王强刘燕龙刘祖一戴希灿

（1山东建筑大学热能工程学院 济南 250101；2山东电力工程咨询院有限公司 济南 250013；3中国五洲工程设计集团有限公司 北京 100053；4德州中傲空调设备有限公司 德州 253000）

不均匀风速分布下翅片管换热器的优化分析与实验

王强1刘燕龙2刘祖一3戴希灿4

（1山东建筑大学热能工程学院 济南 250101；2山东电力工程咨询院有限公司 济南 250013；3中国五洲工程设计集团有限公司 北京 100053；4德州中傲空调设备有限公司 德州 253000）

风速分布对翅片管换热器性能影响较大。本文在换热器结构尺寸、空气进口状态一定的条件下，对三种典型风速分布时翅片管换热器的流程布置形式进行了仿真优化与实验研究。结果表明：在上三角和中三角两种风速分布形式下，优化后制冷量分别提高了10.3%、3%；对于上三角优化形式，高风速区是改善换热效果的重点区域；在制冷量相同的情况下，上三角优化形式使系统COP提高8%左右。搭建实验台对仿真结果进行了验证，表明模拟值和实验值相对误差均控制在5%以内。

翅片管换热器；不均匀风速；优化分析；实验验证

翅片管换热器以其结构简单、适用范围广等特点，被广泛应用于制冷空调装置中。但由于运行环境、表面积灰等原因使得在实际运行中换热器迎面风速分布不均匀，导致性能降低。因此，如何有效减小风速分布不均对换热器性能的影响是现阶段研究的重点。

国内外学者在翅片管换热器的仿真模拟研究方面做了大量的工作。Domanski P A等［1-3］开发了EVAP-COND软件，并对不同制冷剂的蒸发器性能进行仿真研究。黄东等［4-7］利用EVAP-COND软件对翅片管换热器做了大量的仿真研究，包括 R22和R410A热泵性能随支路数的变化等。李权旭等［8］研究了风速分布对双排管两流路蒸发器性能的影响。张春路等［9］研究了四种典型的不均匀风速分布形式及风速不均匀度对热泵空调中冷凝和蒸发两用换热器性能的影响，并对比了三种不同流路布置的换热器性能。综合相关文献研究可以看出，现阶段对翅片管换热器的仿真模拟，主要研究了支路数、风速分布等对换热器性能的影响。而对翅片管换热器流程形式优化的研究较少，也没有从对系统COP影响的角度进行的研究。

本文针对R22制冷剂，利用仿真软件对三种典型风速分布条件下翅片管蒸发器流程进行优化，提出了三种对应的优化流程布置形式，对优化后的换热器性能进行了研究，分析了其对系统COP的影响，并搭建实验台对实验结果进行验证。

表1 蒸发器尺寸参数Tab.1 Parameters of evaporator

1 运行条件

为使研究结果具有参考性、对比性，换热器结构参数、回路布置形式等与文献［7］相同，分别见表1和图1；将蒸发器制冷剂出口状态作为设定条件，如表2所示。空气的进口状态采用GB／T 7725—2004《房间空气调节器》［10］规定的数据。

表2 模拟运行条件Tab.2 Simulation conditions

图1 换热器结构参数及回路布置形式Fig.1 Parameters of heat exchanger and circuit type

2 模拟结果及分析

对于制冷剂侧，先确定制冷剂侧两相区和过热区临界点，并采用相应的传热和压降公式。单相区的传热关联式采用McAdams公式，两相区的沸腾表面换热系数采用Thom公式。制冷剂在单相区的压降采用Blasius公式，两相区的压降采用Muller Steinhagen公式。

2.1 模拟结果

利用软件在设定的优化条件下进行仿真，可得到不同风速分布下，换热器对应的优化布置形式，如图2所示。

2.2 结果分析与研究

2.2.1 优化形式性能对比

图3为均匀风速优化形式、中三角风速优化形式和上三角优化形式3种不同优化形式换热器在图1所示5种不同回路布置下的换热量、制冷剂流量的比较。

图3对比结果表明：在上三角、中三角风速分布下，与图1中换热量最大的3回路形式相比，优化形式的换热量分别提高了10.3%和3%；制冷剂流量分别增加了9.3%和2.3%。优化形式能够较大程度地提高蒸发器的换热量；上三角风速优化形式换热量、制冷剂流量提高比例更大，主要是由其风速不均匀性大于中三角形式造成的，风速不均匀性越大，优化提高的空间也越大。

图2 各风速分布下优化形式Fig.2 Optim ization type with different air velocity distribution

图3 优化形式对比Fig.3 Com parison of optim ization type

在制冷空调设备的实际运行过程中，风速分布受换热器外形尺寸、安装空间、风机等影响，往往是不确定的。为研究各优化形式在不同风速条件下的适用性，对各优化形式在3种不同风速分布条件下的换热量进行分析，如图4所示。

