风速对不同流路数 CO2蒸发器性能的影响

本文研究了风速对不同流路数二氧化碳蒸发器换热性能的影响，为二氧化碳蒸发器的优化设计和实验研究提供理论基础。 

         

         

（本图仅为参考，不对应文章任何产品信息）          

         

1 、  CO2 蒸发器热力计算及模拟工况                      

                       

1.1 CO2蒸发器热力计算    

经节流后的液态二氧化碳制冷剂进入蒸发器进行吸热过程，为外界提供冷量，其换热效果可直接影响系统性能与运行经济性。

蒸发器采用翅片管式蒸发器，二氧化碳在换热管内流动，与换热管外的空气流体进行热量交换，达到制冷的目的。翅片管式蒸发器具有结构较为简单、能够灵活改造、容易加工、适应能力极广等优势。根据设计工况及制冷需求，蒸发器换热管采用正三角形排列，规格参数如下表所示。

采取分布参数模型。将蒸发器分解为四个层次模型：   蒸发器、流路、换热管以及换热管微元   ，如图2-4所示。

因为蒸发器可以被分解成若干个微元控制体，根据制冷剂的流动顺序，对各个微元模型依次进行求解，并且从蒸发器层面对特定参数进行迭代计算，即可得到蒸发器内部流动换热情况。因此需要联立微元控制方程及相邻微元间的参数耦合关系。

为了方便计算，以下给出几个合理假设：

①蒸发器内传热过程都是稳态传热；

②需要忽略换热管的轴向导热以及弯管的换热；

③管内制冷剂流动是沿管轴线方向的一维流动；

④空气流动的方向与翅片平行；

⑤风量的分布都为均匀分布。

以下是单个微元控制体的制冷剂侧及空气侧及控制方程。

采用顺序法迭代求解蒸发器模型。先计算制冷剂入口的第一个微元，运算完成后，此微元出口处计算得到的参数即为下一微元进口处的初始参数，按照顺序依次进行计算，直至同一换热管最后一个微元计算完毕，此换热管换热量是该换热管上的所有微元的换热量加起来的总和，换热管上的压降为该换热管上的所有微元的压降加起来的总和。

然后，再依次运算同一流路中的各换热管，直到该流路运算全部结束，流路模型的出口参数即为最后一根换热管的出口参数。重复以上过程，计算所有流路。

1.2 CO2蒸发器模拟工况    

在翅片管式蒸发器中，制冷剂与空气分别于管内外壁发生对流传热以及存在管壁和翅片的导热，随着空气在百叶窗翅片通道间的流动将冷量带出蒸发器。蒸发器几何结构参数如表 6-1 所示。

本章模拟主要研究对象为不同流路数的 CO2 翅片管式蒸发器。为充分研究流路数与风速条件对 CO2翅片管式蒸发器性能的影响，选取了5种流路布置和 8组不同风速条件工况，流路具体布置如所示，分别为4流路，6流路，8流路，12流路和24流路。蒸发器仿真各参数如表6-2所示。

         

2 、 风速对不同流路数蒸发器制冷剂侧压降的影响                      

                       

图 6-2 所示为风速对不同流路数的蒸发器制冷剂侧压降的影响。由图 6-2 可知，随着迎面风速增大和流路数减少，制冷剂压降增大。这是由于随着迎面风速的增加，空气的流动换热扰动增强，对流换热加剧，蒸发器内相变速率加快，管内制冷剂流速随着体积的增加而增大，同时蒸发器不同流路的制冷剂流量分布不均，制冷剂气体无法及时排出，制冷剂流动阻力增大。

因此制冷剂压降增大。随着流路数的减少，每条流路长度增加，表面摩擦阻力显著增大，制冷剂压降随之增加。因此随风速的增大和流路数的减少，蒸发器制冷剂侧压降增大。由图6-2可知，选择低风速条件的同时选择较多流路数的蒸发器可有效降低制冷剂压降，减少能量损失，在一定程度上提高蒸发器效率。

         

3 、风速对不同流路数蒸发器换热量的影响                      

                       

图 6-3 所示为不同流路数的蒸发器换热量随风速的变化。由图 6-3 可知，随着迎面风速增大和流路数增多，蒸发器换热量增大。此外，蒸发器换热量增幅随风速的增加而减小。这是因为当风速较小时，冷室内的空气与制冷剂换热不充分，使蒸发器整体传热系数较小，换热量随之减小。当风速增大时，空气带走较多冷量，传热系数增大，同时结合压降与风速关系可知风速较大时，蒸发器压降较高导致制冷剂内两相区域饱和温度降低，传热温差增大，传热效果增强，换热量增大。

而蒸发器内流路数越少，即流路越长，换热管过热区和两相区长度均增加，但过热区长度增加幅度较大，导致蒸发器传热系数减小，总换热量随之小。因此，蒸发器换热量随着风速的增大和流路数的增加而增大。但根据蒸发器换热量增长率随风速的增大而减小的变化关系，可以看出无限增大风量并不能有效增加蒸发器换热量，此时蒸发器换热量的变化受限于制冷剂质量流量不足，出口过热度大及压降的升高。

因此选择合适的风速有利于加强换热及降低功耗，根据图 6-3 曲线增长趋势可推断出使得合适风速范围为2.5~3.5m/s。同时，蒸发器设计时在合理范围内选择较多流路数能有效提升蒸发器换热性能，在本次实验中 CO2蒸发器选取 24 流路为最佳设计方案。 

         

4 、流路数对蒸发器温度分布的影响                      

                       

图 6-4 所示为在 3.5m/s 风速时不同流路数蒸发器内的空气温度分布。由图6-4 可知，随着蒸发器流路数的减少，蒸发器内空气温度分布呈现不均匀性增大趋势。这是因为当蒸发器的流路数少，即流路较长时，流路的沿程压降较大，同一流路中各换热管温差较大，空气与不同温度换热管换热效果不同，因此即使空气在蒸发器内冷却时间相同，其温度变化仍存在差异。

由上分析可知，在合理范围内选择较大流路数有利于改善蒸发器内换热均匀性。针对蒸发器换热不均匀性问题，结合前人对换热器合流点的研究，提出在制冷剂流路中适当设置合流点或分流点是优化蒸发器换热均匀性和换热性能的重要措施之一，为蒸发器流路布置进一步优化提出合理建议。

         

5 、风速对不同流路数蒸发器传热系数的影响                      

                       

图6-5所示为不同流路数的蒸发器传热系数随风速的变化，图中传热系数随风速的变化趋势与基于换热量的传热系数分析基本一致，蒸发器传热系数随着风速的增加而增加，而在一定风速下的蒸发器传热系数随流路数的减少呈现先增后减趋势。

由图 6-5 可知，在相同风速下，24管路蒸发器的传热系数最小，但由图 6-3 可知其换热量最大，这是因为当蒸发器管路被分成 24 路时，换热管内压降小，制冷剂流速小，则管内侧换热热阻较大，而管壁热阻和管外侧热阻值与其他蒸发器接近，如图 6-6 在 3m/s 风速条件下蒸发器热阻分布图所示。因此，24流路蒸发器的总体传热系数最小，但换热管两相区域长度增加，发生潜热交换的面积增大，因此换热量增大。

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