10 kW制冷机组用冷凝器空气侧性能试验研究

2022-06-28王振环崔然成权宁哲赵新学

流体机械 2022年5期

王振环，崔然成，权宁哲，赵新学

（1.滨州学院机电工程学院，山东滨州 256600；2.韩国制冷空调认证中心，韩国京畿道华城 18608；3.韩国鲜文大学机械ICT融合工程学院，韩国天安牙山 31640）

0 引言

近年来，随着人们饮食生活的多样化以及在线或离线购买方式的流行，对物品的新鲜度要求越来越高，需冷冻车辆运送，因此，冷藏/冷冻食品的配送需求日益增加。安装在冷藏/冷冻车辆中的制冷装置起着保持物品（例如蔬菜，肉类和药品）高新鲜的作用，所以车辆空间温度控制尤其重要。冷藏/冷冻车辆中制冷机组是消耗大量能量的设备［1-6］，由于缺乏优化设计和节能的相关研究，大多数现有制冷机组不具备高能效，因此，迫切需要研究优化制冷机组的性能以开发用于高效的冷藏/冷冻车辆。

国内外研究人员对冷凝器空气侧性能进行了大量的实验和数值模拟研究。龚毅等［7］基于数值模拟方法对比分析了5种新型的板片结构，研究了板片构型、喷淋水喷淋密度、空气入口速度等因素对气液两相流流体流动及传热性能的影响。LEE等［8］提出了从冷凝器的耐热性与泵功率之间的关系得出最佳回路数的标准。丁炜堃等［9］基于传热单元数法，建立了空调冷凝器的稳态分布参数模型。运用该模型以大管径（7 mm）空调冷凝器性能为基准，进行小管径（5 mm）空调冷凝器流路设计。CHO等［10］基于换热器实验获得的空气和制冷剂性能数据进行了换热器仿真模拟比较。陈洁璐等［11］基于FLUENT软件构建3种翅片类型结构换热器空气侧的传热和阻力特性进行了研究。SON等［12］研究了用于冰箱的平板式冷凝器的传热性能，并研究确认了3种类型的热交换器的性能和空气侧的压降。CHA等［13］基于CFD分析了在大气条件下风冷式冷凝器的性能，并报告了其性能随风速的变化而变化。郭梦茹等［14］对不同结构参数下的冷凝器性能进行仿真，分析管径、翅片间距、管间距等对管翅式冷凝器性能以及成本的影响。KIM［15］对百叶窗翅片的热交换器的空气侧传热性能进行了试验研究，并从实验数据中得出了Colburn j-factor因子和摩擦f-factor因子之间的相关性。秋雨豪［16］分别采用干空气工况和湿空气工况的试验条件，对3种常见的翅片型式换热器性能的影响进行了研究。SHON等［17］研究了使用低GWP制冷剂的冷凝器的传热和压降特性，结果表明质量流量是主要影响因素。张园明等［18］对7个带亲水层和3个不带亲水层波纹翅片管换热器在析湿工况下空气侧的换热压降特性进行了试验研究，并且在不同的入口风速和入口相对湿度下比较了干湿工况下的空气侧特性。

由于对现有热交换器的研究集中在家用、工业空调和制冷用热交换器的设计和优化，因此它不适合直接用作车辆的冷藏/冷冻热交换器。尤其较少有关于冷凝器用作低温10 kW冷藏/冷冻车辆的制冷装置的研究。因此，为了研究和优化车辆制冷装置的室外环境相对应的冷凝器的性能，在保持车辆室外温度环境的同时，改变冷凝器的翅片形状，翅片节距，管排数和空气流量的同时并对冷凝器空气侧传热和压降性能进行了试验研究，并且从试验中获得的性能特征和优化数据旨在用于制冷机组冷凝器的详细设计和商业化。

1 试验设备及方法

本试验采用空气焓差法来测量冷凝器的各项性能参数，包括容量、制冷能力、风量、功耗等，可作为冷凝器检测和设计开发的重要手段。为了测试制冷机组冷凝器的传热和压降性能，设计了空气焓差室试验系统。该系统由热量计（psychrometric calorimeter）和风量测量装置（cord tester）等组成，具体如图1所示。图中，Td，Tw和ΔP分别表示为空气侧干球温度、湿球温度和压差的测量位置，通过测量干/湿球温度和压差计算冷凝器的吸入/排出焓和容量，在制冷系统中，T和P表示制冷剂侧的温度和压力的测量位置，并且为了计算制冷剂侧的热量，配置了制冷循环系统。

