風冷式冷水機組用翅片管式換熱器組件的結構改
在多“V形結構翅片管式換熱器組件的基礎上，提出一種新型結構，此結構形式能夠改善翅片管式換熱器組件空氣側的風量分布，使靠外側“V”形組件中2個翅片管式換熱器的風量比從1.3：1改善至1：1，制冷模式下的制冷劑液體溫度差由原來的約7℃減小到1．5℃，提高整個翅片管式換熱器組件的效率。
關鍵詞：冷水機組；“V”形結構；風量分配；翅片管式換熱器；中央空調管理；同方科迅
隨著制冷空調行業的發展以及新技術、新工藝在現代工業生產領域中的應用，不斷提高產品的技術含量、追求高效節能、最大限度地獲取經濟效益，己成為企業組織生產所遵循的基本原則。翅片管式換熱器作為制冷空調領域中廣泛采用的一種換熱器形式，一直備受國內外研究人員的重視。
張凡等對4種工程常用的翅片管式換熱器進行試驗研究，給出了在工業常用的雷諾數范圍內的換熱和阻力特性的試驗關聯式，供工程實際選用。肖皓斌指出減小翅片厚度或換熱管尺寸都會導致整體換熱性能的下降，為了保證相同的換熱量，需要綜合考慮成本和性能的影響。張春路等研究了不同風速分布形式及風速不均勻度對熱泵（空調）中冷凝和蒸發兩用換熱器性能的影響，并提出了一種全交錯性流路設計，降低風速不均勻性的影響，提高換熱器效率。筆者在現有多“V”形結構翅片管式換熱器組件的基礎上，提出一種新型結構，模擬分析新型結構內各翅片管式換熱器的風量分配并進行試驗驗證，結果表明新型結構的翅片管式換熱器組件性能優于現有結構的翅片管式換熱器組件性能。
1現有結構
風冷式冷水機組用翅片管式換熱器組件均為多個翅片管式換熱器的組合，整體結構設計對其性能影響不可忽視。最常見的結構設計有倒“M”形和“V”形，V”形結構以其布置靈活、擴展性好的優點在業內廣泛被采用。尤其是模塊化設計的產品，對此結構非常青睞。圖1所示為常見“V”形結構翅片管式換熱器組件示意圖，沿換熱管方向一般比較短，進風條件比較優越，翅片管式換熱器
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圖1常見“V”形結構翅片管式換熱器組件示意圖
組件的整體利用率相對比較高。然而筆者在使用過程中發現，在名義制冷工況（即空氣干球溫度為35℃，水側進／出口水溫為12℃／7℃）下，靠外側的“V”形組件2個翅片管式換熱器的出口制冷劑液體溫度相差比較大，如表1所示。由于溫度測點使用的是熱電偶，測量值有士0．5℃的偏差。表中翅片管式換熱器1和2，5和6分別組成一個“V”形組件，布置在整個組件的外側，如圖2所示。翅片管式換熱器1和6的溫度比翅片管式換熱器2和5的低，說明在這2個“V”形組件中2個翅片管式換熱器換熱不均勻；另外在名義制熱工況下，靠外側的“V”形組件中內側的翅片管式換熱器2和5結霜嚴重。翅片管式換熱器結霜可能是因為制冷劑分配不均勻或風量偏小，再結合制冷工況下，液體溫度偏高，筆者認為靠外側的“V”形組件2個翅片管式換熱器的風量分配不均勻是主因之一，并采用 FLOEFD模擬軟件對現有結構的空氣側風量分配進行模擬分析。
表1現有結構的每個翅片管式換熱器出口制冷劑液體溫度
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圖2 現有結構的翅片管式換熱器組件模擬分析原型圖
圖2所示為現有翅片管式換熱器組件的模擬分析原型圖，與試驗樣機布置結構相同，翅片管式換熱器1和2，5和6分別為一個“V”形組件，布置在外側；6個翅片管式換熱器幾何尺寸相同，所用銅管和翅片亦相同。假設流動是穩態的，空氣為不可壓縮的常物性流體，忽略浮升力作用，進出口均為環境壓力，控制方程有連續性方程和動量方程，不求解能量方程。風機定義為風機邊界，每個翅片管式換熱器設定為同向性多孔介質，阻力曲線見圖3，計算的控制精度為風量±0．01m2／s，壓降±0．1Pa
