用分段分析法对直接蒸发式空气冷却器的计算机模拟

在蒸发器的设计中，通常采用平均温差法，是基于沸腾换热系数沿程不变的假定。实际上，随沸腾过程的进行，换热系数随干度、热流密度的变化而不同，为了更有效地利用蒸发器，我们采用分段分析法。这种分段分析法人工无法进行，只有通过计算机才能更精确。
1 用分段分析法对直接蒸发式空气冷却器计算机模拟的具体计算步骤
1.1 制冷剂为纯质时，直接蒸发式空气冷却器的计算步骤
1） 输入已知蒸发器入口制冷剂参数，蒸发压力 或蒸发温度 ，并求入口焓；
2） 输入结构参数及物性参数：结构参数中需给出基管外径 ，壁厚 ，肋片厚度 ，肋片节距 ，排列方式，管中心距 ；物性参数中需给出空气的导热系数 ，动力粘性系数 ，密度 ，比热 ，空气的进口状态参数，空气的出口状态参数和冷却空气量 ，并调用湿空气的热物性计算程序来计算空气进出口的其余参数；
3） 计算空气侧换热系数，初步确定沿气流方向的管子排深数 ；
4） 确定制冷剂循环量 及每排并联的肋管根数 ；
5） 根据干度分段， ，分为 段；
6） 计算局部微元段换热量 
                      W
其中 为比潜热，kJ/kg；
7） 假设局部微元段长度 ，可求局部微元面积 ；
8） 局部微元段热流密度 （以管内表面积为基准）， 是计算制冷剂侧换热系数 的必需已知量；
9） 调用制冷剂侧换热系数计算程序（制冷剂侧换热系数计算采用文献[4]提供的公式），算 ；
10） 计算局部传热系数 （以管内表面积为基准，且忽略铜管的导热热阻）
                  
     其中  为肋化系数， 为空气侧垢阻，m2.K/W，计算时一般取0.0001~0.0003 m2.K/W， 为空气侧的当量换热系数，W/m2.K；
11） 计算局部微元段热流密度 ；
12）  与 比较，调整 ；
13） 计算该干度段的压降 ，下一干度段的压力为 ，返回6），进行下一干度段的计算；
14） 每个通路肋管总长 ；
15） 计算蒸发器的长宽高。
1.2 制冷剂为混合物时，直接蒸发式空气冷却器的计算步骤
1) 输入冷凝压力 ，混合物的浓度配比 ；
2) 调用相平衡计算子程序，求得露点温度 、泡点温度 ；
3) 输入已知结构参数及物性参数（与纯质时相同）；
4) 调用结构计算子程序；
5) 对蒸发过程进行分段；
6) 求出每段进出口的焓，计算局部微元段换热量
                   
其中 为制冷剂循环量，kg/s,  为蒸发器每排并联的肋管根数， 和 分别为每段出口和进口的焓，kJ/kg；
7）  假设局部微元段长度 ，可求局部微元面积 ；
8） 局部微元段热流密度 （以管内表面积为基准）， 是计算制冷剂侧换热系数 的必需已知量；
9） 调用制冷剂侧换热系数计算程序（制冷剂侧换热系数计算采用文献[4]提供的公式），算 ；
10） 计算局部传热系数 （以管内表面积为基准，且忽略铜管的导热热阻）
                  
         其中   为肋化系数， 为空气侧垢阻，计算时一般取0.0001~0.0003 m2.K/W， 为空气侧的当量换热系数，W/m2.K；；
11） 计算局部微元段热流密度 ；
12）  与 比较，调整 ；
13） 计算该干度段的压降 ，下一干度段的压力为 ，返回6），进行下一干度段的计算；
14） 每个通路肋管总长 ；
15） 计算蒸发器的长宽高。
2 模拟程序应用举例
2.1 双开缝翅片计算举例
表1和表2分别给出了R22采用双开缝翅片代替平翅片后的直接蒸发式空气冷却器的结构变化和R134a采用双开缝翅片代替平翅片后的直接蒸发式空气冷却器的结构变化。由表可见，采用双开缝翅片代替平翅片后，蒸发器的尺寸明显减小。
2.2 采用分段法与平均法的比较
     作者在这里只分别比较一下R12和R22采用分段分析法与平均法设计出的蒸发器尺
表1  R22采用双开缝翅片代替平翅片后的直接蒸发式空气冷却器的结构变化
R22 蒸发温度 被冷却空气进出口温度（℃）
       
蒸发器结构 平翅片 H(m) 1.08 1.11 0.9 23～12
  B(m) 1 0.995 1.181 
  L(m) 0.156 0.156 0.156 
 双开缝翅片 H(m) 1.321 1.168 0.965 
  B(m) 1.088 1.3 1.55 
  L(m) 0.044 0.044 0.044 
体积变化 -62% -61% -60% 
制冷热负荷（w） 70570 62000 50460 
注：H 、B、 L分别为蒸发器的高度、宽度和长度，单位均为m。

