房間空調(diào)器中換熱器的研究概況及進(jìn)展

1、科技報道房間空調(diào)器中換熱器的研究概況及進(jìn)展陳穎鄧先和王楊君(華南理工大學(xué)教育部傳熱強(qiáng)化與過程實驗室廣州510640丁小江(廣東志高空調(diào)器廠南海摘要用于房間空調(diào)器的緊湊套片管換熱器因其良好的換熱性能越來越受到重視,國內(nèi)外眾多的生產(chǎn)廠家和科研工作者研究了這類換熱器的換熱和流動規(guī)律,分析其強(qiáng)化換熱的機(jī)理,推出了許多新的翅片形式,并比較了各種翅片管的特性。取得了大量的研究成果,并提出了這類換熱器今后有待研究的方向。關(guān)鍵詞:市政工程換熱器綜述房間空調(diào)器Progre ss on heat exchanger of room air -conditionerAbstract Compact fin -and

2、 -tube heat exchangers with continuous fins become facus to attract a lot of re searchers and room air -conditioner manufacturers due to their better heat transfer characteristics .A lot of inve stigations about the performance of various fin configuration have been carried out to enhance the heat t

3、ransfer capabillitie s of air-cooled condensers and evaporator ,including new style fins ,new data correlation ways and the comparison methods to evaluate the air side performance.The paper summarize s their achievements ,and also discusse s the re search work needed to do in the future.K eywords Ci

4、ty planning engineering ,Heat exchanger ,Summarize ,Room air -conditioner1引言房間空調(diào)器中有兩個主要換熱器,即蒸發(fā)器和冷凝器,這兩大換熱器的一側(cè)工質(zhì)是制冷劑,另一側(cè)是空氣。由于空氣的對流換熱系數(shù)比制冷劑的小1至2個數(shù)量級,為了強(qiáng)化換熱器的傳熱,一般在空氣側(cè)采取緊湊布置換熱面積。房間空調(diào)器大多采用緊湊管翅式換熱器,其優(yōu)點是:1有許多具有不同數(shù)量級比表面積的有效換熱表面;2按設(shè)計要求可靈活布置熱側(cè)和冷側(cè)換熱表面;3可節(jié)省成本,減少質(zhì)量或體積;4管內(nèi)流體的工作壓力范圍很寬,管外流體可保持較低壓力?，F(xiàn)用于房間空調(diào)器的是整體套片管

5、式換熱器,翅片的形式很多:可以是表面變化翅片,如平直翅片、波紋翅片;也可以是表面間斷翅片,如開縫翅片、百葉窗翅片等。2緊湊管翅式換熱器的發(fā)展歷程據(jù)公開的文獻(xiàn)可查知,對緊湊管翅式換熱器的系統(tǒng)研究取得有價值的成果始于1970年代,McQu 2iston 1是第一個成功擬合了平直翅片叉排布置換熱器的熱力性能的人。到了八十年代,房間空調(diào)器的發(fā)展為整體套片式管翅換熱器的研究提供了大量應(yīng)用機(jī)會,同時全球節(jié)能的需要使整體套片管加工工藝的優(yōu)勢得到了生產(chǎn)廠家的青睞,其在生產(chǎn)過程中擯棄了傳統(tǒng)焊接連接方法,采用機(jī)械或水壓漲管,這樣消耗的能量就大大地降低了。近期的研究注重?fù)Q熱器的傳熱和流動機(jī)理,Saboya 和S p

6、srrow 2將傳質(zhì)技術(shù)用于確定一排、二排和三排盤管的局部傳質(zhì)系數(shù),其結(jié)果通過類比關(guān)系用換熱系數(shù)的形式來說明局部換熱系數(shù)的分布情況。歐美的換熱器制造商,如Luve C ontardo 等對管43制冷學(xué)報2002年第4期收稿日期:2002年03月18 日翅式換熱器的研究一直走在世界前列,他們研究的重點集中在尋找新的間斷表面,在已有的翅型上發(fā)展了多重百葉窗翅片、帶翼百葉窗翅片、雙面開縫翅片等新的翅型,對其換熱機(jī)理的實驗研究相對不夠活躍。換熱管管徑也日趨小型化(擴(kuò)管前Do= 9.52,7.94,7mm,而且實驗關(guān)聯(lián)式的擬合方法也有了較大的改進(jìn),出現(xiàn)了多重擬合方法,充分考慮了各種幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對換熱和流

