翅片式换热器优化设计的探讨

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1、翅片式换热器优化设计的探讨翅片式换热器现在仍然是大部分空调制冷设备常用的换热部件，虽然因为高效能产品需要高效的换热器，但目前为止，还没有比较成熟的高效换热器来取代它。因此，对翅片式换热器的优化设计在产品设计中就显得尤其重要，通过提高换热效率，不仅能提高产品能效，还可以节省成本和缩小产品体积。翅片式换热器的研究在空调制冷行业内已经有许多专业人员在做了，无论是通过建立模型计算，还是用计算机模拟，甚至是实验测试，总结和积累了许多宝贵的理论和经验。换热器的基本计算公式是：Q=KxFxΔtmQ—单位时间通过传热面的传热量，WK—传热系数，W/m2.CF—传热面积，

2、m2Δtm—冷热流体间的平均传热温差，CΔtm=(Δtmax-Δtmin)/ln(Δtmax/Δtmin)Δtmax—换热器两端冷热流体间温差的最大值，CΔtmin--换热器两端冷热流体间温差的最小值，C从上面的公式可以看出，换热器要想获得较大的换热量，只能通过改变上面的三个方面：（1）K，传热系数，它反应了换热的效率，如加强风流的扰动可以提高换热效率；（2）F，传热面积，它反应的换热器结构的大小，如使用内螺纹管，既可以增加换热面积，也可加强制冷剂扰动，提高换热效率；（3）Δtm，传热温差，它反应换热流体之间的温度差异，选用合适的流动方向，使传热温差尽可

3、能大。这三个参数并不是独立，它们互相作用，并不能只追求单一值的增加，而应该综合考虑，找出各个参数之间的平衡点，这才能使换热器的换热量达到最大值。首先来分析下对数平均温差的影响，以前设计换热器时，总想用逆流的换热方式，因为理论上这种换热方式的平均温差最大，而顺流时的平均温差最小，其它则介于这两种之间。首先，这对于无相变的换热来说是正确的，其次，对于比较简单的传导方式如上图所示，也是正确的。但是，空调制冷产品用的翅片式换热器是一个带有相变的，结构及换热方式也比较复杂的设备，所以不能只单纯应用这一原则，而还要考虑别的因素。对于空调制冷产品用的换热器，上面是相变

4、换热时温度的变化，通过对数平均温差可知，无论是顺流还是逆流，都是相等的，不过对于实际使用的翅片式换热器，并不都是相变换热，如冷凝器进口是过热制冷剂气体，出口是过冷制冷剂液体，蒸发器出口是过热制冷剂气体，但这是为了避免回液而设计的，不需要优化设计考虑。换热器的流程相对复杂些，但可以按照上面右图来处理。下面来讨论现有研究中关于冷凝器几种典型的几种流路的性能比较，见右图，为了讨论方便，命名上述六种流路如下：（a）U形顺流；（b）U形逆流；（c）倒U形顺流；（d）倒U形逆流；（e）Z形逆流；（f）Z形顺流。从上图可知，在相同流量下，U形逆流和倒U形逆流（已经重叠

5、在一起了）是换热效果最好的，而U形顺流和倒U形顺流（也重叠在一起了）是最差的。而且流量越大，差异越明显。其它介于两者之间，这和关于对数平均温差的讨论结果一致。而对于制冷剂在管内的压降，随着流量增大，不可避免的增大，而顺流的压降要比其他几种小。随着流量的增大，逆流和Z形流路压降相差越来越小。在实际空调应用中，6KW以上制冷量流量是100kg/h，质量流量在70kg/m2.s左右，一般最高不要超过500kg/m2.s。但是，有文献在讨论流路设计时，给出以下流路方案及实验结果：从右边的图来看，b流路是Z形顺流，但和上面的Z形顺流有些变化，那就是有两路Z形顺流交

6、叉向下流动。c流路是3路倒U形逆流，不过在下部加了几根过热管。分析实验的数据可知，冷凝器外形相同，那么总体换热面积相同，对数平均温差c流路比b流路大，但总换热系数c流路比b流路要小。而最后c流路的换热量比b流路的要小。从制冷剂进出口状态和流量可知，这个实验是设定进出口状态，而让流量作为变量，而前一个实验是定流量测试的结果。另外c流路是3支路，b流路是2支路，从一些文献的讨论中有这样的一种结论：冷凝器随着支路数的增加，制冷剂流量在减小，总换热系数也随之减小，从而使冷凝器换热量减小。而该实验的文献在分析时则指出主要是分路的方法和流路的走向引起的。b流路两路入

7、口在相近的位置，高度差几乎可以忽略，所以分配均匀，而制冷剂都是从上往下流，充分利用重力，所以压力损失小。c流路的3个分路高度差比较大，所以会产生制冷剂分流的不均匀，因为在最下面的分路的出口要承受上面分路出口液体的压力，所以这个分路流量最小，最上面的则最大。另外c流路有上升段，这也会增加压力损失。从实验数据中总换热系数的减小，到制冷剂流量的减小可以看出，都和以上分析吻合。以上都是以单一管路来设计实验，下面给出两种不同流路的冷凝器在实际产品中的实验分析研究：（a）Z形顺流；（b）倒U形逆流。从下面表格中的参数可以看出，（b）倒U形的冷凝器比（a）Z形顺流的换

8、热量要大，这样就使压缩机功耗也下降了，过冷度上升了使制冷量也增加了。这和定流量的