空调换热综合实验台的研制及冷凝器性能研究
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I
目 录
摘要
Abstract
第一章 绪论 ...................................................................................................................1
§1.1 课题来源及意义.............................................................................................1
§1.2 国内外空调用翅片管式换热器研究现状.....................................................2
§1.2.1 翅片管式换热器数值模拟研究...........................................................3
§1.2.2 翅片管式换热器性能实验研究...........................................................3
§1.3 课题研究的内容和主要工作.........................................................................6
第二章 空调换热器综合实验台的研制 ...................................................................... 8
§2.1 空调换热器综合实验台概述.........................................................................8
§2.1.1 总体设计要求.......................................................................................8
§2.1.2 实验台测试原理.................................................................................10
§2.2 环境室...........................................................................................................13
§2.2.1 设计要求.............................................................................................13
§2.2.2 设计原理.............................................................................................14
§2.2.3 设计方案及结果.................................................................................14
§2.3 制冷剂循环系统...........................................................................................14
§2.3.1 设计要求.............................................................................................14
§2.3.2 设计原理.............................................................................................15
§2.3.3 设计方案与结果.................................................................................21
§2.4 环境室工况系统...........................................................................................22
§2.4.1 设计要求.............................................................................................22
§2.4.2 设计原理.............................................................................................22
§2.4.3 设计方案与结果.................................................................................23
§2.5 空气测量装置...............................................................................................24
§2.5.1 设计要求.............................................................................................25
§2.5.2 设计原理.............................................................................................25
§2.5.3 设计方案与结果.................................................................................26
§2.6 恒温水系统...................................................................................................27
§2.6.1 设计要求.............................................................................................28
§2.6.2 设计原理.............................................................................................28
§2.6.3 设计方案与结果.................................................................................28
§2.7 电气控制及参数控制、测量系统...............................................................29
§2.7.1 电气控制系统.....................................................................................29
§2.7.2 参数控制系统.....................................................................................30
§2.7.3 参数测量系统.....................................................................................36
§2.8 工作小结.......................................................................................................37
第三章 冷凝器数值模型的建立与求解 .................................................................... 39
§3.1 制冷剂和空气热力性质程序化...................................................................39
§3.1.1 制冷剂热力性质程序化.....................................................................39
§3.1.2 湿空气热力性质程序化.....................................................................43
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§3.2 模型的建立...................................................................................................45
§3.2.1 物理和几何条件的假设.....................................................................45
§3.3 参数的计算...................................................................................................47
§3.4 方程的求解及程序的计算流程...................................................................54
§3.5 本章小结.......................................................................................................56
第四章 冷凝器性能实验 .............................................................................................. 57
§4.1 实验用冷凝器的结构...................................................................................57
§4.1.1 冷凝器外形和结构尺寸.....................................................................57
§4.1.2 冷凝器结构参数...................................................................................58
§4.2 实验目的、方案及步骤...............................................................................58
§4.2.1 实验目的及方案设计.........................................................................58
§4.2.2 实验一、相同冷凝温度下不同迎面风速的实验.............................59
§4.2.3 实验二、相同迎面风速不同冷凝温度下的实验.............................60
§4.3 实验数据整理...............................................................................................62
