【HETA】流程布置对管翅式冷凝器综合性能的影响
管翅式空冷冷凝器结构紧凑、制造简单，在家用空调领域应用较广，但处于环保和成本的考虑，冷凝器结构优化设计显得尤为重要。
近年来，空调换热管已普遍采用内螺纹管，实际应用中发现，管程布置对冷凝器的综合性能会产生重要影响。本文通过实验模拟研究了换热器流程布置对管翅式冷凝器综合性能的影响。
一：模拟结果与试验结果的对比
试验在焓差实验室中进行，对象是一台3匹压缩机制冷系统，工质为R22。
试验中所采用冷凝器基本几何参数:
冷凝器长度820 mm，换热管内、外径分别为8. 82，9. 52 mm，换热管横、纵向间距为22. 00， 19. 05 mm，换热管2 排，翅片形式为开窗，翅片间距为1. 7 mm，翅片厚度为0. 12 mm；
模型验证的测试条件:
工质R22，空气进口干球温度35 ℃，空气进口湿球温度24 ℃，空气进口风速2. 0 ～ 2. 3 m·s － 1，大气压力101 325 Pa．
对于冷凝器换热量和工质出口温度，模拟结果与实测数据的对比如图1，2所示，由图可见，两者吻合较好。
对于该冷凝器换热量，模拟结果较试验数据整体偏小，相对误差在10% 以内；对于冷凝器出口温度，模拟与实测结果的最大偏差在2 ℃左右。
二：模拟结果分析
模拟主要考察不同管程布置和管路合并点对冷凝器换热量和压降的影响，并考察制冷剂质量流量的变化。 5 种不同流程布置的两排管单双路冷凝器如图3 所示。
几何参数:
冷凝器长度7 000 mm，其他参数见前文；
工质进口状态和模拟条件:
工质R410A，空气进口干球温度35 ℃，空气进口湿球温度24 ℃，空气进口风速1. 85 m·s － 1，制冷剂进口温度74. 21 ℃，进口压力2. 925 MPa，进口流量0. 010 ～0. 100 kg·s － 1，大气压力101 325 Pa。
a、 布置是普通两排管，上进下出；
b、 是在a 的基础上，考虑到两排管与空气侧换热的均匀性在中间位置进行交叉，使前后排换热更加均匀；
c 、布置为了提高冷凝器后半程换热量将两管并一管，提高其流速，进而提高换热量；
d 、是将前后两排交叉换热，换热均匀性较好；
e 、布置对d 布置进行改进，后半程进行合并。由于软件无法考虑重力效应对流程布置的影响，所选的这5 种管程布置冷凝器，工质均由上向下流动，并基本呈对称分布，这样就减弱了重力效应的影响；
而且流路进口和出口分别在上下两端，这样可消除逆向导热效应之影响。
1、制冷剂质量流量对冷凝器性能的影响
保证空气侧状态不变的情况下，制冷剂质量流量从0.010 ～ 0. 100 kg·s － 1变化，分析其换热量和压降的变化情况。
图3 中b 布置方式的换热量与压降关系变化如图4，5所示。
由图4，5可见，随着制冷剂质量流量的增大，冷凝器换热量、压降都呈上升趋势，但是变化规律有差异，换热量与制冷剂质量流量之间呈“凹”曲线，而压降则呈“凸”曲线．冷凝器换热量在0. 010 ～ 0. 035kg·s － 1增长迅速，约呈直线增长，换热量涨幅为3倍，质量流量在0. 035 ～ 0. 120 kg·s － 1，换热量增长缓慢，虽然制冷剂质量流量跨度大，但是换热量增长最大值仅是制冷剂质量流量为0. 035 kg·s － 1时换热量的1. 32 倍。
而对于压降的变化，制冷剂质量流量在0.010 ～0. 035 kg·s － 1，压降的增长很缓慢，最大涨幅约为0.45%，但是制冷剂质量流量在0. 035 ～0. 120 kg·s － 1时，压降增长速度增大，最大涨幅为7． 00%。
由此可知，对于一确定的冷凝器，制冷剂质量流量存在最佳区间，在换热量得到优化的同时，也要保证压降不能太大，使综合性能得以兼顾．因此选择在质量流量为0. 025 ～ 0. 035 kg·s － 1时换热和压降的效果比较均衡。
