風冷式冷水機組用翅片管式換熱器組件的結構改
在多“V形結構翅(chi)片管式(shi)(shi)(shi)換熱器(qi)(qi)組件的基礎(chu)上，提出一(yi)種新型結構，此結構形式(shi)(shi)(shi)能(neng)夠(gou)改(gai)善翅(chi)片管式(shi)(shi)(shi)換熱器(qi)(qi)組件空氣側(ce)的風(feng)量分布，使靠外側(ce)“V”形組件中2個翅(chi)片管式(shi)(shi)(shi)換熱器(qi)(qi)的風(feng)量比從(cong)1.3：1改(gai)善至1：1，制冷模式(shi)(shi)(shi)下的制冷劑液體溫度差由原來的約(yue)7℃減小到1．5℃，提高整個翅(chi)片管式(shi)(shi)(shi)換熱器(qi)(qi)組件的效率(lv)。
關鍵詞：冷水機組(zu)；“V”形(xing)結構；風量分(fen)配(pei)；翅片管式換熱(re)器；中央空(kong)調管理；同方科迅
隨(sui)著制冷(leng)(leng)空調行(xing)業(ye)的發展以及(ji)新技術(shu)、新工藝在現代工業(ye)生產領(ling)域中的應用，不斷(duan)提(ti)高(gao)產品的技術(shu)含量、追求高(gao)效節能、最(zui)大限度地獲取經濟(ji)效益(yi)，己成為(wei)企業(ye)組織生產所遵循的基(ji)本原則。翅(chi)片管式換(huan)熱(re)器作(zuo)為(wei)制冷(leng)(leng)空調領(ling)域中廣泛采用的一(yi)種換(huan)熱(re)器形式，一(yi)直備受國內外(wai)研究人員的重視。
張(zhang)凡等對4種(zhong)工(gong)程常用的(de)(de)(de)(de)(de)翅(chi)(chi)片(pian)管式(shi)換(huan)熱(re)(re)器進(jin)行(xing)試驗研究，給出了在工(gong)業常用的(de)(de)(de)(de)(de)雷諾數范圍(wei)內的(de)(de)(de)(de)(de)換(huan)熱(re)(re)和阻力特性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)試驗關(guan)聯式(shi)，供工(gong)程實際選用。肖皓斌指出減小翅(chi)(chi)片(pian)厚(hou)度(du)或(huo)換(huan)熱(re)(re)管尺(chi)寸都會(hui)導致整體換(huan)熱(re)(re)性(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)下降，為了保證相同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)換(huan)熱(re)(re)量，需要綜合考慮(lv)成本和性(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響。張(zhang)春路等研究了不(bu)同(tong)風(feng)(feng)(feng)速(su)(su)分(fen)(fen)布形式(shi)及風(feng)(feng)(feng)速(su)(su)不(bu)均勻度(du)對熱(re)(re)泵（空調）中冷凝和蒸(zheng)發兩(liang)用換(huan)熱(re)(re)器性(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響，并(bing)(bing)提(ti)出了一種(zhong)全交錯(cuo)性(xing)(xing)流(liu)路設計，降低風(feng)(feng)(feng)速(su)(su)不(bu)均勻性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響，提(ti)高換(huan)熱(re)(re)器效率。筆(bi)者在現有多“V”形結(jie)構翅(chi)(chi)片(pian)管式(shi)換(huan)熱(re)(re)器組件的(de)(de)(de)(de)(de)基礎(chu)上，提(ti)出一種(zhong)新(xin)(xin)型結(jie)構，模擬分(fen)(fen)析新(xin)(xin)型結(jie)構內各翅(chi)(chi)片(pian)管式(shi)換(huan)熱(re)(re)器的(de)(de)(de)(de)(de)風(feng)(feng)(feng)量分(fen)(fen)配(pei)并(bing)(bing)進(jin)行(xing)試驗驗證，結(jie)果表明新(xin)(xin)型結(jie)構的(de)(de)(de)(de)(de)翅(chi)(chi)片(pian)管式(shi)換(huan)熱(re)(re)器組件性(xing)(xing)能(neng)優(you)于現有結(jie)構的(de)(de)(de)(de)(de)翅(chi)(chi)片(pian)管式(shi)換(huan)熱(re)(re)器組件性(xing)(xing)能(neng)。
1現有(you)結構