7、阻特性的影響,從而克服了采用水力直徑作為特征尺度帶來的預(yù)見局限性。研究手段有實驗研究和數(shù)值模擬兩種方法,其中實驗研究又分為原型實驗和放大實驗。原型實驗即換熱器風(fēng)洞實驗,這是一種對換熱器熱力性能研究行之有效的方法。近期有關(guān)的實驗研究工作趨勢是,實驗?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)尺寸更系統(tǒng)、更全面,數(shù)量更多,實驗數(shù)據(jù)采集的工況范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。實驗設(shè)備、測量儀器更精密,更先進(jìn),實驗的精確度得到了很大提高。自從Beauvais3在1965年第一次用放大十倍模型來展示流場的分布后,許多科研人員都采用這種方法進(jìn)行研究,Y un和Lee等47都用這種方法證實了用放大模型研究原型翅片流動的可行性,這種方法比原型模型更方便有效地分

8、析換熱及流阻特性。但由于放大模型的方法受加工工藝等因素的限制,與原型模型實驗結(jié)果相吻合的范圍有待擴(kuò)寬。緊湊整體套片管翅管束中氣體的流動很復(fù)雜,圓管的存在引起翅片表面的流動加速和管后的流動分離以及由此產(chǎn)生的低速尾跡區(qū),波紋形翅片往往伴隨出現(xiàn)二次流,百葉窗式翅片往往伴隨有流動分離和再附。即使是平直翅片,其流動也很復(fù)雜,難以分析預(yù)測其傳熱和摩擦特性。下面分別討論各種翅片形式的研究現(xiàn)狀。平直翅片:平直翅片不同部位的傳遞機(jī)理是不同的,Wang et al.9對較大范圍的管徑(Do=7mm 12mm進(jìn)行了適應(yīng)性更廣的實驗研究。結(jié)論如下:1.管排數(shù)N=1,2時,換熱因子j與翅片間距有關(guān),這是因為單排管時邊界

9、層的發(fā)展是決定因素,在高Re數(shù)時,旋渦起重要作用,所以當(dāng)Re>5000時,翅片間距的作用消失,Re<5000時,換熱性能隨翅片間距的減少而增加。T orikoshi10的數(shù)值模擬結(jié)果也證實了這一結(jié)論2.隨著管排數(shù)的增加(N4,換熱器里的流場呈周期性發(fā)展,旋渦控制著整個流場,翅片間距對換熱的影響消失。比較實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),f-Re曲線中各種翅片間距在Re=20003000范圍內(nèi)(N=4摩擦因子f匯集在一起。3.Re DC<3000,j隨管排數(shù)的增加而減小。小ReDC數(shù)時,下游湍流的趨勢減弱,流場與溫度場基本呈層流,換熱系數(shù)隨管排數(shù)的增加而減少,但在較大翅片間距(Fp=2.2mm時,

10、即使是小ReDC數(shù),管排數(shù)的影響也可忽略不計。4.Re DC>3000,管排數(shù)的影響消失。在高Re DC 區(qū)域,換熱器的流場與溫度場的分布因旋渦的形成與脫落變得不穩(wěn)定,因此具有較高的換熱能力,而管排數(shù)的影響可忽略不計。5.排換熱器摩擦因子f的大小與管排數(shù)無關(guān)。6.大管徑會增加壓降,雖也會增加管后的傳熱無效區(qū)(尾流區(qū),但尾流區(qū)相對較小,故對換熱系數(shù)影響不大。Wang11最近采用了74個平直翅片管換熱器模型的實驗結(jié)果,擬合了676個實驗數(shù)據(jù),采用多級回歸方法,得到運用范圍更廣的j與f的綜合擬合關(guān)聯(lián)式。波紋型翅片:波紋型翅片在流動方向上是非斷開表面,波紋方向上的波紋形結(jié)構(gòu)為流動提供了有效間斷引

