多管程布置微通道分液冷凝器的热力性能

第３６卷第５期　２０１５年１Ｏ月　制冷学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＲｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ　Ｖｏ１．３６，Ｎｏ．５　

Ｏｃｔｏｂｅｒ，２０１５　

文章编号：０２５３—４３３９（２０１５）０５—００３０—０７　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３—４３３９．２０１５．０５．０３０　

多管程布置微通道分液冷凝器的热力性能　钟天明陈颖郑文贤乐文璞罗向龙杨庆成　《广东工业大学材料与能源学院广州５１０００６）　摘要分液式微通道冷凝器（ＬＳＭＣ）是一种新型的微通道平行流冷凝器。本文通过理论计算并实验验证了不同管程布置方案　［ＳＭＣ的管内换热系数和压力降，并采用惩罚因子（ＰＦ）对其综合性能进行评价。结果表明：管程数（ＮＰ）和每管程换热管数　（ＴＮＰＰ）对平行流冷凝器的热力性能都有明显影响。在完全分液效果下，优化的４、５管程ＬＳＭＣ的换热系数分别比３管程ＬｑＭＣ　提高了５．７％和１３．８％，而４、５管程ＬＳＭＣ的压降也分别比３管程ＬＳＭＣ增大超过２３．５％和１３８．７％。与此比较，ＬＳＭＣ的传热　系数和压降在不同ＴＮＰＰ的变化较小．说明优化区间内管程数比每管程换热管数对ＬＳＭＣ单一的热力性能影响更大。此外，实现　完全分液的ＬＳＭＣ比部分分液的ＬＳＭＣ热力综合性能好。与实验值比较，ＬＳＭＣ理论传热系数和压降的最大偏差分别为２５．６％　和２０．８％。　关键词微通道分液冷凝器；管程组合；冷凝传热系数；惩罚因子　中图分类号：ＴＢ６１　ｌ；ＴＢ６５７．５　文献标识码：Ａ　

Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｔｕｂｅ　Ｐａｓｓ　Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｔｈｅｒｍｏｄｙ　ｎａｍｉｃ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　Ｌｉｑｕｉｄ－ｖａｐｏｒ　Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　Ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ　Ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ　Ｚｈｏｎｇ　Ｔｉａｎｍｉｎｇ　Ｃｈｅｎ　Ｙｉｎｇ　Ｚｈｅｎｇ　Ｗｅｎｘｉａｎ　Ｌｅ　Ｗｅｎｐｕ　Ｌｕｏ　Ｘｉａｎｇｌｏｎｇ　Ｙａｎｇ　Ｑｉｎｇｃｈｅｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　Ｅｎｅｒｇｙ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，５　１　０００６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｌｉｑｕｉｄ－ｖａｐｏｒ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ　ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ（ＬＳＭＣ）ｉｓ　ａ　ｎｏｖｅｌ　ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ　ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ａｎｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｒｏｐ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ　ｂｙ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｐｅｎａｌｔｙ　ｆａｃｔｏｒ（ＰＦ）ｗａｓ　ｅｍｐｌｏｙｅｄ　ｔｏ　ｅｖａｌｕａｔｅ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＬＳＭＣ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｐａｓｓ（ＮＰ）ａｎｄ　ｔｕｂｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｐｅｒ　ｐａｓｓ　（ＴＮＰＰ）ｈａｖｅ　ｏｂｖｉｏｕｓ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ　ｌｉｑｕｉｄ—ｖａｐｏｒ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　４－ｔｕｂｅ—　ｐａｓｓ　ａｎｄ　５－ｔｕｂｅ—ｐａｓｓ　ＬＳＭＣ　ｓｈｏｗｅｄ　５．７％ａｎｄ　１３．８％ｈｉｇｈｅｒ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｔｈａｎ　３－ｔｕｂｅ—ｐａｓｓ　ＬＳＭＣ　ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ．ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｒｏｐ　ｏｆ４一ｔｕｂｅ—ｐａｓｓ　ａｎｄ　５－ｔｕｂｅ—ｐａｓｓ　ＬＳＭＣ　ｉｓ　ａｌｓｏ　２３．５％ａｎｄ　１３８．７％ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　３－ｔｕｂｅ－ｐａｓｓ　ＬＳＭＣ　ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ．Ｉｎ　ｃｏｎｔｒａｓｔ．ｔｈｅ　ＴＮＰＰ　ｓｈｏｗｅｄ　ａ　ｌｅｓｓ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ａｎｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｒｏｐ．Ｉｔ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ＮＰ　ｈａｄ　ａ　ｌａｒｇｅｒ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｓｉｍｐｌｅｘ　ｐｅｒｆｏｒｍ—　ａｎｃｅ　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ＴＮＰＰ　ｗｉｔｈｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｃｏｐｅ．Ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ＬＳＭＣ　ｗｉｔｈ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ　ｌｉｑｕｉｄ—ｖａｐｏｒ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｂｅｔｔｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｗｉｔｈ　ｉｎｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ　ｌｉｑｕｉｄ－ｖａｐｏｒ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｓｈｏｗｅｄ　ａ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｄｅｖｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　２５．６％ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｒｏｐ　ｓｈｏｗｅｄ　ａ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｄｅｖｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　２０．８％．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｌｉｑｕｉｄ—ｖａｐｏｒ　ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｍｉｃｍｃｈａｎｎｅｌ　ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ；ｔｕｂｅ　ｐａｓｓ　ｓｃｈｅｍｅ；ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｐｅｎａｌｔｙ　ｆａｃｔｏｒ　