風(feng)冷式(shi)(shi)(shi)冷水(shui)機(ji)組(zu)(zu)用(yong)翅(chi)(chi)(chi)片(pian)(pian)管(guan)式(shi)(shi)(shi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)組(zu)(zu)件均為(wei)多個翅(chi)(chi)(chi)片(pian)(pian)管(guan)式(shi)(shi)(shi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)的組(zu)(zu)合，整(zheng)體(ti)結(jie)(jie)構(gou)設(she)計(ji)對(dui)其(qi)性能影(ying)響不可(ke)忽視(shi)。最常(chang)見(jian)的結(jie)(jie)構(gou)設(she)計(ji)有倒“M”形(xing)和(he)“V”形(xing)，V”形(xing)結(jie)(jie)構(gou)以其(qi)布(bu)置(zhi)靈活(huo)、擴展(zhan)性好的優點(dian)在業內廣泛被(bei)采用(yong)。尤(you)其(qi)是模塊化(hua)設(she)計(ji)的產品，對(dui)此結(jie)(jie)構(gou)非常(chang)青睞(lai)。圖(tu)1所示(shi)為(wei)常(chang)見(jian)“V”形(xing)結(jie)(jie)構(gou)翅(chi)(chi)(chi)片(pian)(pian)管(guan)式(shi)(shi)(shi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)組(zu)(zu)件示(shi)意圖(tu)，沿換(huan)熱(re)(re)管(guan)方(fang)向一(yi)般比(bi)(bi)較(jiao)短，進(jin)風(feng)條件比(bi)(bi)較(jiao)優越，翅(chi)(chi)(chi)片(pian)(pian)管(guan)式(shi)(shi)(shi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)
同(tong)方科迅中央(yang)空調管理
圖(tu)1常見“V”形結構翅片管式(shi)換熱器組件示意(yi)圖(tu)
組(zu)(zu)(zu)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)整(zheng)體利(li)用(yong)率相對比較高(gao)。然(ran)而筆者(zhe)在(zai)使(shi)用(yong)過程中發現，在(zai)名義制冷工(gong)況（即(ji)空(kong)氣干球溫(wen)(wen)(wen)度為35℃，水側(ce)(ce)(ce)進／出(chu)口水溫(wen)(wen)(wen)為12℃／7℃）下，靠外側(ce)(ce)(ce)的(de)(de)(de)“V”形(xing)組(zu)(zu)(zu)件(jian)(jian)2個(ge)翅(chi)片(pian)管式換(huan)(huan)(huan)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)器(qi)的(de)(de)(de)出(chu)口制冷劑液體溫(wen)(wen)(wen)度相差(cha)比較大(da)，如表(biao)1所(suo)示(shi)。由于溫(wen)(wen)(wen)度測點使(shi)用(yong)的(de)(de)(de)是熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)電(dian)偶，測量(liang)值有(you)士(shi)0．5℃的(de)(de)(de)偏差(cha)。表(biao)中翅(chi)片(pian)管式換(huan)(huan)(huan)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)器(qi)1和2，5和6分別組(zu)(zu)(zu)成一(yi)個(ge)“V”形(xing)組(zu)(zu)(zu)件(jian)(jian)，布置(zhi)在(zai)整(zheng)個(ge)組(zu)(zu)(zu)件(jian)(jian)的(de)(de)(de)外側(ce)(ce)(ce)，如圖2所(suo)示(shi)。翅(chi)片(pian)管式換(huan)(huan)(huan)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)器(qi)1和6的(de)(de)(de)溫(wen)(wen)(wen)度比翅(chi)片(pian)管式換(huan)(huan)(huan)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)器(qi)2和5的(de)(de)(de)低，說明在(zai)這2個(ge)“V”形(xing)組(zu)(zu)(zu)件(jian)(jian)中2個(ge)翅(chi)片(pian)管式換(huan)(huan)(huan)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)器(qi)換(huan)(huan)(huan)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)不均勻；另(ling)外在(zai)名義制熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)工(gong)況下，靠外側(ce)(ce)(ce)的(de)(de)(de)“V”形(xing)組(zu)(zu)(zu)件(jian)(jian)中內(nei)側(ce)(ce)(ce)的(de)(de)(de)翅(chi)片(pian)管式換(huan)(huan)(huan)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)器(qi)2和5結(jie)霜嚴重(zhong)。