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风冷式冷水机组用翅片管式换热器组件的结构改

时间:2019-02-18 13:19   来源:同方科迅官网

在多“V形结构翅片管式换热器组件的基础上,提出一种新型结构,此结构形式能够改善翅片管式换热器组件空气侧的风量分布,使靠外侧“V”形组件中2个翅片管式换热器的风量比从1.3:1改善至1:1,制冷模式下的制冷剂液体温度差由原来的约7℃减小到1.5℃,提高整个翅片管式换热器组件的效率。

关键词:冷水机组;“V”形结构;风量分配;翅片管式换热器;中央空调管理;同方科迅

随着制冷空调行业的发展以及新技术、新工艺在现代工业生产领域中的应用,不断提高产品的技术含量、追求高效节能、最大限度地获取经济效益,己成为企业组织生产所遵循的基本原则。翅片管式换热器作为制冷空调领域中广泛采用的一种换热器形式,一直备受国内外研究人员的重视。

张凡等对4种工程常用的翅片管式换热器进行试验研究,给出了在工业常用的雷诺数范围内的换热和阻力特性的试验关联式,供工程实际选用。肖皓斌指出减小翅片厚度或换热管尺寸都会导致整体换热性能的下降,为了保证相同的换热量,需要综合考虑成本和性能的影响。张春路等研究了不同风速分布形式及风速不均匀度对热泵(空调)中冷凝和蒸发两用换热器性能的影响,并提出了一种全交错性流路设计,降低风速不均匀性的影响,提高换热器效率。笔者在现有多“V”形结构翅片管式换热器组件的基础上,提出一种新型结构,模拟分析新型结构内各翅片管式换热器的风量分配并进行试验验证,结果表明新型结构的翅片管式换热器组件性能优于现有结构的翅片管式换热器组件性能。

1现有结构

风冷式冷水机组用翅片管式换热器组件均为多个翅片管式换热器的组合,整体结构设计对其性能影响不可忽视。最常见的结构设计有倒“M”形和“V”形,V”形结构以其布置灵活、扩展性好的优点在业内广泛被采用。尤其是模块化设计的产品,对此结构非常青睐。图1所示为常见“V”形结构翅片管式换热器组件示意图,沿换热管方向一般比较短,进风条件比较优越,翅片管式换热器

风冷式冷水机组用翅片管式换热器组件的结构改进及试验验证

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图1常见“V”形结构翅片管式换热器组件示意图

组件的整体利用率相对比较高。然而笔者在使用过程中发现,在名义制冷工况(即空气干球温度为35℃,水侧进/出口水温为12℃/7℃)下,靠外侧的“V”形组件2个翅片管式换热器的出口制冷剂液体温度相差比较大,如表1所示。由于温度测点使用的是热电偶,测量值有士0.5℃的偏差。表中翅片管式换热器1和2,5和6分别组成一个“V”形组件,布置在整个组件的外侧,如图2所示。翅片管式换热器1和6的温度比翅片管式换热器2和5的低,说明在这2个“V”形组件中2个翅片管式换热器换热不均匀;另外在名义制热工况下,靠外侧的“V”形组件中内侧的翅片管式换热器2和5结霜严重。翅片管式换热器结霜可能是因为制冷剂分配不均匀或风量偏小,再结合制冷工况下,液体温度偏高,笔者认为靠外侧的“V”形组件2个翅片管式换热器的风量分配不均匀是主因之一,并采用 FLOEFD模拟软件对现有结构的空气侧风量分配进行模拟分析。

