翅片管换热器的设计在整个空调系统的设计中非常重要。对于使用R410A的空气源热泵,翅片管换热器需要重新设计。其中翅片管回路的设计(包括回路长度和回路的安排方式)是在耗材和成本一定的情况下,尽力提高系统能力的重要优化方法。因此笔者将针对使用R410A的翅片管换热器回路较佳长度进行计算机仿真研究。

　　1　模型的建立

　　1.1　换热器结构和工况说明

　　选取的仿真对象为某个空气源热泵的室外换热器,该翅片管换热器的结构为:2排管,每排60根管,叉排排列,铝翅片为人字型波纹片,铜管为内螺纹管,外径为9.52mm,每根直管的长度为1.5m,翅片间距为1.69mm,翅片厚度为0.11mm,迎面风速为2m/s,回路走向为制冷顺流而制热逆流。 制冷运行时,室外换热器为冷凝器,设定进风干球温度35℃,湿球温度为24℃,换热器的入口过热气体温度为80℃,冷凝温度为50℃,制冷剂质量流量为0.3kg/s;制热运行时,室外换热器为冷凝器,进风干球温度为7℃,湿球温度为6℃,制冷剂入口干度为0.2,入口饱和蒸发温度为2℃,制冷剂质量流量为0.15kg/s。

　　1.2　稳态分布参数法建模 在分布参数模型中,需要将传热管划分成若干个微元段,

　　建模时假设:

　　①制冷剂在管内作一维轴向流动;

　　②只考虑制冷剂与管壁和空气之间的径向换热交换,不计轴向的热传递;

　　③冷凝器管壁热容忽略不计;

　　④两相区,制冷剂气体和液体混合均匀;

　　⑤制冷剂气液看作不可压缩;

　　⑥空气和制冷剂在各点的参数和流量不随时间变化。 其中,ρ为密度(kg/m3),u为速度(m/s),M为质量流量(kg/s),Di,Do为管的内径、外径(m),p为压力(Pa),f为摩擦系数,h为焓(J/kg),ΔL为微元段长度(m),Q为热量(W),下标1,2表示控制体入口、出口。且换热方程:Q=KoAoΔT,其中,Ko为以外表面为基准的综合传热系数;Ao为ΔL段外表面面积,ΔT为换热温差。

　　1.3　几个重要参数的选择 本文的主要目的是为了计算得到换热器的较佳回路长度,因此制冷剂换热系数和压降以及空气侧换热系数计算的准确性就非常重要。对于人字型波纹片的换热系数,笔者选择了C.C.wang[1]总结的公式,而对于R410A在内螺纹管内的换热与压降公式,选择Cavallini[2]总结的公式。

　　2　仿真结果分析

　　所示为换热器作冷凝器和蒸发器运行的仿真结果。以冷凝器为例,从理论分析可以知道,每个回路的长度越长,整个换热器的回路数就越少,每个回路的制冷剂流量就越大,管内流速越高,管内换热系数就越大,从而增强整个换热器的换热能力。但管内流速越高,阻力也就越大,阻力增加会使冷凝压力下降,冷凝温度下降,从而减少空气与制冷剂之间的换热温差,反而影响换热器的换热能力。因此,存在较佳的较佳回路长度使得换热量大。蒸发器也有相似的结论。

　　对于冷凝器来说,由于加速阻力和摩擦阻力方向相反,也就是说加速阻力能在一定程度上抵消摩擦阻力,因此整个冷凝器的压降不会很大;而蒸发器中,加速阻力和摩擦阻力方向相同,两者同时使压降增加,因此蒸发器的压降相对较大。对于热泵机组的换热器须同时考虑换热器作冷凝器运行和作蒸发器运行的情况。因此根据经验一般将冷凝器的饱和温度下降1℃,蒸发器的饱和温度下降2℃为级限。另外为了防止节流机构产生闪发,冷凝器出口有一定的过冷度是必要的;同样,为防止压缩机发生湿压缩,蒸发器出口有一定的过热度也是须的。所以在上述条件的限制下,能够找到制冷剂回路的较优长度或长度区间。

　　R410A是R22较有希望的替代方案之一,由于热力性质的差别,使用R410A的空调系统和使用R22空调系统在设计上需要做较大的改动。笔者针对使用R410A的空气源热泵室外换热器,通过稳态分布参数模型,对其作为冷凝器和蒸发器运行时的较佳回路长度做了初步的计算。 由结果可以看出,R410A在内螺纹管内的阻力比R22要小,因此较佳回路长度也可以加长,后面得到了采用R410A时,换热器的较佳回路长度范围应在14.5～18m之间。