由图4可以看出，上三角优化形式换热器除在上三角风速分布条件下的换热量为最大之外，在均匀风速和中三角风速两种风速分布条件下的换热量均为最小值；而中三角优化形式换热器除了在中三角风速分布条件下的换热量较大，在上三角及均匀风速条件下的换热量也较大，即对不同风速分布条件适应性较强。均匀风速优化形式换热器适应性也较强。若从换热器换热量平均值来反映3种优化形式换热器对不同风速分布条件的适应性，则均匀风速优化形式换热器换热量最大，而上三角优化形式换热器换热量最小；即在3种不同送风条件下，均匀风速优化形式换热器的适应性最强，上三角优化形式换热器的适应性最弱。

图4 各优化形式在不同风速分布下的换热量Fig.4 Heating capacity of optim ization type with different air velocity distribution

2.2.2 优化形式的研究

由以上分析可知，上三角优化形式换热器从换热量大小及对3种不同送风形式条件下的适应性两个方面都有较大的优化空间。因此本节将针对上三角风速分布下的优化形式，通过与图1给出的3回路形式进行对比，研究其换热规律。分析换热器换热系数、换热温差随风速变化规律，管段各排从左到右进行编号，如图2所示。

1）管段进出口温差

由于压降的存在，制冷剂气液共存状态下，温度会下降或者保持不变。因此，从各管段制冷剂进出口温差变化情况（见图5）可以看出：原3回路形式过热管段数分别为6段、3段和0段，在高风速区过热段较多，低风速区回路的制冷剂没有达到过热状态；优化形式3个回路过热管段数分别为1段、2段和2段，能较好地适应风速的变化，使各回路出口状态分布较为均衡，避免了风速大的区域过热管段较多，风速小的区域过热管段较少甚至没有达到过热的情况。

2）换热规律分析

对上三角风速下优化形式的换热规律进行分析，研究优化形式的改进关键。已知各管段面积相同，可将换热系数K转换成面积与换热系数的乘积（KA）进行研究：图6给出了各管段面积换热系数（KA）、换热温差、换热量的变化情况。

图5 各管段制冷剂进出口温差Fig.5 Temperature differences of inlet and outlet in different tubes

换热温差的大小能够反映换热器性能的差异。从图6（a）可以看出，上三角的风速分布对两种布置形式的换热温差都有影响。两排管的换热温差都随着风速的减小而逐渐减小，且第二排管温差减小的幅度大于第一排管。由于处于迎风侧，第一排管换热温差总体上大于第二排管。优化形式换热温差随风速分布的变化更为平稳。在高风速区，原3回路形式出现了多个管段换热温差急剧下降的情况，而优化形式换热温差变化波动不大。

从图6（b）可以看出两种回路形式在换热系数上的差异：第一排管主要体现在高风速区，在高风速区优化形式的换热系数明显大于原3回路形式，但由于回路布置形式的原因，各管段干度不同使沿风速方向换热系数变化较大；对于第二排管，优化形式的换热系数总体上是大于原3回路形式的；优化形式换热系数小于原3回路形式的管段，主要是集中在第一排（迎风管）低风速区。

通过对换热温差、换热系数的分析及图6（c）可知：除第一排管高风速区管段外，原3回路形式换热温差都大于优化形式，且在第一排管低风速区部分管段的换热系数也是大于优化形式的。由此可知优化形式换热量高于原3回路形式的原因有：第二排管和第一排管低风速区的换热系数；第一排管是换热系数和换热温差共同作用。优化形式在换热量上的优势主要体现在高风速区，这一区域也是换热器换热最为剧烈的区域。从图7也可以看出，两种形式各回路换热量的差值在高风速区最大。因此对高风速区的优化是翅片管换热器设计改进的重点。

图6 两种流程形式中各管段参数变化Fig.6 Paramaters of different tubes in two flow paths

3）系统性能分析

上文分析可知，原来3回路形式在蒸发温度为5℃时，制冷量为6.61 kW。用EVAP-COND软件计算得出优化回路在相同制冷量（6.61 kW）的情况下，蒸发温度为6.7℃，对采用两种回路形式蒸发器的制冷系统COP进行计算。

为了进行对比分析，控制系统中蒸发器、吸气管、排气管、压缩机等其他设备参数不变，利用制冷循环计算软件Solkane进行计算。输入参数如表3所示。

图7 各回路换热量Fig.7 Heating capacity of different circuits

表3 Solkane输入参数Tab.3 Inlet parameters in Solkane

由计算结果可知，原3回路形式系统COP为4.8，优化形式系统COP为5.2，提高了8%。可见对换热器回路形式的优化不仅提高了换热器换热效果，而且有效改善了制冷系统的性能。

3 仿真结果实验验证

3.1 实验装置

为验证仿真结果的准确性，利用焓差实验室搭建实验台。实验装置流程如图8所示，利用焓差室分别模拟室内外环境，通过计算孔板尺寸大小（见图9）对风速分布进行调节，电子膨胀阀调节制冷剂流量。

