微型多元平行流冷凝器的流程布置和风速优化

2020-02-19何予东

机械管理开发 2020年9期

何予东，张毅

（1.新乡航空工业（集团）有限公司，河南新乡 453049； 2.中铁工程装备集团隧道设备制造有限公司，河南新乡 453100）

1 多元平行流冷凝器的相关概述

平行流冷凝器由扁管和波纹百叶窗翅片组成。扁管各截一根，扁管两端各有集气管。对于多单元平行流冷凝器，集流管内有隔板，且每段管数不同。制冷剂进入冷凝器时，制冷剂处于气态，比体积最大，管数最多。随着制冷剂逐渐冷凝成液体，其比体积减小，管数减少，这种柔性工艺的结构设计使冷凝器的有效容积得到最合理的利用，它具有空气和制冷剂侧压力损失低、传热系数高、质量轻、结构紧凑、制冷剂充注量少等优点，使制冷剂的流动和传热更加合理。微制冷系统要求冷凝器具有工作性能高、体积小、质量轻、安装方便、耐用、运行安全可靠的特点。因此，多元平行流冷凝器非常适合微型制冷系统冷凝器的开发。比较国内外来说，新型的热水循环泵HPK-L的结构简单且性能好，并且机械密封选型进行起来容易，不用外加冷却水以及配用价格离谱的冷却器来冷却机械密封和轴承，泵就能安全稳定地运行，运行成本低，安装以及维修也方便，达到了设计目标。

2 单双层冷凝器热力性能试验分析

通过调查研究发现，有专门的机构进行了14 mm厚单双层冷凝器热力性能试验，并得出了一些有效结论。值得注意的是，这个试验是研发中心内部的实验，现在的通用成熟平台（14×1.8-9.8）并不能达到一些集团企业如新航集团和新航特换军品客户的相关要求。因而在产品生产方面，为了尽最大可能满足用户需求，相关企业主要生产双层冷凝器芯体，以此在迎风面积不变且加大换热面积的情况下达到相关性能要求。军品冷凝器的负责人曾表示，现在关于自身双层冷凝器以及单层冷凝器单体的热力性能大小比对并不精确，缺乏相关依据，因而对军品双层冷凝器性能预估的准确性也较差。但是由于双层冷凝器的加工比较复杂，很难确保客户的相关要求，因此在了解了双层冷凝器和单层冷凝器单体具有的热力性能之后，就会通过判断客户条件和要求来确定现有的单层冷凝器是否达标，如果不能达标则要按照单双层单体之间性能提升的具体百分比来对其进行优化提升。有学者通过将实验得到的换热量（空气侧）数据进行分析得知：当风速增大时，相关双芯体换热量提升百分比也会增大，当增幅减小时，风速增加到某个值之后，提升百分比停止增加，甚至会降低。双芯体流程逆排布置时会高于顺排布置。具体原因是：逆排布置时，芯体平均温差小于顺排时平均温差，对空气侧换热有益处。前后芯体的迎风面积本不能重合，而逆排的前后迎风面积能够重合，且顺排芯体的外表面黑漆和翅片倒伏以及在护板里面的铆钉破坏翅片结构等一些问题会使芯体的换热能力降低，进而就会使高风速的换热强度降低。

分析数据先要以确定、怀疑、校正、确认的态度来分析，检查输入参数是不是符合试验申请单，避免出现错误的结果。这个试验的单双层芯体流程就较为单一，且试验情况只有一种。而且还要较多误差，如人为加工误差、测量误差、验设备带来的误差、操作误差等，在这一背景下，试验所得结果只能解决一些问题，如芯体零部件的参数尺寸和试验工况等，但是并不能全部解决，具体还要通过实际情况来分析。在该试验中，试验芯体外观的喷漆和翅片倒伏，会使得试验数据出现偏差，还会对曲线趋势走向造成影响。

3 微型多元平行流冷凝器的流程布置分析

通过对微型多元平行流冷凝器的流程布置分析，总结了一些可行性方案和优化风速的特点：在有限的结构集管方面，由于入口数量的不断增多，在个体进行分发的液体经过多个结构集管的数量也在不断递增。所以进气管结构的设计成为了影响液体分配十分重要的因素。液体进行分发的均匀部分主要表现在通过入气管的长度出现了先减小后增大的变化，而且通过一定数据的调查和分析得知，如果在有限的入口质量流量条件下，在集管内的液体分发会由于组合的长度出现先变小后增大的情况，多个孔的扁管和集管会在临界处结合长度变化，使整个液体分放的均匀程度呈现出一个比较良好的状况。通过对较小的管道里液体流动的特质进行计算分析后发现，在液体流动的情况下，整个管道的关键部分液体流动速度会变大，直到出口的位置，每个位置的速度都不会经过管道行程方向的改变而改变，同时，速度呈现出抛物线的起伏趋势，而且在比较小的管道里面液体流入的长度也会比一般的管道短，通过分析较小的管道的有限尺寸发现，在比较矮的入口处，制冷量较少的管道就会快速凝固，由于距离等量地增加，换热的相关值逐渐减小，所以这些结论都对整个有了一些考察和参考作用。

4 微型多元平行流冷凝器的风速优化分析

由于微型多元平行流冷凝器的流程布置以及风速的优化会对各种流程布置产生影响，因此当流程数减少时，空气侧以及制冷剂侧总压降都会减小，其中制冷剂侧总压降减小最快；扁管和翅片的总质量以及冷凝器的高度、单根扁管的长度都会进一步增加。原因是流程数减少，所以每一个流程里面扁管数会相应增加，冷凝器入口的制冷剂质量流量稳定，两相区的总传热系数减小，冷凝器需要的扁管总数变多，冷凝器高度增加的同时总传热系数降低导致单根扁管的长度变化，同时增加了冷凝器的迎风面积，扁管宽度稳定并且冷凝器体积增加，最终会使扁管以及翅片的总质量增加，风量呈现稳定状态。当迎风面积增加时，冷凝器迎面风速就会减小，风速减小使得空气侧摩擦因子以及两相区摩擦因子都会同时增大，因为风速决定了空气侧压降，所以空气侧压降会减小，尽管两相区摩擦因子会增加，但是因为每一个流程的制冷剂的流通密度在减小，进而出现了两相区当量制冷剂制冷流量变小，而流程数减少使得两相区流通长度也会减小，这两者决定了两相区制冷剂压降。

通过以上的研究与分析，得出以下结论：

1）平行流式冷凝器换热量是根据风速增大而增加的，并且会慢慢达到一个稳定数值。鉴于此，在优化设计多元平行流式冷凝器的结构时，要综合考虑临界风速的影响，然后在此基础上对其进行合理的布置，使得风速呈现出最优化的状态。

2）多元平行流式冷凝器空气出口的温度在扁管回流中会出现很多变化，而这些变化大多是由于制冷剂相态变化以及冷凝器流程变化引起的。相比较于空冷式冷凝器，平行流式冷凝器空气进出口的温差值更大。

3）由于环境温度升高，冷凝器传热温差数值会减小其，相应的换热量也会减小。

4）制冷剂的入口质量的提升对增大换热量有帮助，并且增减幅度也会减小，但是也会导致管内压降增加，要想保证其最佳质量流量，可以在压降较小的时候对其进行控制，以确保达到较高的换热量。