图1 试验装置示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup

通过PID控制，将箱体的干/湿球温度保持在设定值的允许范围内（±0.3 ℃）。在制冷剂方面，制冷系统的每个部分都安装了RTD温度传感器（精度为±0.1 ℃），压力表（精度为0.13%）和质量流量计（精度为0.1%），以测量制冷剂的温度，压力和流量数据。测得的试验数据以2 s的间隔存储，对5 min的测量值进行平均，并测量7次，收集35 min的数据以计算总平均值。本试验系统可达到测试精度2%以内，重复性精度±1%以内。为了研究冷凝器的性能，为此，根据式（1）～（3）计算出空气侧热量Qa、制冷侧热量Qr、平均热量Q。

a，oa，ia，r，or，ir —— 下标，空气、空气侧出口、空气侧入口、制冷剂、制冷剂侧出口、制冷剂侧入口。

图2所示为冷凝器左侧和右侧的管道连接示意，由20段和5个通道组成。对冷凝器结构中4种不同翅片形状进行了试验研究。图3示出了平板状翅片、波纹状翅片、条缝翅片和百叶窗翅片的结构示意。表1列出了制冷机组冷凝器的主要结构参数尺寸，并且试验中使用的冷凝器的翅片厚度、路径、外径尺寸等参数均相同。通过对4种翅片形状、5种翅片节距和4种冷凝器的管排数变化进行了试验研究，并且对6种空气流量的变化，对冷凝器空气侧性能进行了研究。

图2 冷凝器路径示意Fig.2 Schematic diagram of the condenser path

图3 冷凝器的翅片形状Fig.3 Fin shape of the condenser

表1 冷凝器结构参数尺寸Tab.1 Condenser structural specifications

表2列出了冷凝器的试验条件。有关空气侧测试条件，参考了ATP标准。空气侧试验条件设定为大气压、吸入温度为30 ℃、相对湿度为40%、空气流量为50～130 m3/min，间隔为20 m3/min。制冷剂侧试验条件入口压力设定为2 100 kPa，循环流量为347 kg/h。通过使用变频器控制频率来改变空气流量。在空气侧和制冷剂侧同时测量冷凝器的性能，并且获得偏差小于±5%的数据。冷凝器安装在数据测试仪的入口，并尽可能绝缘，以确保没有热量泄漏，从而可以保持恒温恒湿，在冷凝器的后部安装了一个混合器以混合废气。

表2 冷凝器试验条件Tab.2 Condenser test inlet conditions

在本试验研究中，对10 kW级制冷机组的冷凝器性能特征及选择冷凝器规格，进行了试验研究。通过改变冷凝器的翅片形状、管排数、翅片节距和空气流量的同时测量每个冷凝器的容量和压降，优选性能最佳冷凝器。

2 试验结果与分析

2.1 翅片形状对容量和压降的影响

图4（a）示出不同翅片形状和空气流量70，90，110 m3/min工况下，制冷机组用冷凝器（管排数为4、翅片节距为3 mm）的容量变化规律。由图可知，在空气流量70 m3/min时，以平板状翅片为基准相比波纹状、条缝和百叶窗翅片的容量分别增加了10.8%，12.3%，13.8%。空气流量90 m3/min时，容量分别增加了4.5%，5.5%，6.2%。空气流量110 m3/min时，容量分别增加了3.3%，4.0%，4.7%。随着空气流量的增加，冷凝器容量上升幅度逐渐减小。冷凝器空气侧的热流过程会根据翅片的形状而变化，因为随着百叶窗式翅片（图3）的散热片表面形状变得比板式散热片更复杂，空气侧的对流传热过程变得更加活跃。在另一方面，当翅片形状变为平板状→波纹状→狭缝→百叶窗，随着翅片形状的变化，冷凝器的容量逐渐减小。这是因为即使复杂的设计翅片形状而促进对流传热，也存在冷凝器的传热性能的极限。

图4（b）示出不同翅片形状和空气流量70，90，110 m3/min工况下，制冷机组用冷凝器的压降变化规律。由图可知，在空气流量70 m3/min时，以平板状翅片为基准相比波纹状、条缝和百叶窗翅片的压降分别增加了5.7%，26.1%，60.9%。空气流量90 m3/min时，压降分别增加了7.8%，38.9%，75.3%。空气流量110 m3/min时，压降分别增加了6.9%，27.2%，60.7%。在相同的试验条件下，百叶窗翅片与平板状、波纹状、条缝翅片相比下压降最大。随着空气流量增大，4种不同翅片形状的压降呈线性增大。综上所述，由图4可知，虽然百叶窗翅片的容量最佳，但是相应的压降最大。波纹翅片相对于平板翅片的容量增加最大为4.5%，而压降的增加最低为5.7%。本试验结果表明，存在一种适于优化制冷机组冷凝器性能的翅片形状，因此，选择了波纹状翅片作为制冷机组冷凝器的翅片形状。

