【HETA】风冷冷凝器流路布置对换热性能影响的试验研究
风冷冷凝器被广泛应用于制冷空调系统，为了改善其性能，常常采用以下几种方式：①增大传热系数；②增加换热面积；③增大空气侧和制冷剂侧的平均温差。研究发现，改变冷凝器的流程将使冷凝器的换热特性产生很大的变化。最优的流程布置应使平均温差和传热系数的综合效果最佳，以取得较高的换热量。
因此今天我们就通过对换热面积相同，但分路数及对应的流程长度不同的2种翅片管式风冷冷凝器进行换热性能试验研究，并对试验结果进行分析。
一：实验方案
1、试验装置
试验在焓差实验室进行，试验系统如图1所示。
由压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器等组成制冷系统。系统制冷剂为R22，充注量5 kg，低温压缩机排量83.2 cm3／r，标准冷量9 500 W。
试验过程中，调节主节流装置和辅助节流装置以控制系统的蒸发压力，冷凝器空气侧进口干球温度设定为32℃，湿球温度设定为21℃，测量冷凝器出口空气的干湿球温度和流量，利用空气焓差法确定冷凝器的换热量。
2、冷凝器形式
冷凝器的总换热面积为39.2 m2，结构参数如表1所示。
冷凝器的2种流程布置如图2所示。
冷凝器A平均分为上下2部分，14路进14路出，每个分路均包括8根换热管，流程长度8 m。制冷剂蒸气经过总进气集管、分进气集管进入各分路，冷凝液体经各分路出口、分出液集管、总出液集管流出。
冷凝器B为整体式，1 0路进1 0路出，上面8路均包括12根换热管，流程长度12 m；第9路包括10根换热管，流程长度10 m；第10路包括6根换热管，流程长度6 m。制冷剂蒸气经过总进气集管进入各分路，冷凝液体经各分路出口、总出液集管流出。
二：实验结果及分析
1、试验结果
在－40～－5℃的蒸发温度范围内，对2种冷凝器的冷凝温度、换热量、排风温度及各分路进出口温度等进行测量。
图3所示为2种冷凝器的冷凝温度对比，图4所示为2种冷凝器的换热量对比。由图可以看出，在－40～－5℃蒸发温度范围内，冷凝器A的冷凝温度均高于冷凝器B，平均高2℃左右；冷凝器A的换热量均小于冷凝器B，平均低500 W左右。2种冷凝器换热面积相同，冷凝器A的冷凝温度高而换热量小，这表明冷凝器A的换热面积没有被充分利用，换热性能不好。
根据试验过程中实测的冷凝温度及冷凝器进出风温度，计算对数平均温差△t：
式中：△tmax为冷热流体的最大温差；△tmin为冷热流体的最小温差。
两种冷凝器的对数平均温差如图5所示。由图可以看出，在－40～－5℃蒸发温度范围内，冷凝器A与冷凝器B的对数平均温差值基本相当。
根据传热方程：Q=FK△t，得出传热系数K的计算公式为：K=Q／(F△t)，其中，Q为试验测得的冷凝器换热量，F为冷凝器总换热面积，△t为对数平均温差。2种冷凝器的传热系数如图6所示。
由图可以看出，在－40～－5℃蒸发温度范围内，冷凝器A的传热系数均低于冷凝器B，平均小4W/(㎡·K)左右。
2、对传热系数差异的原因分析
1） 制冷剂流速的影响
两种冷凝器的最显著区别是分路数不同，分路数直接影响制冷剂流速，计算2种冷凝器各个分路进口气体的平均流速，如图7所示。
由图7可以看出，在－40～－5℃的蒸发温度范围内，冷凝器A的各个分路制冷剂进口气体平均流速均低于冷凝器B，平均低0.6 m/s左右。
试验所用翅片管均为新加工的，忽略污垢热阻和间隙热阻，冷凝器传热系数为：
式中：hi为管内传热系数；λ为管壁导热系数；ho为管外传热系数；do为换热管外径；di为换热管内径。
冷凝器换热过程中，冷凝管入口处为纯蒸气，出口处基本为纯液体，实现全部管内冷凝。随着冷凝的进行，管内壁面凝结液膜不断增厚，阻碍了蒸气与壁面的接触，成为凝结换热主要热阻。蒸气流速较低时，换热管内壁面很快形成稳定液膜并增厚，管内传热系数ho较小。随着蒸气流速提高，液膜稳定性降低，液膜厚度减薄，管内传热系数hi变大，总传热系数提高，冷凝器换热能力增强。冷凝器B的蒸气流速较高，因而传热系数较大。
2） 冷凝器积液的影响
通过测量2种冷凝器各分路制冷剂进出口的温度发现，在－40～－20℃蒸发温度范围内，冷凝器A的下部出现了明显的积液现象，并且随着蒸发温度的下降，出现积液的管路增多，而冷凝器B未出现明显的积液现象。图8和图9分别为冷凝器A和冷凝器B在－20℃时各分路制冷剂进出口的温度。
如图8所示，在－20℃时，冷凝器A的第13和14分路的入口温度明显下降，表明该分路的液体制冷剂没有充分的流动循环，气体制冷剂的流动量减少，冷凝器出现积液现象。
如图9所示，在－20℃时，冷凝器B的各个分路制冷剂进出口温差基本相同，入口温度无明显下降，表明各分路的液体制冷剂充分流动循环，未出现积液现象。
冷凝器分路数越多，越容易出现制冷剂流量分配不均的现象，制冷剂蒸气通过进气集管进入冷凝器每个分路，由于进气集管竖直放置，各分路入口有高度差，无论集管入口安排在任何位置，各分路入口都会产生分流不均匀现象；出液集管竖直放置，每一路出口与出液集管出口间都存在一定压力的液柱，靠下的分路液柱压力大些，靠上的分路液柱压力小些，这将加剧制冷剂流量分配不均。靠下的分路流动阻力大，制冷剂流量小，流速慢，不易循环流动，容易产生积液现象。因此，可以适当减小靠下分路的流程长度，以均衡冷凝器的换热效果，减少积液现象。
冷凝器A分路数较多，出液集管出液口位置居中，制冷剂流量分配不均现象严重，而且各分路流程长度相同，下部管路易积液。冷凝器B分路数较少，出液集管出液口位置较靠下，制冷剂流量分配不均现象较轻，且最下边2路的冷凝管数目较少，流程较短，不易产生积液现象。
三：结论
根据2种流程布置不同的风冷冷凝器的试验结果得出如下结论：
1)冷凝器的分路数及流程长度对换热性能有重要影响；
2)合理选择冷凝器的分路数，增大制冷剂流速，可以提高传热系数，进而增加冷凝器的换热量；
3)合理选择冷凝器的分路数、流程长度及降低出液集管出液口位置，可以有效避免积液现象，充分发挥冷凝器的换热能力。
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