风冷管翅式冷凝器广泛应用于各种制冷系统和　冷却系统中，是系统中进行能量传递的关键部件，因　此其热力性能的优劣对系统的整体性能有重要影响。　微通道平行流冷凝器因其突出的紧凑性和较高的传　热效率，在工业应用中越来越受到青睐。对于平行流　冷凝器，通过恰当的管程配合，其热力性能可获得显　著的提高。龚堰珏等［１］以Ｒ１３４ａ为工质，对换热管　数为３６、水力直径约为３　Ｉｎｍ的五种５管程布置的平　行流冷凝器热力性能进行仿真模拟。表明在制冷剂　流量为０．０５　ｋｇ／ｓ时．热力性能最好的１０．９．８．５４（管　程依次的管数。下同）冷凝器比热力性能最差的９．８．　８＿７＿４冷凝器换热量高０．１５％，压降低８．３％。Ｂｕｌｌ—　ａｒｄ　Ｃ　Ｗ等　通过数值模拟方法研制了水力直径为　１．９　ｍｍ、优化管程为３８．２４－９的３管程微通道平行流　冷凝器，并应用在Ｒ４１０Ａ空调测试系统，在达到同等　换热能力时，其能耗比采用外管径为９．５　ｍｍ，且未经　

基金项目：国家自然科学基金（Ｕ０９３４００６）资助项目。（Ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｗａｓ　收稿日期：２０１５年１月８日　ｓｕｐｐｏｆｌｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ（Ｎｏ．　Ｕ０９３４００６）．）　