蒸发器进出风温度可自动测定并记录；蒸发器各回路制冷剂进出口温度及流量通过布置测点测得；各种温度和模拟信号的数据采集均采用Agilent 34970A型采集器完成，数据采集时间为6 s，每30个一组数据，取平均值，实验室软件testar对换热量等自动计算。

图8 实验原理图Fig.8 Experiment schematic

图9 风速调节孔板示意图Fig.9 The orifice plate for velocity modulation

3.2 实验结果及验证

实验过程主要测得参数为蒸发器换热量（进出风状态）、制冷剂流量、制冷剂进出口温差，将实验测得数据与模拟结果进行对比，控制相对误差在5%内为可接受范围。

图10所示为换热量模拟结果与实验结果分析。三种优化形式在对应风速分布下模拟值均高于实验值；模拟结果最大误差为4.85%，出现在上三角优化形式。

图10 换热量及各测点制冷剂温度相对误差Fig.10 Relative error of the capacity and tem perature of refrigerant

各优化形式在对应风速分布下对各温度测点制冷剂温度实验值与模拟值分析见表4。可知，温度模拟相对误差略大于换热量相对误差，上三角形式的模拟结果误差最大，最大值为4.57%。

表4 各温度测点相对误差Tab.4 Relative error of tem perature measuring points

表5所示为各优化形式在对应风速分布下制冷剂流量模拟与实验结果。可以看出，制冷剂流量模拟相对误差较小，最大值为3.83%；与换热量及各测点温度相对误差结果类似，上三角形式的相对误差最大，均匀风速时最小。

表5 制冷剂流量模拟值相对误差Tab.5 Relative error of refrigerant mass flow

从上文分析可知，换热量、各测点温度、制冷剂流量模拟相对误差最大值分别为4.85%，4.57%和3.83%，均在5%可接受范围之内。

4 结论

本文对三种常见风速分布形式下翅片管换热器性能进行仿真优化分析，并利用焓差室搭建实验台对仿真结果进行了实验验证，得到如下结论：

1）提出了翅片管蒸发器在三种风速分布下的优化形式，其中上三角、中三角两种风速分布下，换热量分别比文献［7］中最高制冷量提高了10.3%和3%；

2）对三种风速分布下的换热器优化形式进行比较。中三角优化形式换热器除了在中三角风速分布条件下的换热量较大，在上三角及均匀风速条件下的换热量也较大，即对不同风速分布条件适应性最强，均匀风速优化形式换热器对不同风速分布条件适应性次之，而上三角风速分布下换热器优化形式的适应性较弱。

3）高风速区是换热器优化的重点，上三角优化形式有效改善了高风速区换热效果，使得各回路换热更加均衡；上三角风速下优化形式可以有效改善制冷系统性能，在相同制冷量条件下，上三角优化形式比原3回路形式COP提高8%。

4）搭建实验台对模拟结果进行验证，结果表明，模拟值相对误差均在5%范围内，模拟结果与实验结果较为吻合。

本文受住房与城乡建设部科技计划（2013-K1-40）项目资助。（The project was supported by Program for Science and Technology of Ministry of Housing and Urban-Rural Development （No.2013-K1-40）.）

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About the corresponding author

Wang Qiang，male，professor，School of Thermal Engineering，Shandong Jianzhu University，+86 13964173540，E-mail：xjdwq ＠163.com.Research fields：refrigeration＆air-conditioning system optimization and low temperature cold chain.

An Optimized Design and Experimental Research on Finned-tube Evaporator with Nonuniform Air Distribution

Wang Qiang1Liu Yanlong2Liu Zuyi3Dai Xican4

（1.School of Thermal Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan，250101，China；2.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan，250013，China；3.China Wuzhou Engineering Group Co.，Ltd.，Beijing，100053，China；4.Dezhou Zhongao Air Conditioning Equipment Co.，Ltd.，Dezhou，253000，China）

Airflow distribution has significant impact on the performance of finned-tube evaporator.Simulation optimization and experimental study were carried out of fin-tube heater exchange flow path form with three typical air velocity distributions，when the heat exchanger structure size and inlet air state were under certain conditions.The optimization demonstrates that the capacity is increased by 10.3%，3% under upper-triangular and middle-triangular air distribution.The analysis on upper-triangular optimized form show that the high air velocity profile is the key of improving heat transfer performance，and the COP is increased about 8%with upper-triangular air distribution.An experimental rig was built and verification was carried out.The results showed that relative error was in 5%，which indicates that the optimized and experimental results are basically consistent.

finned-tube evaporator；nonuniform air distribution；optimization and analysis；experimental verification

TB61+1；TB657.5

A

0253-4339（2016）06-0013-07

10.3969／j.issn.0253-4339.2016.06.013

简介

王强，男，教授，山东建筑大学热能工程学院，13964173540，E-mail：xjdwq＠163.com。研究方向：制冷空调系统优化和低温冷藏链。

2016年3月7日