图4 翅片形状的变化下容量和压降Fig.4 Capacity and pressure drop by fin type

2.2 翅片节距对容量和压降的影响

在空气流量为90 m3/min的工况下，随着不同翅片节距的变化，冷凝器（管排数4）的容量变化规律，如图5（a）所示。

图5 翅片节距的变化下容量和压降Fig.5 Capacity and pressure drop by fin pitch

对于翅片形状，根据图4的结果，波纹状翅片被选定为制冷机组冷凝器的翅片。由图可知，当波纹状翅片节距在1～3 mm范围内时，冷凝器的容量随着节距的增加逐渐下降。但波纹状翅片节距在3～5 mm范围内时，冷凝器的容量随着节距的增加急剧下降。当节距由1 mm变为2 mm时，冷凝器的容量因节距变化而降低约0.7%；当节距由2 mm变为3 mm时降低约3.3%；当由3 mm变为4 mm以及由4 mm变为5 mm时降低约14.4%和18.1%。本试验范围内，如果翅片节距超过3 mm，容量减少幅度为11.1%。反之，冷凝器的容量逐渐增加。在空气流量为90 m3/min的工况下，随着翅片节距的变化，冷凝器的压降变化规律如图5（b）所示。由图可知，当波纹状翅片节距在1～3 mm范围内时，冷凝器的压降随着节距的增加急剧下降。但波纹状翅片节距在3～5 mm范围内时，冷凝器的压降随着节距的增加逐渐下降。当节距由1 mm变为2 mm时，冷凝器的压降因节距变化而降低约58.6%；当节距由2 mm变为3 mm时，降低约27.3%；当节距由3 mm变为4 mm以及由4 mm变为5 mm时，降低约14.5%和11.6%。综上所述，由图5可知，翅片节距3 mm以上时，冷凝器的容量急剧减少，翅片节距3 mm以下时，冷凝器的压降大幅上升。因此在本试验范围内，观察到翅片节距为3 mm时最为合适。

2.3 管排数对容量和压降的影响

随着管排数的变化，波纹状冷凝器（翅片节距3）的容量和单位管排数容量变化规律如图6（a）所示。单位管排数容量是试验得到的容量除以管排数计算出的单位容量。由图可知，随着管排数数量的增加，冷凝器容量明显增加，但是在增加到6排之后，增加量略有放缓。当管排数由2变为4时，冷凝器容量因管排数变化而增加约78.9%；从4变为6时，冷凝器容量增加约35.3%；从6变为8时，冷凝器容量增加约15.2%。在另一方面，从单位容量来看，管排数为2时单位容量最大为5.1 kW，随着管排数数量的增加，单位容量几乎呈线性下降，这是由于在圆管的后端产生尾流的影响，随着热量的增加，后排中的传热性能逐渐降低。

图6 管排数的变化下容量和压降Fig.6 Capacity and pressure drop by tube rows

随着管排数的变化，波纹状冷凝器的压降和单位管排数压降变化规律，如图6（b）所示。单位管排数压降是试验得到的压降除以管排数计算出的单位压降。由图可知，随着管排数数量的增加，空气侧压降明显的增加，几乎呈线性的增加。当管排数由2变为4时，冷凝器压降因管排数变化而增加约92.9%；变为6时，冷凝器压降增加约177.2%；变为8时，冷凝器压降增加约251.7%。在另一方面，从单位压降来看，管排数2的压降最大为28.2 Pa，随着管排数数量的增加，观察到单位管排数的压降呈逐渐下降趋势。综上所述，由图6可知，根据管排数的容量和压降综合判断，当管排数为4时，冷凝器容量的增加明显，而压力增加的程度也被认为是最合适的，因此，管排数4性能是最为合适的。

2.4 空气流量对容量和压降的影响

随着空气流量及翅片形状的变化，冷凝器（管排数为4和翅片节距为3 mm）容量及压降变化规律如图7所示。由图可知，随着空气流量的增大，空气流量在50～90 m3/min时，冷凝器容量明显上升，但空气流量在90～130 m3/min时，容量增加幅度略有放缓。这是因为随着空气流量的增加，翅片管中的对流传热增加，从而冷凝器容量接近最大制冷能力。对于平板状翅片，随着空气流量的增加，冷凝器容量上升，但空气流量在90 m3/min以上时，容量增加量略有放缓。特别是，在本试验空气流量范围内，波纹状、狭缝和百叶窗显示出比平板状更高的性能。对于条缝、波纹状和百叶窗翅片，在空气流量90 m3/min以上时，容量增加幅度明显降低，增加幅度为1 kW以下。随着空气流量的增加，翅片形状的影响逐渐减少。从该试验结果发现，与平板状翅片相比条缝、波纹状和百叶窗翅片的顺序，在较低的空气流量中显示出更佳的容量性能。因此表明，冷凝器设计中的翅片形状和空气流量极大地影响了空气侧的传热过程。由图7（b）可知，随着空气流量的增大，冷凝器空气侧的压降明显增加。对于百叶窗翅片，在空气流量为130 m3/min时，空气侧压降最大为360 Pa，相对于平板状翅片，波纹状翅片的压降增加了约8%，条缝翅片的压降增加了27%，百叶窗翅片的压降增加了约57%。

图7 空气流量的变化下容量和压降Fig.7 Capacity and pressure drop by air flow rate

4种不同翅片形状压降性能比较顺序为平板状→波纹状→条缝→百叶窗。综上所述，由图7可知，与平板状翅片不同，条缝、波纹状和百叶窗翅片的容量增幅在空气流量超过110 m3/min时明显减少。因此，在该试验中，可以判断出相比于百叶窗和条缝翅片，波纹状翅片最为合适，冷凝器的压降越高，风扇的功率就越高，耗能就越大，因此，冷凝器的容量和压降在90 m3/min左右的空气流量是合适的。