翅(chi)片(pian)管式換(huan)(huan)(huan)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)器(qi)結(jie)霜可能(neng)是因為制冷劑分配不均勻或風量(liang)偏小(xiao)，再結(jie)合(he)制冷工(gong)況下，液體溫(wen)(wen)(wen)度偏高(gao)，筆者(zhe)認為靠外側(ce)(ce)(ce)的(de)(de)(de)“V”形(xing)組(zu)(zu)(zu)件(jian)(jian)2個(ge)翅(chi)片(pian)管式換(huan)(huan)(huan)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)器(qi)的(de)(de)(de)風量(liang)分配不均勻是主因之一(yi)，并采用(yong) FLOEFD模擬(ni)軟件(jian)(jian)對現有(you)結(jie)構的(de)(de)(de)空(kong)氣側(ce)(ce)(ce)風量(liang)分配進行模擬(ni)分析。
表(biao)1現有結構的每個翅(chi)片(pian)管式換(huan)熱器出口(kou)制冷劑(ji)液(ye)體溫度
同方科迅中央空調管(guan)理
圖(tu)2 現(xian)有結(jie)構的翅片管式換熱器組件模(mo)擬分析原(yuan)型圖(tu)
圖2所示(shi)為現(xian)有翅(chi)片管(guan)(guan)式(shi)換熱器(qi)(qi)(qi)組件的模擬分析原型圖，與(yu)試驗(yan)樣機(ji)布(bu)(bu)置結構(gou)相同，翅(chi)片管(guan)(guan)式(shi)換熱器(qi)(qi)(qi)1和2，5和6分別為一個(ge)“V”形組件，布(bu)(bu)置在外側(ce)；6個(ge)翅(chi)片管(guan)(guan)式(shi)換熱器(qi)(qi)(qi)幾何尺(chi)寸相同，所用(yong)銅(tong)管(guan)(guan)和翅(chi)片亦相同。假(jia)設流動是穩態的，空氣為不(bu)可壓縮的常物性流體，忽略浮升力(li)作(zuo)用(yong)，進出口均為環境壓力(li)，控(kong)制方(fang)(fang)程(cheng)(cheng)有連續性方(fang)(fang)程(cheng)(cheng)和動量方(fang)(fang)程(cheng)(cheng)，不(bu)求解能量方(fang)(fang)程(cheng)(cheng)。風機(ji)定義為風機(ji)邊界，每個(ge)翅(chi)片管(guan)(guan)式(shi)換熱器(qi)(qi)(qi)設定為同向性多孔介質(zhi)，阻力(li)曲線見圖3，計算的控(kong)制精度為風量±0．01m2／s，壓降±0．1Pa
同方科(ke)迅(xun)中央空調(diao)管理(li)
圖(tu)3單個翅片(pian)管式換熱(re)器的(de)風量壓降曲線
模(mo)(mo)擬結(jie)(jie)果如(ru)表2所示，可以看出，中間“V”形組件的(de)翅片(pian)(pian)管式(shi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)風(feng)(feng)(feng)量相(xiang)近(jin)。而靠近(jin)外側的(de)“V”形組件，翅片(pian)(pian)管式(shi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)1和(he)6比(bi)2和(he)5進風(feng)(feng)(feng)條件優越，因此得風(feng)(feng)(feng)量相(xiang)對較多，多了近(jin)30％。與之(zhi)相(xiang)反，翅片(pian)(pian)管式(shi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)2和(he)5得風(feng)(feng)(feng)量少，換(huan)熱(re)(re)效(xiao)率(lv)低，出口液體(ti)溫度相(xiang)對翅片(pian)(pian)管式(shi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)1和(he)6較高(gao)，并(bing)且在(zai)制(zhi)熱(re)(re)模(mo)(mo)式(shi)下結(jie)(jie)霜(shuang)嚴重。模(mo)(mo)擬結(jie)(jie)果與試驗(yan)現象比(bi)較吻合，證明了風(feng)(feng)(feng)量分配是(shi)整個(ge)翅片(pian)(pian)管式(shi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)(qi)組件效(xiao)率(lv)低的(de)主因。
表2現有結構的每個翅片管式換熱器(qi)風(feng)量模擬結果(guo)
同方科迅中央空調管理
2新型結構(gou)(gou)設計與(yu)試(shi)驗(yan)驗(yan)證2．1新型結構(gou)(gou)設計
