微通道板管式電冰箱冷凝器優(yōu)化設(shè)計(jì)

微通道冰箱冷凝器優(yōu)化設(shè)計(jì)張會(huì)勇李俊明李紅旗2008-9-18清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主要內(nèi)容背景微通道換熱器概況介紹微通道冰箱冷凝器計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果分析結(jié)論清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室背景自Tuckerman從上世紀(jì)80年代提出采用微細(xì)通道強(qiáng)化傳熱以來(lái)，微細(xì)尺度換熱研究的不斷進(jìn)展，微通道換熱器也開始得到應(yīng)用。微細(xì)尺度換熱研究起初以提高電子散熱速率而提出來(lái)的，后來(lái)微細(xì)通道多通道扁管的產(chǎn)生，促使了微細(xì)通道換熱器在汽車空調(diào)上的應(yīng)用，主要是用于氣體冷卻器。近年來(lái)，銅材價(jià)格不斷上漲，使制冷空調(diào)系統(tǒng)兩器的成本提高，進(jìn)而使整機(jī)的成本不斷提高，企業(yè)面臨較大的成本壓力。清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室背景微通道換熱器在汽車空調(diào)上的成功應(yīng)用，人們開始探討此種類型的換熱器是否可用于家用空調(diào)，并進(jìn)行了大量的研究和評(píng)估。微細(xì)通道換熱器用于家用空調(diào)，一般采用的百葉窗式換熱器結(jié)構(gòu)，在多孔鋁帶之間布置各種不同形式的肋片。如百葉窗翅片、錯(cuò)列翅片，波紋翅片等。清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)例清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室背景我們課題組1996年開始研究微細(xì)通道傳熱，2005年開始探討微細(xì)通道換熱器在家用空調(diào)上的應(yīng)用，進(jìn)行了一些前期調(diào)研，隨后在2006年得到國(guó)家863項(xiàng)目資助下開始進(jìn)行采用微通道高效換熱器的熱泵型空調(diào)器的研制，目前即將進(jìn)行整機(jī)性能測(cè)試。許多大學(xué)和空調(diào)廠商如GIT，UIUC，Carrier和Modine等企業(yè)已經(jīng)開始進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試，不過仍有許多問題需要解決，才能真正的走向產(chǎn)業(yè)化。我們認(rèn)為國(guó)內(nèi)的廠商也要加快相關(guān)方面的準(zhǔn)備，及時(shí)進(jìn)行相關(guān)的研發(fā)，否則外國(guó)企業(yè)將會(huì)通過專利保護(hù)的方式設(shè)置技術(shù)壁壘。清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室優(yōu)缺點(diǎn)－優(yōu)點(diǎn)管側(cè)：換熱增強(qiáng)制冷劑充注量減小可能的壓降降低等?？諝鈧?cè)：

流動(dòng)阻力降低強(qiáng)度增大、不易破壞全鋁結(jié)構(gòu)、抗腐蝕采用釬焊技術(shù)、接觸熱阻小，肋片不易脫落無(wú)管道后的尾區(qū)，有利于換熱有利于清洗，修理