11、起復(fù)雜的流動。工業(yè)界對這種翅片大概研究得最多。G oldstein和S parrow3給出了波紋翅片每53制冷學(xué)報2002年第4期一個上下表面的詳細(xì)的局部舍伍德數(shù)分布。他們證明了幾個渦系的存在,并認(rèn)為,波紋翅片的迎風(fēng)面對強(qiáng)化換熱系數(shù)起主要作用;而波紋翅片背面的換熱系數(shù)較低,且受流動分離的強(qiáng)烈影響。G oldstein 和S parrow 2用傳質(zhì)技術(shù)測定單排人字形波紋翅片管的傳質(zhì)系數(shù)。Beecher 和Fagan (1987用實驗方法研究了20個三排波紋翅片管的模型,給出了實驗數(shù)據(jù)的擬合曲線,但沒有給出包含所有幾何參數(shù)的總關(guān)聯(lián)式。Rich 2指出Re 數(shù)用水力直徑作為特征尺寸沒有考慮翅片間距的

12、作用,提出用無因次量G z (G z =RePrDc l 來擬合關(guān)聯(lián)式。最新提出的實驗關(guān)聯(lián)式是Webb 用G z 擬合的關(guān)聯(lián)式。開縫翅片:開縫翅片的傳熱強(qiáng)化主要是由Re 10000(或者R el =Re l ef /Dh 100000和l ef 10時的未定型層流邊界層引起的。厚的開縫翅使換熱系數(shù)h 進(jìn)一步強(qiáng)化,這是因為厚翅片的阻塞效應(yīng)引起了翅片間的高速流體流動所致。流過翅片的未定型邊界層以及由于有限翅厚而引起的形阻的增加,摩擦系數(shù)也相應(yīng)提高了。翅條長度越短或翅厚越大,與平直翅片相比強(qiáng)化傳熱的效果越好。Wang 和Lee 17對56個開縫翅片模型進(jìn)行了實驗研究,考察了管排數(shù)與翅片間距對空氣側(cè)的

13、換熱影響,得出單排管時換熱性能隨著翅片間距的減少而增加,管排數(shù)大于4時,翅片間距的作用相反;管排數(shù)增加,換熱性能減弱,摩擦因子與管排數(shù)無關(guān)。他們總結(jié)了前人的實驗數(shù)據(jù),用多重迭代法得到了j 、f 的擬合式。對現(xiàn)今工廠使用較多的雙面開縫翅片(橋式翅片熱力性能的研究相對較少,Nakayama 和Xu 18擬合了三個模型的實驗數(shù)據(jù),但由于關(guān)聯(lián)式中j 因子太依賴翅片厚度與翅片間距之比,所得的結(jié)果很難外推用于其他結(jié)構(gòu)尺寸。最近Wang 19報告了他的實驗結(jié)果,N =1,換熱性能隨翅片間距的減小而增強(qiáng),N 4,翅片間距減小,換熱能力也減小。Du 和Wang20采用了31個開縫翅片管的模型進(jìn)行實驗,證實了Wa

14、ng 的結(jié)論,并指出,Re DC <1000時管排數(shù)增大,換熱效果減弱,Re DC >2000時,管排數(shù)對換熱影響不大,特別是開縫較短的翅片,管排數(shù)的變化不影響其換熱。摩擦系數(shù)與管排數(shù)無關(guān)。他們將此項工作將Nakayama 和Xu 18及Wang 19的實驗結(jié)果綜合在一起進(jìn)行擬合(共50個模型,進(jìn)一步擴(kuò)大了實驗關(guān)聯(lián)式的適用范圍。百葉窗式翅片:換熱器生產(chǎn)商已經(jīng)研究了許多不同形式的圓管束上的百葉窗式翅片,管束排列既有叉排的,也有順排的,不過所公布的數(shù)據(jù)是很有限的。H os oda 2等的數(shù)據(jù)表明,叉排管束上平行百葉窗式翅片的換熱系數(shù)要比相同的叉排管束上的波紋翅片的換熱系數(shù)高50%。It

15、o 2等的數(shù)據(jù)表明,叉排管束上另一種平行百葉窗式翅片的換熱系數(shù)要比平直翅片高出35%。Fukui 和Sakam oto 2指出,順排管束上連續(xù)翅片中的單切口百葉窗結(jié)構(gòu)比平直翅片約提高換熱系數(shù)50%?，F(xiàn)已證實,百葉窗翅片強(qiáng)化換熱是由于G oertler 渦系引起的,這種渦系是當(dāng)流體流過凹進(jìn)的波紋表面時產(chǎn)生的。這些渦的旋轉(zhuǎn)方向相互反向,形成螺旋狀前進(jìn)的流型。Beauvais 3最先提交了一張放大十倍百葉窗翅管換熱器模型的流場照片,這張照片清楚地展現(xiàn)了流體如何被百葉窗口變向的情況。W ong Smith 21、Achichia 和C owell 22的實驗研究結(jié)果很有價值,他們逐一考察了翅片間距、百