表2  R134a采用双开缝翅片代替平翅片后的直接蒸发式空气冷却器的结构变化
R134a 蒸发温度 被冷却空气进出口温度（℃）
       
蒸发器结构 平翅片 H(m) 1.11 1.17 0.96 23～12
  B(m) 1 0.976 1.15 
  L(m) 0.156 0.156 0.156 
 双开缝翅片 H(m) 1.422 1.27 1.04 
  B(m) 1.025 1.22 1.5 
  L(m) 0.044 0.044 0.044 
体积变化 -63% -62% -60% 
制冷热负荷（w） 70570 62000 50460 
注：H 、B、 L分别为蒸发器的高度、宽度和长度，单位均为m。
寸，因为文献[5]提供的计算平均换热系数的公式 只给出了工质R11、R12、R22、R142的系数值。
     由表3和4可以看出，分段法设计出的蒸发器尺寸与平均法的相差较大。
表3  R12采用分段法与平均法的比较
R12 蒸发温度 被冷却空气进出口温度（℃）
       
蒸发器结构   平均法 H(m) 1.5      1.29 1.11 23～12
  B(m) 0.84 0.86 0.81 
  L(m) 0.156 0.156 0.156 
    分段法 H(m) 1.5 1.29 1.11 
  B(m) 0.83 0.903 1.01 
  L(m) 0.156 0.156 0.156 
面积变化 -1.1% 5% 24.7% 
制冷热负荷（w） 70570 62000 50460 
注：H 、B、 L分别为蒸发器的高度、宽度和长度，单位均为m。
表4  R22采用分段法与平均法的比较
R22 蒸发温度 被冷却空气进出口温度（℃）
       
蒸发器结构    平均法 H(m) 1.08      1.11 0.9 23～12
  B(m) 1.17 1 1 
  L(m) 0.156 0.156 0.156 
    分段法 H(m) 1.08 1.11 0.9 
  B(m) 1 0.995 1.18 
  L(m) 0.156 0.156 0.156 
面积变化 -14.5% -0.5% 18% 
制冷热负荷（w） 70570 62000 50460 
注：H 、B、 L分别为蒸发器的高度、宽度和长度，单位均为m。
2.3 考虑压降和不考虑压降的比较
    作者在这里只比较一下R22和R134a考虑压降和不考虑压降情况下设计出的蒸发器尺寸值。
表5  R22考虑压降和不考虑压降的比较
R22 蒸发温度 被冷却空气进出口温度（℃）
       
蒸发器结构   考虑压降 H(m) 1.08 1.11 0.9 23～12
  B(m) 1 0.995 1.181 
  L(m) 0.156 0.156 0.156 
  压降（kpa） 2.78 2.0 2.2 
  温降（℃） 0.12 0.08 0.09 
 不考虑压降 H(m) 1.08 1.11 0.9 
  B(m) 1. 0.9974 1.184 
  L(m) 0.156 0.156 0.156 
面积变化 0 0.24% 0.25% 
制冷热负荷（w） 70570 62000 50460 
注：H 、B、 L分别为蒸发器的高度、宽度和长度，单位均为m。
表6  R134a考虑压降和不考虑压降的比较
R134a 蒸发温度 被冷却空气进出口温度（℃）
       
蒸发器结构   考虑压降 H(m) 1.11 1.17 0.96 23～12
  B(m) 1 0.976 1.15 
  L(m) 0.156 0.156 0.156 
  压降（kpa） 3.86 2.58 2.74 
  温降（℃） 0.25 0.16 0.17 
 不考虑压降 H(m) 1.11 1.17 0.96 
  B(m) 1.01 0.98 1.155 
  L(m) 0.156 0.156 0.156 
面积变化 1% 0.41 0.43% 
制冷热负荷（w） 70570 62000 50460 
  注：H 、B、 L分别为蒸发器的高度、宽度和长度，单位均为m。
由以上比较可以看出，考虑压降比不考虑压降设计出的蒸发器尺寸稍微小一点，这主要是因为随压力降低，蒸发温度降低。但考虑压降和不考虑压降情况设计出的蒸发器尺寸相差不大。
3 小结
1． 对直接蒸发式空气冷却器采用分段计算的方法编制了模拟计算程序。并利用模拟计算程序做了一个双开缝翅片管和平翅片管蒸发器的计算比较。
2． 本文还做了分段法和平均法设计出的蒸发器尺寸比较，结果显示两者的差别比较显著。
3． 模拟的结果比较表明，考虑制冷剂侧压降对换热的影响不大。

参考文献
1 李惠珍、康海军等人，开缝翅片管换热和阻力特性试验研究，《全国高等学校工程热物理第四届学术会议论文集》，1992
2 用条缝肋片控制气流分布改善空气冷却器传热性能，《暖通空调》，1992年，第2期，PP40-43
3 赵艳云、周启瑾，双向开槽型翅片热力性能的计算和研究，《暖通空调》，1987年，第5期，PP17-23
4 陈民，R134a及R32/R134a水平管内流动凝结与沸腾换热的研究，西安交通大学博士论文，1997.3
5 彦启森，空气调节用制冷技术，建筑工业出版社，1980.
6 施林徳尔译，换热器设计手册（第三卷），机械工业出版社，1988.

第一作者 姜盈霓，女，1976年4月出生，籍贯山东烟台，西安交通大学在读博士研究生，2000年毕业于西安建筑科技大学环境工程系供热、供燃气、通风与空气调节工程专业，硕士。现在武警工程学院建工系营产与环保教研室从事教学、科研和暖通设计工作，讲师。

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