微通道板管式電冰箱冷凝器優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、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，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的，后來微細(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，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)

2、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年得到國家863項(xiàng)目資助下開始進(jìn)行采用微通道

3、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。 空氣側(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

4、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0.51.5 mm。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

5、內(nèi)的自然對流增大散熱量。 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)對換熱管所需長度、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)簡介 換熱管外徑4mm，壁厚0.51mm 換熱管總長：13.61m 板寬475 mm，長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

6、計(jì)算模型換熱系數(shù) 管側(cè)換熱系數(shù)：單相：迪圖斯公式 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稱的直肋，從而根據(jù)肋片導(dǎo)熱方程得：0)(inf22TTAhPxTcp)2tanh(mLAPhQcpo)2tanh(11mLAPhRcpoo 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 由于兩邊對稱，且為并聯(lián)。故總熱阻：

7、 這樣外部總熱阻為： 每個(gè)計(jì)算單元換熱量)2tanh(21211111mLAPhRRRRRRcpoooooooocitRRRRtieRTTQinf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)25. 0Re3164. 0ff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。對于下降段，則相反，產(chǎn)生重力壓升。

8、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)均來自NIS

9、T的制冷劑物性計(jì)算軟件RefProp Version 7.01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-23.3C環(huán)境溫度32.2C冷凝溫度54.4C冷凝負(fù)荷136.5W吸氣溫度32.2C制冷劑流量1.4 kg/h過冷溫度32.2C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)來自原型機(jī)壓縮機(jī)實(shí)際測試所得數(shù)據(jù)。 入口參數(shù)如下：項(xiàng)目參數(shù)排氣溫度54.52C排氣壓力 0.7621 MPa吸氣溫度32.31C吸氣壓力0.0622 MPa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

10、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)。0.00.20.40.60.81.01.2322323324325326 HTWTSUpward Section0481216T0 KQ W-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0 DP kPa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

11、管本身帶來的換熱忽略不計(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)室換熱管長度 不同安裝條件下需要的微細(xì)管高度46810121416182022240.51.01.52.02.53.0H mn d=0.5 TWTS d=1.0 TWTS d=1.5 TWTS d=0.5 TWOS d=1.0 TWOS d=1.5 TWOS d=0.5 OWTS d=1.0 OWTS d=1.5 OWTSH=1.3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）468101214161820222426280.40.60.81.01.21.

12、41.6M kgn d=0.5 TWTS d=1.0 TWTS d=1.5 TWTS d=0.5 TWOS d=1.0 TWOS d=1.5 TWOS d=0.5 OWTS d=1.0 OWTS d=1.5 OWTS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）4681012141618202224-60-50-40-30-20-10010Two Wall Two Side d=0.5 d=1.0 d=1.5DP kPan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，對于其他條件，如不同的管徑可能有更優(yōu)的參數(shù)（進(jìn)