16、葉窗間距、百葉窗夾角和管間距對換熱性能的影響,他們發(fā)現(xiàn),用百葉窗間距作為特征尺寸比用空氣通道的水力直徑作為特征尺寸實驗數(shù)據(jù)更易擬合。Chang 和Wang 23擬合了91個模型的實驗數(shù)據(jù)得到一個換熱關(guān)聯(lián)式,可惜這一關(guān)聯(lián)式只適合一種百葉窗翅片形式。2426闡述了近幾年來對百葉窗式翅片的幾何結(jié)構(gòu)對換熱影響的研究成果,但都局限在某種翅型的研究上,沒能給出一個統(tǒng)一的關(guān)聯(lián)式。從實驗得到的管外傳熱因子j 的分布情況來看,各種類型的百葉窗翅片的換熱性能差別很大,但都隨Re DC 數(shù)的增加而減小。摩擦因子f 也隨Re DC 數(shù)的增加而減小,且百葉窗的傾斜角度愈小,則摩擦因子愈小(型2的百葉窗角度為13.5&#

17、176;,摩擦因子最小。Wang 27分析了管排數(shù)對換熱的影響的機(jī)理,Re DC 2000時,j 隨管排數(shù)的增加而減小,Re DC 小,下游湍流消失,管后尾流旋渦產(chǎn)生耗散。Re DC 2000時,j 與管排數(shù)無關(guān),Re DC 大,下游的湍流旋渦從管上脫落,使翅片下游區(qū)得到較好的混合。f 則與管排數(shù)無關(guān)。Hatada 28報告了單排百葉窗翅片的性能數(shù)據(jù),他們用兩種傾斜角控制空氣63制冷學(xué)報2002年第4期流場的分布來強(qiáng)化換熱;Wang29發(fā)現(xiàn)翅片間距是影響換熱的重要因素。但以上的研究沒有揭示強(qiáng)化表面在翅片上的分布位置對換熱的作用。Wang30在前人的實驗研究結(jié)果上分析了六種百葉窗翅型,49個換熱

18、器模型,用多重回歸法歸納出一個總的關(guān)聯(lián)式。這一關(guān)聯(lián)式的適用范圍和預(yù)見性大大增強(qiáng)了。各種翅片的性能比較:對各種翅型的熱力性能比較方面的工作也吸引著廣大科研工作者,Wei-m on31實驗比較了平直翅片換熱器、波紋翅及百葉窗翅,得出:相同ReDc下,百葉窗翅的j與f都比平直翅片大;平直翅片的j與f隨翅片間距的減少而增加,但百葉窗翅片沒有這種趨勢;迎面風(fēng)速增大,P 和h都增大;迎面風(fēng)速不變時,壓力降隨管排數(shù)的增加而增加。Wei-m on31同時也比較了這三種翅片管的性能有劣。1用面積優(yōu)度因數(shù)比較法比較: Re Dc1500,單排管時,波紋翅片的2jf最大,平直翅片次之,百葉窗翅片最小;兩排管時,波紋

19、翅片的2jf最大,平直翅片最小,百葉窗翅片次之。2用體積優(yōu)度因數(shù)法比較法比較:百葉窗的性能最好,平直翅最差。3用換熱系數(shù)風(fēng)機(jī)功率法比較,風(fēng)機(jī)功率一定時,管排數(shù)越小,h越大,且百葉窗翅在操作條件相同時性能最好。4用VG1準(zhǔn)則比較:翅間距為1.4mm2.0mm時,百葉窗可減少面積30% 40%,G iovanni32對一些新型翅片表面的性能進(jìn)行了較為全面的比較,他所選用的15個翅片管換熱器的模型幾何尺寸相同,但翅片形狀不同,有平直翅片、波紋翅片、百葉窗翅片和帶翼形的翅片。比較結(jié)果如下:1.百葉窗翅片能強(qiáng)化換熱,但也增大壓力損失。百葉窗高度愈小,壓力降愈大,且不能提高換熱系數(shù)。波紋翅片對j與f的提高