新(xin)型結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)翅(chi)(chi)片(pian)(pian)管(guan)(guan)式(shi)(shi)換(huan)(huan)熱(re)器(qi)組(zu)(zu)(zu)件(jian)(jian)(jian)是在(zai)現(xian)(xian)有(you)的(de)多(duo)“V”形(xing)(xing)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)的(de)基礎(chu)上，通過調整靠(kao)(kao)外(wai)(wai)側(ce)“V＂形(xing)(xing)組(zu)(zu)(zu)件(jian)(jian)(jian)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)2個(ge)翅(chi)(chi)片(pian)(pian)管(guan)(guan)式(shi)(shi)換(huan)(huan)熱(re)器(qi)的(de)進風(feng)(feng)面積(ji)，達到風(feng)(feng)量分配均勻的(de)目的(de)。在(zai)設(she)計(ji)過程中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)，充分考慮翅(chi)(chi)片(pian)(pian)管(guan)(guan)式(shi)(shi)換(huan)(huan)熱(re)器(qi)組(zu)(zu)(zu)裝的(de)難易程度、對現(xian)(xian)有(you)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)形(xing)(xing)式(shi)(shi)的(de)影響(xiang)以及風(feng)(feng)機安裝和(he)進風(feng)(feng)面的(de)影響(xiang)等多(duo)方面因素，兼顧制(zhi)熱(re)模式(shi)(shi)運(yun)行特點(dian)。最終設(she)計(ji)得到如圖4所(suo)示的(de)新(xin)型結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)。新(xin)型結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)的(de)6個(ge)翅(chi)(chi)片(pian)(pian)管(guan)(guan)式(shi)(shi)換(huan)(huan)熱(re)器(qi)外(wai)(wai)形(xing)(xing)幾何尺寸相同，所(suo)用銅(tong)管(guan)(guan)和(he)翅(chi)(chi)片(pian)(pian)亦相同。翅(chi)(chi)片(pian)(pian)管(guan)(guan)式(shi)(shi)換(huan)(huan)熱(re)器(qi)1和(he)6垂直放置(zhi)，翅(chi)(chi)片(pian)(pian)管(guan)(guan)式(shi)(shi)換(huan)(huan)熱(re)器(qi)2和(he)5與(yu)水平面夾角(jiao)為55～6°，中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)間翅(chi)(chi)片(pian)(pian)管(guan)(guan)式(shi)(shi)換(huan)(huan)熱(re)器(qi)3和(he)4與(yu)水平面夾角(jiao)稍大些，在(zai)68～72范圍(wei)內。經過模擬分析(xi)發現(xian)(xian)靠(kao)(kao)外(wai)(wai)側(ce)“V”形(xing)(xing)組(zu)(zu)(zu)件(jian)(jian)(jian)2個(ge)翅(chi)(chi)片(pian)(pian)管(guan)(guan)式(shi)(shi)換(huan)(huan)熱(re)器(qi)的(de)風(feng)(feng)量分配已經趨于(yu)均勻（見表(biao)3）。此(ci)新(xin)型結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)翅(chi)(chi)片(pian)(pian)管(guan)(guan)式(shi)(shi)換(huan)(huan)熱(re)器(qi)組(zu)(zu)(zu)件(jian)(jian)(jian)保留了(le)“V”形(xing)(xing)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)的(de)優(you)點(dian)，對整機的(de)結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)尺寸幾乎沒有(you)影響(xiang)，安裝方便，結(jie)(jie)構(gou)(gou)(gou)簡潔(jie)。同時能(neng)夠實現(xian)(xian)模塊化設(she)計(ji)，在(zai)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)間增減“V”形(xing)(xing)組(zu)(zu)(zu)件(jian)(jian)(jian)可達到改變整體翅(chi)(chi)片(pian)(pian)管(guan)(guan)式(shi)(shi)換(huan)(huan)熱(re)器(qi)組(zu)(zu)(zu)件(jian)(jian)(jian)面積(ji)的(de)目的(de)。
同(tong)方科(ke)迅中央空調管理
2．2試驗(yan)驗(yan)證
試(shi)驗樣機(ji)是一臺(tai)名義制冷量(liang)為300kW的風冷式冷水（熱泵）機(ji)組，測(ce)試(shi)翅片(pian)管式換熱器的主要(yao)尺寸如表4所示，測(ce)試(shi)翅片(pian)管式換熱器組件結(jie)構如圖(tu)5所示。