2、管程布置对换热性能的影响
下述模拟主要针对图3 中5 种布置，以了解不同管程布置对冷凝器传热和压降性能的具体影响。
管路的交叉主要是考虑到制冷剂两路换热的均匀性，在合适的位置交叉或者全交叉使两排管的换热得到保证;而且，管程布置c 和管程布置e 在后半程进行了并管处理，其主要目的是改善管路内制冷剂的流动状态，从而提高冷凝器的综合性能，继而进一步提高制冷系统的能效比。
文中的模拟，着重针对冷凝器，并没有与制冷系统性能相关联起来．计算中主要选择3 种制冷剂质量流量0. 010， 0. 030， 0. 050 kg·s － 1，即对应不同负荷的工况．模拟结果如表1 －3 所示．
由表2 可知，交叉型布置可以起到均匀换热的作用。
表3 中管程布置a 两路制冷剂质量流量差别较大，流量分配均匀性较差，两路制冷剂质量流量差占总质量流量的6. 27%。
管程布置b 在换热器中间位置处交叉一次，可降低两路制冷剂质量流量不均匀性近50%，而制冷剂分配均匀性最好的是管程布置d，e ，两路质量流量不均匀性基本可以忽略。
这对冷凝器换热面积的均衡利用非常有益．如不作并管处理，对于管程布置a，b，d，在实际应用中，全交叉管程布置d 换热性能较好，但由表2 和表3 的换热量模拟结果表明，与一次交叉管程布置b相比，全交叉管程布置d 性能并没能凸现出来，这应是由于软件的模型局限性造成的。
由表2 和3 也可以看出，冷凝器后半段并管处理，的确可起到提高换热量的作用．从表2 中数据可以看出，管程布置3 与管程布置5 的换热量较其他3 种管程布置大，能提高100 W 左右的换热量．同时并管后压降也有所增加，压降的变化较换热稍大，但对R410A 系统，冷凝侧压力很高，一般达到2MPa以上，以其为基准，压降的变化百分比并不明显．
对比上述3 张表也可以发现，当质量流量为0. 010kg·s － 1时，不同管程布置对冷凝器换热和压降性能影响很小; 当质量流量为0. 050 kg·s － 1时，5种布置的换热量变化规律与质量流量为0.030 kg·s － 1时换热量变化规律相同，换热量增大0. 16 倍，但压降却增大3 ～ 6 倍．因此，当冷凝器换热面积确定后，不管程布置制冷剂质量流量不能过大或过小，对于一个既定的制冷系统，总会找到制冷剂质量流量最佳区间，提高换热量的同时，压降又不会对系统影响太大。
3、管程合并对冷凝器性能的影响
3. 1 合并点变化对冷凝器换热和压降的影响由上述模拟可知，冷凝器后半部并管可以提高换热量，为了深入了解合并点对换热量的影响，将在不同的弯管处进行并管来进一步研究换热量在不同合并点处的增减情况。
冷凝器后半段( 包括两相区后半段和过冷段) ，随着冷凝液的不断增厚，管内两相流体的平均密度在不断增大，平均流速也会不断下降，造成传热性能的下降，如果在后半段将两路并为一路( “双进单出”) ，由于截面积减小，平均流速会重新增加，这样可加强制冷剂汽相对液相的扰动，增强换热效果，从整体看，换热均匀性就变得更好，压降和传热也会得以平衡，并可减少管材消耗．在实际应用中，这类分合设计也已被换热器厂家采纳，但目前这方面非常缺乏系统的研究．为深入了解不同合并点位置对换热量以及压降的影响，对此问题进行了模拟分析．
研究对象选取图3 中的冷凝器管程布置c，e，这是双排双回路并行布置，通过模拟仿真，从倒数第2 根管路开始标记为29，依次向上标记，如图6 所示。
首先讨论总质量流量为0. 030kg·s － 1的冷凝器不同合并点对换热和压降的影响，冷凝器的具体布置为图3 中的c，e．其中不同合并点制冷剂干度不同，因此探讨干度的变化与换热量和压降的关系也是很有价值的．
