎面风速（m/s）迎面风速（m/s）压降（Pa）干度冷凝换热系数（W/(m2)）l50vllvvReReRe+=.eq(2 2)()lildx1GRe=(2 3)vivGxdRe=通过分析试验数据可以发现，系统的排气压力（表压）近似为 11bar。忽略排气管的阻力损失，冷凝压力（绝对压力）应该为12bar,对应的冷凝温度是46.32。设计的冷凝温度为47，设计值与试验值非常接近。表2 试验数据测量项目 单位 No1 No2 No3室内侧进风干球温度 27.0427.0526.97室内侧进风湿球温度 19.0219.0119.01室内侧出风干球温度 14.7214.7414.75室内侧出风湿球温度 13.4413.4313.45室外侧进风干球温度 34.9935.0035.00室外侧进风湿球温度 23.8623.89 23.97系统排气压力kPa 1100.18 1100.48 1098.78系统吸气压力kPa 233.51 233.17 233.00系统节流前温度 40.7340.7640.71系统节流后温度 17.0717.1716.97系统排气温度 70.2470.2770.24系统吸气温度 12.04 12.1312.00轴流风机出风温度 44.2044.2344.173 结论本文应用换热模型，对人字形波纹片空调冷凝器进行了研究。通过计算，分析了迎面风速、波纹片的翻边角度对翅片管束表面换热系数及压降的影响，同时分析了R134a在管内的冷凝换热特征。然后使用模型对人字形波纹片冷凝器进行设计。通过样机试验说明，换热模型可以较好的反映冷凝器换热的实际情况，模型可以应用于人字形波纹片冷凝器的设计。参考文献1 吴业正.小型制冷装置设计指导M.北京:机械工业出 版社,19972 CC Wang,Young-Ming Hwang,et al.Empirical correla -tions for heat transfer and flow friction characteristics of herring bone wavy fin-and-tube heat exchangersJ.International Journal of Refrigeration,2002,25:673-803 R.Bassi,P.K.Bansal.In-tube condensation of mixture of R134a and ester oil:empirical correlationsJ.International Journal of Refrigeration,2003,23:402-094 A.Cavallini,G.Censi,D.Del Col,L.Doretti.Experimental investigation on condensation heat transfer and pressure drop of new HFC refrigerants(R134a,R125,R32,R410A,R236ea)in a horizontal smooth tubeJ.International Jour -nal of Re frigeration,2001,24:73-87通过样机试验说明，应用数学模型对人字形波纹片冷凝器进行设计，可以取得较好的效果。不过有以下几点需要注意。1）制冷工质在管内冷凝，局部冷凝换热系数随干度变化。高干度区与低干度区的局部冷凝换热系数相差较大，取算术平均得出平均的冷凝换热系数用于设计计算，与实际情况还是有一定差异。2）虽然可以使用对数平均温差进行设计计算，但这种方法只是简单的热力计算，也就是由性能定结构。若要对冷凝器进行优化设计，就需用稳态分布参数模型。在已知结构的情况下，通过分布参数模型仿真可以获得更多冷凝器的性能参数，如制冷剂沿流动方向的温度、压力分布及管壁温度分布等。3）数学模型的应用是有条件的。有的模型只是针对一种或几种制冷工质，其它的制冷工质就不能应用；有的模型对翅片管式换热器的结构尺寸有要求。第1期 人字形波纹片空调冷凝器设计 .67.表3 公式（1-2 4）中的符号名称及单位