表1现有结构的每个翅片管式换热器出口制冷剂液体温度

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图2 现有结构的翅片管式换热器组件模拟分析原型图

图2所示为现有翅片管式换热器组件的模拟分析原型图,与试验样机布置结构相同,翅片管式换热器1和2,5和6分别为一个“V”形组件,布置在外侧;6个翅片管式换热器几何尺寸相同,所用铜管和翅片亦相同。假设流动是稳态的,空气为不可压缩的常物性流体,忽略浮升力作用,进出口均为环境压力,控制方程有连续性方程和动量方程,不求解能量方程。风机定义为风机边界,每个翅片管式换热器设定为同向性多孔介质,阻力曲线见图3,计算的控制精度为风量±0.01m2/s,压降±0.1Pa

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图3单个翅片管式换热器的风量压降曲线

模拟结果如表2所示,可以看出,中间“V”形组件的翅片管式换热器风量相近。而靠近外侧的“V”形组件,翅片管式換热器1和6比2和5进风条件优越,因此得风量相对较多,多了近30%。与之相反,翅片管式换热器2和5得风量少,换热效率低,出口液体温度相对翅片管式换热器1和6较高,并且在制热模式下结霜严重。模拟结果与试验现象比较吻合,证明了风量分配是整个翅片管式换热器组件效率低的主因。

表2现有结构的每个翅片管式换热器风量模拟结果

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2新型结构设计与试验验证2.1新型结构设计

新型结构翅片管式换热器组件是在现有的多“V”形结构的基础上,通过调整靠外侧“V"形组件中2个翅片管式换热器的进风面积,达到风量分配均匀的目的。在设计过程中,充分考虑翅片管式换热器组装的难易程度、对现有结构形式的影响以及风机安装和进风面的影响等多方面因素,兼顾制热模式运行特点。最终设计得到如图4所示的新型结构。新型结构中的6个翅片管式换热器外形几何尺寸相同,所用铜管和翅片亦相同。翅片管式换热器1和6垂直放置,翅片管式换热器2和5与水平面夹角为55~6°,中间翅片管式换热器3和4与水平面夹角稍大些,在68~72范围内。经过模拟分析发现靠外侧“V”形组件2个翅片管式换热器的风量分配已经趋于均匀(见表3)。此新型结构翅片管式换热器组件保留了“V”形结构的优点,对整机的结构尺寸几乎没有影响,安装方便,结构简洁。同时能够实现模块化设计,在中间增减“V”形组件可达到改变整体翅片管式换热器组件面积的目的。

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2.2试验验证

试验样机是一台名义制冷量为300kW的风冷式冷水(热泵)机组,测试翅片管式换热器的主要尺寸如表4所示,测试翅片管式换热器组件结构如图5所示。

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在国家认证的标准实验室中利用样机做了验证试验,根据试验要求布置相应的测试点,主要测点有压缩机吸气温度、排气温度、吸气压力、排气压力,蒸发器侧载冷剂温度和流量、翅片管式换热器出口温度等。试验采用风速仪测量翅片管式换热器的迎面风速。为了能够一次性读取翅片管式换热器表面的多点风速,采用高精度多点风速仪,在靠外侧2个“V”形组件表面的相同位置,选取中间200mm的宽度,沿高度方向均匀划分方格,每个方格的中心点设置一个风速测量点。每个翅片管式换热器的迎面风速选取各测点的平均值,风量由迎面风速和迎风面积获得。试验结果与模拟对比如图6所示,两者的最大偏差在士5%以内,在测量过程中,工装振动对多点风速仪的测量有干扰,每个翅片管式换热器测3次,取平均值,以减小测量误差。

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图5测试样机上的新型结构翅片管式换热器组件实物图

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图6新型结构靠外侧“V”形组件翅片管式换热器模拟风量和试验风量对比图

在名义制冷工况下,靠外侧“V”形组件2个翅片管式换热器的制冷剂温度差值缩小到1.5℃以内,见表5。新型结构下的饱和冷凝温度下降了1.1℃。在名义制热模式下,未出现翅片管式换热器结霜现象。此新型结构改善了整个翅片管式换热器组件的换热性能。

表5新型结构靠外侧“V”形组件翅片管式换热器出口制冷剂液体温度

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