一３０—　第３６卷第５期　２０１５年１０月　多管程布置微通道分液冷凝器的热力性能　＂Ｃｏ１．３６，Ｎｏ．５　

Ｏｃｔｏｂｅｒ，２０１５　

优化的基准平行流冷凝器低２５％。在实际工作中，　对优化工作者而言，管程优化设计往往是唯一可选择　的自由度。微通道冷凝过程的换热物理机制较常规　尺度的管内冷凝有很大的不同，气液两相界面之间的　剪切力起主要作用。Ｙａｎ　Ｙ　Ｙ等［３］在管内径为２．０　ｍｍ、制冷剂截面质量流速为１００～２００　ｋｇ／（ｍ　・Ｓ）的　细管中使用Ｒ１３４ａ，进行传热实验并提出传热模型，　得到平均偏差约１０％的较好结果，但是在较高流量　下（约３５０～６５０　ｋｇ／（ｍ。・ｓ））未得到实验验证。Ｋｉｍａ　Ｎ　Ｈ等　４　采用Ｗｅｂｂ微通道传热关联式，计算Ｒ２２和　Ｒ４１０ａ在水力直径为１．４１　ｍｍ和１．５６　ｍｍ的微通道　管的传热系数，发现有较大比例预测值至与实验值的　偏差超过３０％。Ｋｏｙａｍａ　Ｓ等＿５］以水力直径为０．８１　ｍｍ、１．１　ｍｍ的微通道在流量范围为１００～７００　ｋｇ／（ｍ　・ｓ）下进行实验，并根据大量实验数据提出平　均偏差在２０％以内的微通道传热关联式。　不少学者对微通道管内两相流压降进行了研　究。Ｆｒｉｅｄｅｌ　Ｌ　根据２５０００组平行流和垂直流的实　验数据，提出了适合两相流动摩擦压降计算的关联　式．随后用管径为４　ｍｍ的细管进行了实验验证。　Ｚｈａｎｇ　Ｍ＿７　基于Ｆｒｉｅｄｅｌ　Ｌ关联式提出改进适用于水　力直径为０．９６—２．６４　ｍｍ的微通道管两相压降关　联式．与１１９组实验数据对比，发现其平均偏差仅　为１１．５％。　Ｐｅｎｇ　Ｘ　Ｆ等［８］提出分液式冷凝强化方法，有效　解决了冷凝器后管束内因冷凝液不断增多导致换热　能力下降的问题。由于分液冷凝器的联箱内的气液　分离作用和管程设计导致各管程中管内两相流动流　量与干度不连续变化．以致无法用统一的方法计算整　个冷凝器的热力性能参数。陈二雄等ｌ９］、Ｃｈｅｎ　Ｙ　等ｌ１　ｕ］对于常规尺度（管外径为７　ｍｍ和９．５２　ｍｍ）　的气液分离冷凝器的管程优化策略进行了较深人的　研究，提出了一种逐程计算方法，成功获得分液冷凝　器的管程优化方案。本文我们将继续利用这种方法　探讨管程数以及不同程度的分液效果对微通道分液　冷凝器热力性能的影响，并找出讨论条件下的最优管　程组合。　１微通道分液冷凝器　微通道气液分离冷凝器（ＬＳＭＣ）的结构图如图１　所示，由微通道管排和两侧联箱组成。联箱的适当位　置上设置了多孔圆形薄铝板。称为气液分离器。隔板　上小孔的孔径为０．５—２．０　ｍｍ。这些隔板将冷凝器　划分为多个拥有不同换热管数的流程。除了第一管程　以外，各管程进口处的气．液两相混合物均进行了气　液分离，并将冷凝液直接从联箱中排走。有效的气液　分离是通过制冷剂混合物气　液相之间的重力差（密　度差）、小孑Ｌ的毛细作用力和气液分离器两侧的压差　实现的。通过匹配分液ｔＪ，￣Ｌ的大小、数量以及开孔位　置，大部分液态制冷剂能通过小孔沿着联箱排走．而　剩下的一部分液体则在气液分离器上形成一层薄液　膜，阻隔气态制冷剂通过分液小孔。气相制冷剂继续　进入下一个换热管程进行冷凝。这样各个管程的换　热管内都能维持较高的平均干度．从而提升冷凝换热　系数。　

图１　ＬＳＭＣ结构图　Ｆｉｇ．１　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆｔｈｅ　ＬＳＭＣ　

２管程的理论优化方法　２．１传热与压降关联式的选取　在管内强制对流两相换热过程，制冷剂的流型对　平均冷凝传热系数（ＡＨＴＣ）有重要影响。当两相流　型为环状流及雾状流型时。传热管将获得较优的传热　特性。本文采用基于湍流理论和努塞尔理论的Ｋｏｙ．　ａｍａ　Ｓ等　］冷凝传热模型。　由于多管程冷凝器冷凝过程的总压降可由下式　计算：　卸＝△ｐｆ＋△ｐｂ＋△ｐ　＋△ｐ　（１）　式中：△ｐ　为摩擦压降，Ｐａ；△ｐ　为局部压降，Ｐａ；　△ｐ　为加速度压降，Ｐａ；△ｐ　为重力压降，Ｐａ。对于微通　道平行流冷凝器，加速度压降和重力压降较其他两项　压降小得多，可忽略不计。因此ＬＳＭＣ的总压降可简　化为：　△ｐ＝△ｐｆ＋△ｐｂ　（２）　本文中摩擦压降计算应用上述Ｚｈａｎｇ　Ｍ　］模型，　而局部压降计算则采用Ｐａｙｎｅ　Ｗ　Ｔ　Ｅ　］模型。　２．２惩罚因子　本文采用Ｃａｖａｌｌｉｎｉ　Ａ［１　］提出的惩罚因子（ＰＦ）对　冷凝器的管内热力性能进行评价。ＰＦ是工质冷凝过　程中饱和温度与管壁的传热温差和饱和温度降的乘　积。ＰＦ值越小。表明冷凝器的热力性能越好。其简化