同方科迅(xun)中央空(kong)調(diao)管(guan)理
在國家認(ren)證的(de)(de)(de)標準實驗(yan)(yan)(yan)室(shi)中利用樣機(ji)做(zuo)了驗(yan)(yan)(yan)證試(shi)驗(yan)(yan)(yan)，根據試(shi)驗(yan)(yan)(yan)要求布置(zhi)相應的(de)(de)(de)測(ce)試(shi)點(dian)，主要測(ce)點(dian)有壓(ya)縮機(ji)吸(xi)氣溫度(du)(du)、排氣溫度(du)(du)、吸(xi)氣壓(ya)力、排氣壓(ya)力，蒸(zheng)發器(qi)側(ce)載冷劑溫度(du)(du)和(he)流量、翅(chi)片(pian)管(guan)式(shi)(shi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)出口溫度(du)(du)等。試(shi)驗(yan)(yan)(yan)采(cai)用風(feng)(feng)速(su)(su)(su)儀測(ce)量翅(chi)片(pian)管(guan)式(shi)(shi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)的(de)(de)(de)迎(ying)面風(feng)(feng)速(su)(su)(su)。為了能夠一(yi)(yi)次性讀取翅(chi)片(pian)管(guan)式(shi)(shi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)表面的(de)(de)(de)多(duo)點(dian)風(feng)(feng)速(su)(su)(su)，采(cai)用高精度(du)(du)多(duo)點(dian)風(feng)(feng)速(su)(su)(su)儀，在靠外側(ce)2個(ge)“V”形(xing)組(zu)件表面的(de)(de)(de)相同位(wei)置(zhi)，選取中間(jian)200mm的(de)(de)(de)寬度(du)(du)，沿(yan)高度(du)(du)方(fang)向(xiang)均勻劃分方(fang)格(ge)，每(mei)個(ge)方(fang)格(ge)的(de)(de)(de)中心(xin)點(dian)設置(zhi)一(yi)(yi)個(ge)風(feng)(feng)速(su)(su)(su)測(ce)量點(dian)。每(mei)個(ge)翅(chi)片(pian)管(guan)式(shi)(shi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)的(de)(de)(de)迎(ying)面風(feng)(feng)速(su)(su)(su)選取各(ge)測(ce)點(dian)的(de)(de)(de)平(ping)均值(zhi)，風(feng)(feng)量由迎(ying)面風(feng)(feng)速(su)(su)(su)和(he)迎(ying)風(feng)(feng)面積(ji)獲得(de)。試(shi)驗(yan)(yan)(yan)結果與模擬對(dui)比如圖6所示，兩者的(de)(de)(de)最大偏差在士5％以內，在測(ce)量過(guo)程中，工裝振動對(dui)多(duo)點(dian)風(feng)(feng)速(su)(su)(su)儀的(de)(de)(de)測(ce)量有干擾，每(mei)個(ge)翅(chi)片(pian)管(guan)式(shi)(shi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)測(ce)3次，取平(ping)均值(zhi)，以減小測(ce)量誤差。
同方科迅(xun)中(zhong)央空調管理
圖5測(ce)試樣機上的新型結構翅片管式換熱器組件實物圖
同方科迅中央空調管理
圖(tu)6新型結構靠外(wai)側“V”形(xing)組件翅片管式(shi)換熱器(qi)模擬風量和試(shi)驗風量對比圖(tu)
在名(ming)義(yi)制(zhi)冷(leng)工(gong)況下(xia)，靠外側“V”形組(zu)件2個(ge)翅(chi)(chi)片管式(shi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)的制(zhi)冷(leng)劑溫(wen)度(du)差值(zhi)縮小到1．5℃以內(nei)，見表5。新型(xing)結構下(xia)的飽和冷(leng)凝溫(wen)度(du)下(xia)降(jiang)了1．1℃。在名(ming)義(yi)制(zhi)熱(re)(re)模式(shi)下(xia)，未(wei)出現翅(chi)(chi)片管式(shi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)結霜現象。此(ci)新型(xing)結構改(gai)善了整個(ge)翅(chi)(chi)片管式(shi)換(huan)熱(re)(re)器(qi)組(zu)件的換(huan)熱(re)(re)性能。
表5新型結構(gou)靠外側“V”形組件翅片管式換(huan)熱器出(chu)口制冷(leng)劑液體(ti)溫度
同方科迅中(zhong)央空調管理
同方科迅(xun)中央空(kong)調(diao)管(guan)理
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