20、都有限。在小Re數(shù)時,百葉窗翅比波紋翅強(qiáng)化換熱的效果好。2.擴(kuò)展式百葉窗的換熱效果幾乎是波紋翅片的兩倍,而壓力降卻只比普通百葉窗翅片略高。3.翼形翅片增強(qiáng)換熱的效果不明顯,但翼形與百葉窗組合的翅片對換熱有明顯的提高。Wang和T ao33將開縫翅片與其他的一些翅片形式進(jìn)行了比較,并作了機(jī)理分析。認(rèn)為翅片間距對平直翅片及開縫翅片影響較大,對百葉窗影響較小。翅片間距與迎面風(fēng)速相同時,開縫翅片的換熱能力比百葉窗翅片小,壓降也小;迎面風(fēng)速增大,這種趨勢也進(jìn)一步增大。這是因為當(dāng)Re數(shù)達(dá)到臨界值時,間斷表面會產(chǎn)生旋渦脫落,流體保持?jǐn)[動流動,增強(qiáng)換熱。翅片間距越密,臨界Re數(shù)越小,越容易產(chǎn)生旋渦的脫落。對屬

21、于表面起伏變化的百葉窗翅片而言,氣流能夠在相鄰翅片間產(chǎn)生更好的混合,強(qiáng)化換熱的機(jī)理與間斷翅片不一樣。翅片間距小時,管排數(shù)增加,換熱能力下降很大,因為風(fēng)速減小,每片翅片尾流區(qū)的溫度提高,減弱了換熱。這種現(xiàn)象隨管排數(shù)的增加表現(xiàn)得尤為突出。當(dāng)管排數(shù)增大時,這種現(xiàn)象會抵消掉旋渦脫落的強(qiáng)化換熱效果,所以,換熱因子j在多管排數(shù)時與管排數(shù)無關(guān)。同樣,摩擦因子也遵循這個規(guī)律。特別是間斷表面這種現(xiàn)象更為突出。4緊湊式換熱器研究的發(fā)展趨勢由于緊湊式換熱器的換熱及流動機(jī)理很復(fù)雜,結(jié)構(gòu)參數(shù)多而且尺寸小,實驗?zāi)Ｐ偷募庸すに嚤仨殗?yán)格控制才能的到有價值的實驗數(shù)據(jù),模型的模具制造成本高,這給實驗研究、分析研究、數(shù)值模擬都帶來

22、困難。在許多科研人員的多年努力下,正一步一步揭示其換熱和流動機(jī)理,得到許多強(qiáng)化換熱的方法,也不斷發(fā)明新的表面形狀,并將這些表面形狀生產(chǎn)出來,用于空調(diào)換熱器中。在這方面換熱器制造商作出了很大貢獻(xiàn),可惜實驗數(shù)據(jù)無法共享。所以,無法將這些翅片形狀的應(yīng)用作有效的推廣。另外,每個廠家各自掌握著幾種翅片形式的大量數(shù)據(jù),科研人員手中的數(shù)據(jù)又十分有限,各種翅片性能相互比較的工作進(jìn)行得卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。許多空調(diào)生產(chǎn)廠家在換熱器翅片選型方面存在著盲目性,各種翅片的換熱性能及流動特性的實驗關(guān)聯(lián)式運用起來也不方便。家用空調(diào)器中緊湊式換熱器的發(fā)展和研究還有以下工作有待進(jìn)行。1.發(fā)展數(shù)值模擬技術(shù),減小實物實驗的成本和研究周期。

23、特別是與實驗研究的有效結(jié)合可以獲得豐富有價值的數(shù)據(jù)。2.對新型翅片形式的研究,需要進(jìn)一步擴(kuò)大幾何參數(shù)范圍和工況范圍,得到預(yù)見性及外推性更好的擬合式。3.設(shè)計計算中不定因素的確定需要進(jìn)一步地收集數(shù)據(jù)。4.實驗關(guān)聯(lián)式的擬合方法及結(jié)果應(yīng)進(jìn)一步改善,使其更好地為實際生產(chǎn)所用。5.各種翅片的性能比較需做大量的工作,使比較結(jié)果更全面更符合工廠的需要。6.科研工作還需緊跟生產(chǎn)實踐,一些在生產(chǎn)實踐證明的翅片改型需要不斷總結(jié)和揭示其內(nèi)在的換熱機(jī)理。參考文獻(xiàn)73制冷學(xué)報2002年第4期S AE Paper No.650470,1965.-fin heat exchanger ,S AE.Paper N o.730

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