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不同型式的翅片管式換熱器迎風面風速不均勻實驗研究

點擊:1785 日期:[ 2014-04-26 21:14:10 ]
              不同型式的翅片管式換熱器迎風面風速不均勻性實驗研究                王敬歡1,黃虎1,張忠斌1,張進賢1,張萬新2,陳澤民2     (1.南京師范大學能源與機械工程學院,江蘇南京210042;2.江蘇丹陽蘇科空氣能研究中心有限公司,江蘇丹陽212300)     [摘要]本文針對3種換熱器面積相同而結構不同的翅片管式換熱器空調機組進行了的實驗研究,討論了由于結構變化而導致的換熱器迎風面風速不均勻性及其對機組性能的影響。對實測風速進行分析可知換熱器迎風面風速很不均勻、風量損失較大且風速變化存在一定的規律。對換熱器在制冷、制熱工況下的部分狀態參數進行分析可知,此2種工況下,中等換熱器的室內側出風干、濕球溫度均比其它2種換熱器更利于調節室內溫度,但是在制熱工況中,其能效比比矮換熱器要低。研究結果可為換熱器的工程設計提供參考。     [關鍵詞]實驗;換熱器;迎面風速;不均勻     [中圖分類號]TK172[文獻標識碼]A     [文章編號]1002-8528(2012)02-0032-05      0·引言     在換熱器性能研究中,一般認為換熱器迎風面風速是均勻分布的。在此基礎上,很多文獻對換熱器風側傳熱及摩擦特性進行了研究,包括不同類型肋片配置形式和翅片開縫、不同開窗形狀、不同幾何特征的換熱器、不同翅片間距與排數及不同管排形式等因素對來流不均勻性所產生的影響[1-5]。然而,在實際運行中,由于受到很多因素的影響,風速并不均勻。如室內機和室外機風機的樣式選擇不同、風流動曲線不同、換熱器內部設備的布置不同及換熱器的形式不同都會形成不同的風場。許多學者對V型換熱器迎風面的速度拋物線和線性分布進行了研究,發現迎風面風速分布極不均勻,這不但會導致換熱器面積的浪費,而且會使得換熱器的整體效果有所下降[6-12]。在實際換熱器的設計過程中,產品設計人員旨在滿足高效、節能的目標,一般不會考慮后期工程運輸、安裝等對產品尺寸的需求,因此可能會給空調產品的搬運和安裝帶來一定的困難,本文對3種迎風面面積相同而外形尺寸不同的U型換熱器機組進行了實驗研究,通過對實測迎風面風速及其分布情況進行比較,研究換熱器迎風面風速的不均勻性及其對機組性能的影響。     1·實驗換熱器機組及測試方法     1.1實驗換熱器機組     圖1所示為3種不同型式的U型換熱器機組,分別為矮換熱器、中等換熱器和高換熱器,后二者的設備總高度相同,但換熱器的高度不同。另外,3種換熱器機組的風機型號及設備內部各組件布置均相同。具體結構參數見表1。                   實驗時,將換熱器機組表面等距沿水平方向和垂直方向劃分為若干等份(見表2),水平(從左至右)和垂直(從上至下)劃分網格的交點即為風速測點(見圖2)。                               1.2實驗原理及測試方法     采用空氣焓差法在實驗室進行換熱器機組制冷和制熱工況的測試。實驗室由1個室外側測試環境間和1個室內側測試環境間組成,由于實驗機組采用的是全新風空調機組,在實驗中需保證系統室內機和室外機的入口空氣狀態相同。本實驗通過保證室內、外測試環境間的干、濕球溫度相同,向系統提供滿足測試要求的新風工況。實驗系統原理圖如圖3所示。                  為了全面監測機組在變工況下的運行狀態,研究新風機組的制冷量/制熱量、輸入功率和能效比等參數,對實驗機組布置了相應的壓力和溫度測點。實驗中所用測試儀器及其精度見表3。通過空氣取樣設備對換熱器迎風面風速進行統計,即對表2中規劃的每個測點進行5次測量,記錄5組數據,并求出平均值,以此作為對應測點的實測風速。                  