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圖3單個翅片管式換熱器的風量壓降曲線
模擬結果如表2所示，可以看出，中間“V”形組件的翅片管式換熱器風量相近。而靠近外側的“V”形組件，翅片管式換熱器1和6比2和5進風條件優越，因此得風量相對較多，多了近30％。與之相反，翅片管式換熱器2和5得風量少，換熱效率低，出口液體溫度相對翅片管式換熱器1和6較高，并且在制熱模式下結霜嚴重。模擬結果與試驗現象比較吻合，證明了風量分配是整個翅片管式換熱器組件效率低的主因。
表2現有結構的每個翅片管式換熱器風量模擬結果
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2新型結構設計與試驗驗證2．1新型結構設計
新型結構翅片管式換熱器組件是在現有的多“V”形結構的基礎上，通過調整靠外側“V＂形組件中2個翅片管式換熱器的進風面積，達到風量分配均勻的目的。在設計過程中，充分考慮翅片管式換熱器組裝的難易程度、對現有結構形式的影響以及風機安裝和進風面的影響等多方面因素，兼顧制熱模式運行特點。最終設計得到如圖4所示的新型結構。新型結構中的6個翅片管式換熱器外形幾何尺寸相同，所用銅管和翅片亦相同。翅片管式換熱器1和6垂直放置，翅片管式換熱器2和5與水平面夾角為55～6°，中間翅片管式換熱器3和4與水平面夾角稍大些，在68～72范圍內。經過模擬分析發現靠外側“V”形組件2個翅片管式換熱器的風量分配已經趨于均勻（見表3）。此新型結構翅片管式換熱器組件保留了“V”形結構的優點，對整機的結構尺寸幾乎沒有影響，安裝方便，結構簡潔。同時能夠實現模塊化設計，在中間增減“V”形組件可達到改變整體翅片管式換熱器組件面積的目的。
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2．2試驗驗證
試驗樣機是一臺名義制冷量為300kW的風冷式冷水（熱泵）機組，測試翅片管式換熱器的主要尺寸如表4所示，測試翅片管式換熱器組件結構如圖5所示。
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在國家認證的標準實驗室中利用樣機做了驗證試驗，根據試驗要求布置相應的測試點，主要測點有壓縮機吸氣溫度、排氣溫度、吸氣壓力、排氣壓力，蒸發器側載冷劑溫度和流量、翅片管式換熱器出口溫度等。試驗采用風速儀測量翅片管式換熱器的迎面風速。為了能夠一次性讀取翅片管式換熱器表面的多點風速，采用高精度多點風速儀，在靠外側2個“V”形組件表面的相同位置，選取中間200mm的寬度，沿高度方向均勻劃分方格，每個方格的中心點設置一個風速測量點。每個翅片管式換熱器的迎面風速選取各測點的平均值，風量由迎面風速和迎風面積獲得。試驗結果與模擬對比如圖6所示，兩者的最大偏差在士5％以內，在測量過程中，工裝振動對多點風速儀的測量有干擾，每個翅片管式換熱器測3次，取平均值，以減小測量誤差。
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圖5測試樣機上的新型結構翅片管式換熱器組件實物圖
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圖6新型結構靠外側“V”形組件翅片管式換熱器模擬風量和試驗風量對比圖
在名義制冷工況下，靠外側“V”形組件2個翅片管式換熱器的制冷劑溫度差值縮小到1．5℃以內，見表5。新型結構下的飽和冷凝溫度下降了1．1℃。在名義制熱模式下，未出現翅片管式換熱器結霜現象。此新型結構改善了整個翅片管式換熱器組件的換熱性能。
表5新型結構靠外側“V”形組件翅片管式換熱器出口制冷劑液體溫度
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