清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室缺點(diǎn)影響因素眾多如肋間距、肋高、流動(dòng)長(zhǎng)度、窗角、風(fēng)速結(jié)霜結(jié)露現(xiàn)象嚴(yán)重設(shè)計(jì)靈活性弱成本問題及沒有比較通用的計(jì)算公式清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室微通道換熱器用于電冰箱我們提出如右圖所示結(jié)構(gòu)的微通道冰箱冷凝器?結(jié)構(gòu)。進(jìn)氣管同壓縮機(jī)連接且管道規(guī)格相同。下降段的上下集管和進(jìn)氣管相同，下降管采用微通道管，管徑約為0.5~1.5mm。并提出在散熱板與絕熱發(fā)泡層之間如留用一定間隙，可利用間隙內(nèi)的空氣對(duì)流提高換熱效果。清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室布置方式為了增大換熱面積、甚至達(dá)到僅在一側(cè)安裝冷凝器即可達(dá)到額定的負(fù)荷，可以在散熱板和發(fā)泡層之間留出一點(diǎn)空間，利用該空間內(nèi)的自然對(duì)流增大散熱量。TWTS：兩板兩側(cè)換熱TWOS：兩板一側(cè)換熱（同現(xiàn)有冰箱）OWTW：一板兩側(cè)換熱清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室本文內(nèi)容對(duì)上述微通道電冰箱冷凝器的上升段和下降段進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。探討不同管徑、不同管道個(gè)數(shù)對(duì)換熱管所需長(zhǎng)度、質(zhì)量以及壓降的影響。并根據(jù)現(xiàn)有計(jì)算結(jié)果，選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，并與原型機(jī)參數(shù)進(jìn)行比較。清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室原型機(jī)簡(jiǎn)介換熱管外徑4mm，壁厚0.51mm換熱管總長(zhǎng)：13.61m板寬475mm，長(zhǎng)1546mm，質(zhì)量1.517kg清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室原型冷凝器圖示清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)算模型—換熱系數(shù)管側(cè)換熱系數(shù)：?jiǎn)蜗啵旱蠄D斯公式兩相：Shah公式（偏保守）管壁導(dǎo)熱：一維導(dǎo)熱模型外部：大空間自然對(duì)流（層流）關(guān)于間隙：存在間隙時(shí)，認(rèn)為間隙內(nèi)部也符合大空間的條件，因?yàn)楦鶕?jù)大空間的判別準(zhǔn)則，對(duì)于高度為1m的板，縫隙寬度只要大于1cm即可，顯然這個(gè)條件容易滿足。清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室散熱模型把散熱板看作是關(guān)于管道與散熱板接觸線對(duì)稱的直肋，從而根據(jù)肋片導(dǎo)熱方程得：一面熱阻為：清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室由于兩邊對(duì)稱，且為并聯(lián)。故總熱阻：這樣外部總熱阻為：每個(gè)計(jì)算單元換熱量清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室阻力模型單相：布拉修斯公式：兩相：包含三個(gè)部分：摩擦壓降，重力壓降、加速壓降摩擦壓降：L-M模型重力壓降：均相模型加速壓降：與進(jìn)出口動(dòng)量變化有關(guān)清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室關(guān)于重力壓降和加速壓降重力壓降是由于重力的左右使得不同高度的位置產(chǎn)生不同的附加壓力。因此對(duì)于上升段，由于高度不斷升高，重力產(chǎn)生的壓力下降，產(chǎn)生重力壓降。對(duì)于下降段，則相反，產(chǎn)生重力壓升。因?yàn)殡S著兩相流體在下降段凝結(jié)的不斷進(jìn)行，平均密度增大，重力作用增大，重力壓升增加較快。甚至達(dá)到與摩擦壓降平衡的地步。加速壓降只有在流動(dòng)加速的情況下才能產(chǎn)生，而在流動(dòng)不斷減速的情況導(dǎo)致壓升，而不是壓降。總壓降取決與摩擦壓降，重力壓降和加速壓降之和。清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)算過程首先根據(jù)原型機(jī)和壓縮機(jī)參數(shù)確定原型機(jī)的散熱量以及制冷劑流量。假定散熱板外壁面平均溫度，依次計(jì)算自然對(duì)流換熱系數(shù)、輻射換熱系數(shù)、管內(nèi)外及導(dǎo)熱熱阻，計(jì)算單元換熱量，修正假定的外壁面平均溫度，確定單元內(nèi)壓降，計(jì)算單元出口參數(shù)，并作為下一個(gè)單元的入口參數(shù)，不斷進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算過程中所有物性參數(shù)均來(lái)自NIST的制冷劑物性計(jì)算軟件RefPropVersion7.01進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)算工況冷凝器工作工況為標(biāo)準(zhǔn)工況，具體參數(shù)如下：蒸發(fā)溫度-23.3oC環(huán)境溫度32.2oC冷凝溫度54.4oC冷凝負(fù)荷136.5W吸氣溫度32.2oC制冷劑流量1.4kg/h過冷溫度32.2oC清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室壓縮機(jī)出口參數(shù)即冷凝器入口參數(shù)來(lái)自原型機(jī)壓縮機(jī)實(shí)際測(cè)試所得數(shù)據(jù)。入口參數(shù)如下：項(xiàng)目參數(shù)排氣溫度54.52oC排氣壓力0.7621MPa吸氣溫度32.31oC吸氣壓力0.0622MPa清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)算結(jié)果-上升段壓降不斷增大當(dāng)高溫高壓氣體進(jìn)入冷凝器后，板的溫度迅速升高到最大值，對(duì)應(yīng)最大的管內(nèi)換熱系數(shù)，管內(nèi)熱阻最小。這樣可以確定上升段的出口參數(shù)，即下降段的入口參數(shù)。清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室上升段出口參數(shù)清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)算結(jié)果-下降段下降段按照固定寬度，不同管道個(gè)數(shù)（對(duì)應(yīng)不同的肋片高度和肋片效率）進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)假定：上集管內(nèi)的壓降忽略不計(jì)各下降段內(nèi)的流量分布均勻上集管本身帶來(lái)的換熱忽略不計(jì)，僅計(jì)算下降微細(xì)通道的換熱。以滿足換熱量為計(jì)算結(jié)束判別條件清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室換熱管長(zhǎng)度不同安裝條件下需要的微細(xì)管高度清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室換熱管總質(zhì)量（含上升段）清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室下降段壓降（TWTS）清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室滿足條件的數(shù)據(jù)清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室最優(yōu)參數(shù)選擇根據(jù)前述的幾何條件、質(zhì)量和壓降條件得到滿足條件的數(shù)據(jù)，從中挑出最優(yōu)參數(shù)，從表中可以看出，最小壓降對(duì)應(yīng)著最大的質(zhì)量，材料消耗偏大。如果根據(jù)最小壓降的方式去選擇的話，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量分別比原型機(jī)少48.6%（TWTS）和26%（TWOS）。但上述所謂最優(yōu)參數(shù)是根據(jù)計(jì)算的工況選擇的，對(duì)于其他條件，如不同的管徑可能有更優(yōu)的參數(shù)（進(jìn)一步減小壓降）。清華大學(xué)熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室結(jié)論微細(xì)通道換熱器以其優(yōu)秀的換