2·測試結果及分析     2.1換熱器水平方向風速比較     圖4~6給出了3種不同型式換熱器測點風速隨測點列數的變化,可以發現,換熱器迎風面風速總體呈一定規律變化:隨著換熱器測點排數的增加,風速逐漸減小。這是由于測點排數增加后,離出風口的距離增大所造成的,反之,離出風口越近,則風速越大。另外,隨著距離的變化,從頂端到底部的風壓呈衰減趨勢,風速逐層減小。高換熱器與矮換熱器和中等換熱器相比,這種現象更加明顯,這是由于高換熱器本身的高度較高,形成了比較明顯的梯度,而中等換熱器增加了一段隔板,使得頂部風壓并沒有全都集中在頂部邊界,減少了頂部邊界對風速的影響,矮換熱器由于自身高度不高,風速整體減小的趨勢便緩慢的多。                               對于換熱器的3面:從第1(1)列到第5(4)列、第6(5)到第12(11)列和第13(12)列到第17(15)列(其中括號中指的是高換熱器的列數),比較各面的風速變化情況,可知風速均呈現先增大后減小的趨勢,特別是中間面的風速相比旁邊的面更有規律且更均勻,這是由于沒有左右邊界的影響所導致的。總體而言,中等換熱器和矮換熱器的迎風面風速比高換熱器相對要集中,比較均勻,但是頂端部分地方的風速明顯高于其它地方,而底部有的地方風速又太小,最大風速和最小風速相差4~5倍。另外,3種換熱器局部地方皆出現了沒有規律的流動,這是換熱器翅片結構阻礙了空氣的流動,或者是機組內部設備布置位置對空氣流動形成了阻擋所造成的。         2.2換熱器垂直方向風速比較        圖7~9給出了3種不同型式換熱器測點風速隨測點排數的變化,可以看出,隨著換熱器測點排數的增加,即離出風口越遠,風速越小。比較而言,高換熱器和中等換熱器在5排之后的高度對風速的影響較小,而矮換熱器由于其本身高度的限制,整個高度范圍內風速的變化趨勢均不是很明顯。另外,3種換熱器在部分位置均出現了某測點風速比相鄰測點風速或大或小,沒有規律的情況,這是由于機組內部設備位置布置和換熱器邊界的影響所造成的,即在底部或邊界處形成了局部渦流,使得風速發生了變化,特別是機組內部儲液器和壓縮機等大部件的擺放不當將直接對氣流的流動產生阻擋,使風速減小。                   換熱器機組理論設計的迎風面風速為1.83 m/s,計算可知本文實驗條件下矮換熱器、中等換熱器和高換熱器迎風面的平均風速分別為1.64 m/s、1.57 m/s和1.44 m/s。與理論計算風速比較可知,矮換熱器、中等換熱器和高換熱器的風量損失分別為10.3%、14.2%和21.3%,高換熱器的風量損失比其它2種要大,這是由于高換熱器的高度較高,導致底部風壓低所造成的,處于高換熱器低端的風速有的只有0.6 m/s,嚴重偏離了設計要求,這將影響換熱器的換熱性能,對機組的整體能效產生影響。     2.3機組運行部分參數及分析     在35/28℃的制冷工況中,換熱器是冷凝器,提高制冷量要降低冷凝溫度、增大風量,同時保證風速分布均勻。此工況實驗測得的室內側出風干、濕球溫度的比較見圖10,由圖可知,中等換熱器的室內側出風干濕、球溫度較低,高換熱器次之,矮換熱器較高。圖11給出了此工況實驗測得的制冷量、輸入功率及能效比的比較,由圖可知,中等換熱器的蒸發器入口溫度相對較低,蒸發溫度也較低,制冷量最大。高換熱器和矮換熱器的輸入功率和制冷量相差不大,相對值分別為96%和93%,相比中等換熱器要少。另外,高換熱器和矮換熱器的能效比均比中等換熱器低,可見在高溫工況下,中等換熱器表現比較優越,矮換熱器雖然迎風面風速分布均勻,但是局部風速過大,而高換熱器的迎風面風速分布不均勻,其換熱效果也不如中等換熱器。綜合比較來看,增加迎風面面積需進行合理選擇和計算。                  在7/6℃的制熱工況中,換熱器是蒸發器,制冷劑和空氣的溫差較小,迎風面風速越大且分布越均勻則蒸發效果越好。