由于缺乏定量的性能判别标准，这里可根据换热量和压降变化趋势，来对冷凝器并管点最佳区间进行判断．图7 是当合并点位置不断下移后，冷凝器换热量和压降的相应变化．由图7 可知，随着合并点下移，压降与换热量整体呈下降趋势，在15 － 25 压降和换热量下降的幅度较大，25 － 30并管压降与换热量下降幅度减小．
图8 主要表示不同合并点处所对应的制冷剂两相流干度．由图可知，干度在合并点23 － 30 为0，说明在23 时制冷剂已经进入全液状态，相对应换热量的变化幅度很小．因此，冷凝器换热量与压降较为平衡的合并点区间处于干度0. 1 ～ 0. 4，如图7 中的虚框所示，这是换热量增加的拐点，压降的增幅也并不大．
图9 对比了一次交叉和全交叉管程布置压降合并点下移的变化，由图可以很清晰的看到两者变化趋势基本一致．在合并点23 时已进入过冷段，干度为0 不再变化．但冷凝器整体压降随合并点的下移还会有小幅下降，这主要是由于合并点改变后，过冷段合并前后相对长度变化所致．由合并点的状态可看出，全交叉管程布置进入过冷段还是会提前一些．
3. 2 管程合并对沿程换热与压降的影响进一步分析图3 中管程布置b 和c 2 种情况下压降和换热量的沿程变化特点，以详细了解有无合并处理对冷凝器各管段的影响．模拟工况仍选取制冷剂质量流量为0.030 kg·s － 1．每根铜管的换热量和压降，以及弯头处压降，如图10－ 13 所示．铜管标号自上而下依次为1，2，…，22，共2 排，每排22 根铜管。
由图10，11 可发现，对2 种冷凝器管程布置，支路1 与支路2 前2 根铜管换热量与压降明显高于从标号3 之后的铜管。这是由于在同样的风量下，冷凝器入口为高温高压的过热制冷剂蒸汽，一方面管内流速很高，另一方面与空气侧换热温差大( 不考虑风速分布不均匀因素) ，弥补了过热段单相换热的缺点，从而导致前2 段铜管换热量较大．但同时前2根铜管处压降也较大．在两路铜管交叉前( 铜管编号11) 支路1 为迎风侧，因此支路1 的换热量与压降明显高于支路2。而在交叉后，两支路的换热量和压降的对比与交叉前相反。
由图3 可知，布置c 于铜管19 合并，图11 是布置c 沿管程换热量变化情况．两支路换热量相同，铜管20 换热量突然增大，压降也有所增大，铜管编号20 － 26 换热量要比没有并管的布置b 对应的铜管换热量有明显增大，冷凝器各铜管的换热均匀性得以改善，压力降也随之增大。但压力降增大的幅度不至于影响系统运行，因此合并点位置如果合适，的确有利于换热量及冷凝器综合性能的提高。
管程布置b，c 铜管沿程压降与弯头处局部压降沿管程的变化趋势如图12 － 13 所示，由压降图可以看到冷凝器中各铜管的压降分布呈两头小、中间大的趋势，最小处是在过冷段，这主要是由于在过冷段蒸汽已全部转化为液相，流速已变得非常低，因而压降最小．铜管沿程压降与弯头局部压降总体的变化趋势是相同的，弯头压降大约为铜管压降的四分之一，这个比例使在考虑冷凝器压降过程中弯头压降是不可忽略．当两支路管路合并后，由于管内流速的增加，合并管路压降较未合并时两支路压降之和更大一些，弯头处局部损失压降也是如此。
三：结论
1、冷凝器中制冷剂质量流量对冷凝器的换热量影响较大，但也需考虑到压降以及成本问题，以寻求制冷系统综合性能的提高。
2、制冷剂质量流量较小时，不同的管程布置对冷凝器的换热和压降性能影响较小; 当质量流量变大时，管程布置的影响变大．冷凝器前后排管程交叉布置可很好保证换热的均匀性。
3、对于冷凝器后半段，制冷剂干度变小，流速较低，与空气温差较小，是冷凝器的换热“短板”．冷凝器后半段并管处理可一定程度上改善其整体换热均匀性，最佳并管点区间宜选在干度0. 1 ～ 0. 4 位置，以满足冷凝器换热和压降的综合性能要求。