圖12給出了該工況實驗測得的室內側出風干、濕球溫度的比較,圖13給出了該工況實驗測得的制熱量、輸入功率和能效比的比較,可以看出,此制熱工況下,中等換熱器的室內側出風干、濕球溫度均比其它2種要高,同時其制熱量也比其它2種要高,但矮換熱器的能效比比中等換熱器高2%,更加節能。                  3·結論     本文對3種不同型式的換熱器機組進行了測試,并對機組在制冷、制熱工況下的部分狀態參數進行了分析,所得結論如下。     1)3種換熱器均存在風量損失,其中風量損失最大的是高換熱器,其迎風面風速的不均勻性也相對嚴重,而后是中等換熱器和矮換熱器。     2)換熱器迎風面風速存在一定的變化規律,離換熱器出風口越遠,風速越小。其中高換熱器和中等換熱器這種現象較矮換熱器更加明顯,矮換熱器在5排之后的風速減小相對緩慢。     3)在制熱和制冷工況中,中等換熱器的室內側出風干、濕球溫度比其它2種換熱器更利于調節室內溫度,但是制熱工況中,其能效比比矮換熱器要低。     目前,國內外市場的原料費居高不下,合理的換熱器尺寸可在提高效率的同時節省成本。因此,在換熱器的設計中,尺寸的選擇應綜合考慮效率、美觀和應用等多種因素,做到在保證效率的同時兼顧資源節約。 [參考文獻] [1]Tang LH,Zeng M,Wang QW.Experimental and numerical investigation on air-side performance of fin-and-tube heatexchangers with various  fin patterns[J].Experimental Thermaland Fluid Science,2009,33(5):818~827. [2]Jader R Barbosa Jr,Cláudio Melo,Christian JL Hermes,et al. Astudy of the air-side heat transfer and pressure drop characteristics of tube-fin“no-frost”evaporators[J].Applied Energy,2009,86(9):1484~1491. [3]Yonghan Kim,Yongchan Kim.Heat transfer characteristics of  flatplate finned-tube heat exchangers with large fin pitch[J]. International Journal of Refrigeration,2005,28(6):851~858. [4]周森泉,過增元,胡桅林,等.來流溫度速度不均勻時換熱器效能的分析[J].工程熱物理學報,1994,15(4):403~407. [5]胡俊偉,丁國良.開縫翅片壓降和換熱特性的數值模擬[J].上海交通大學學報,2004,38(10):1639~1642. [6]陳軍.風冷冷凝器換熱性能的實驗研究分析[D].廣州:華南理工大學,2005. [7]馮永斌,晏剛,錢文波,等.風速分布形狀對空調中翅片管蒸發器性能的影響[J].低溫與超導,2009,37(10):26~31. [8]柳成文,王冬青,龔建英.風速分布不均勻性對空氣源熱泵風側換熱器性能的影響[J].制冷與空調,2008,8(3):87~90. [9]鄧斌,陶文銓,余汪洋.來流不均勻性對冷凝器性能影響的數值研究[J].制冷與空調(四川),2007,21(3):1~6. [10]龔建英,袁秀玲,黃東,等.不均風速場對中大型熱泵結霜工況性能的影響[J].西安交通大學學報,2007,41(9):1058~1061. [11]鹿世化,劉衛華,余躍進,等.翅片管換熱器內部空氣流場的數值模擬與實驗研究[J].化工學報,2010,61(6):1367~1372. [12]胡俊偉,丁國良,張春路.熱交換器形狀對空調室內機性能的影響[J].制冷學報,2004,(2):50~53.
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