§4.4 实验数据分析...............................................................................................62
§4.4.1 换热与迎面风速的关系.....................................................................62
§4.4.2 换热量随冷凝温度的变化关系.........................................................64
§4.4.3 迎面风速对阻力的影响分析.............................................................66
§4.4.3 结果分析.............................................................................................67
§4.5 本章小结.......................................................................................................68
第五章 实验数据分析 ................................................................................................ 69
§5.1 B 换热器的传热系数计算 ...........................................................................69
§5.1.1 B 换热器的传热系数计算 .................................................................69
§5.1.2 B 换热器的传热系数计算结果 .........................................................70
§5.2 B 换热器的性能分析 ...................................................................................70
§5.2.1 B 换热器的传热系数随冷凝温度变化的分析 .................................70
§5.2.2 B 换热器的传热系数随雷诺数 Re 变化的分析 .............................. 71
§5.2.3 B 换热器的空气侧阻力随雷诺数 Re 变化的分析 .......................... 73
§5.2.4 B 换热器的结果分析 .........................................................................74
§5.3 换热器两侧的换热因子的计算及实验结果的关联式总结.......................75
§5.3.1 空气侧实验结果的关联式总结及对流换热表面传热系数的计算.75
§5.3.2 空气侧实验结果的关联式总结.........................................................77
§5.3.3 制冷剂侧表面传热系数的计算.........................................................78
§5.4 实验结果与仿真结果的比较.......................................................................78
§5.5 本章小结.......................................................................................................82
第六章 结论与展望.................................................................................................... 83
§6.1 课题小结.......................................................................................................83
§6.2 展望...............................................................................................................84
符号表 .............................................................................................................................85
参 考 文 献 ...................................................................................................................89
附 录 ...............................................................................................................................93
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .......................................... 104
致 谢 ...........................................................................................................................105
第一章 绪论
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第一章 绪论
§1.1 课题来源及意义
自从 1930 年美国研制出第一台房间空调器开始，随着世界经济的迅速发展和
科学技术的进步，家用空调器行业得以迅猛发展，品种迅速增加，性能日趋完善。
由此世界发达国家逐步建立了庞大的技术密集型生产工业体系。它们的产品除满
足本国市场外，还大规模向发展中国家出口，占据了广大国际市场。我国在 1965
年由上海试制出第一台窗式空调器，后由于特殊的历史原因，没有发展。改革开
放为家用空调器的发展创造了市场环境，提供了机遇。从 80 年代开始，经历了自
行研制－引进－消化吸收三个发展阶段。形成了整体式、分体式和系统中央式三
大类别家用空调器系列[1]。从 80 年代末产量不足 40 万台，到现在的 4000 多万台，
无可置疑成了名副其实的世界家用空调器生产大国。
由于我国年产空调器达到四千多万台，使用量更大，空调的能耗达到了一个
惊人的数值。因此，空调的高能效比就显得尤为重要。我国去年出台的有关空调
器能效比新标准规定，分体空调一级能效标准是能效比达到 3.4,二至五级分别为
3.2、
3.0、
2.8、
2.6；柜机一级能效标准是能效比达到 3.3,二至五级分别为 3.1、
2.9、
2.7、2.5。只有达到一级或二级标准的产品才能称为节能产品，同时所有低于五级
的空调器将不得再生产销售。据有关部门统计，目前市场上约有三分之一的空调
器是达不到空调器新国标的，将面临退市。这对空调器的生产厂家来说是一个严
峻的考验，空调市场的激烈竞争迫使厂家不得不在生产成本上下功夫，然而，高
能效和低成本是两个矛盾的方面。在新国标规定下，厂家必须在这两者之间找出
一个最佳的结合点。
最近，有关环境的讨论集中在了如何减少温室气体排放量上。对于空调而言，
使用效率更高的制冷系统，减少空调系统能耗，也就意味着减少电厂输出量，减
少CO2的排放量。在炎热的夏季，尤其是在南方，家用空调能耗占了家庭总能耗
的绝大部分。这也使得电厂峰值不断攀升，迫使政府不得不增加更多的资金投入
到电厂来满足空调峰值需求。所有这些因素，归结到一点，都迫切需要提高家用
空调的能效比。因此，除了尽快寻找 R22 的替代工质外，另外一个方面是如何提
高制冷系统各个组成部分的性能，使系统性能达到最优。
空调换热器是空调制冷系统的重要组成部分之一，它性能的好坏直接关系到
空调换热器综合实验台的研制及冷凝器的性能研究
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整个空调器性能的优劣，提高换热器的传热性能和加工质量，对于节省能耗、提
高能效比具有重要意义。空调换热器包括蒸发器和冷凝器。蒸发器因为有除湿过
程，增加了其传热过程研究的复杂性。相比之下，在提高冷凝器传热性能的研究
中，影响冷凝器传热性能的较少的参数为研究提供了方便。尤其是对接触热阻的
研究，因为没有了凝结水的影响，研究起来要较蒸发器准确、方便的多。因此，
有关冷凝器的研究成为了当前研究的热点[2]。
冷凝器的价格与所用铜管和铝材的数量密切相关。冷凝器的综合传热系数与
换热表面积有关，表面积越大，换热效果越好，所耗费的铜管和铝材的量也越多。
高COP 对应着高成本，如何在能达到一定的 COP 值的前提下将成本最小化，或
者在成本一定的情况下将 COP 值最大化是设计者一直在考虑的问题。
对于冷凝器，其空气侧的热阻占总热阻的 60~70%[3]。因此，提高冷凝器的性
能，关键在于强化空气侧的换热。最近的几年里，百叶窗和波纹式翅片被广泛使
用来加强空气侧的换热。使用这两种翅片，同样的换热效果所需要的冷凝器的体
积大大缩小。但与此同时，空气侧的阻力也随之增加。
家用空调中的冷凝器最常见的型式是翅片管式，一般是采用机械或者液压涨
接的方法将一组平行翅片和管子连接在一起。涨接的方法对接触热阻有很大的影
响。
由此可见，提高空调器能效比意义深远，而提高空调器能效比的关键之一就
是采用高效节能的冷凝器。随着科学技术的发展，先进的加工制造技术的产生，
人们对冷凝器机理认识的深入，就需要进一步研究空调冷凝器的性能。
§1.2 国内外空调用翅片管式换热器研究现状
翅片管式换热器是在各种领域被广泛采用的一种换热器形式，对它的研究不
仅有利于提高换热器的换热效率和整体系统性能，而且对改进翅片管式换热器的
设计型式，推出更加节能、节材的紧凑式换热器有着重要的指导意义。据公开的
文献可查知，对翅片管式换热器的系统研究取得有价值的成果始于 1970 年代，研
究进展可以从研究内容和研究手段等方面来概括。就研究内容来看，早期的研究
主要集中在翅片管排的总的传热性能和流动性能上，主要考查管径、管排数、翅
片间距、管排排列方式、翅片厚度等几何参数对换热及流阻的影响情况，近期研
究注重换热器的传热和流动机理[4]。研究手段有实验研究和数值模拟两种方法。
下面分别从这两个方面介绍一下国内外翅片管式换热器的研究与发展现状。
第一章 绪论
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§1.2.1 翅片管式换热器数值模拟研究
数值模拟方法较之实验方法能节省研究成本和缩短研究周期，早期的数值模
型都只是二维的，且假设条件较多，随着计算机技术的发展，先后出现了像
PHOENICS、FLUENT等大型通用软件，数值模拟也由二维升为三维。
Vardhan和Dhar于1998年，Bensafi等人于1997年以及Corberan &和Melon于
1998年建立了单个翅片管式换热器的完整的模拟模型[2]，与实验结果相比误差在
1％～30％。
Jiang等人于2002年也为翅片管式换热器开发了一个模拟工具，只是还没有被
实验结果所验证。它能解决像复杂流动管路、不同流动结构（逆流和顺流）等方
面的问题。主要方法是通过将管子分成若干微元段，建立质量和能量关系式然后
迭代求解。关于模拟工具，Jiang等人提出了一个用遗传算法对管排数、每一排管
子的数目、逆流或顺流形式的选择以及管子的直径进行优化的例子。
Wright于2000年提出了一个基于R410a作为制冷剂的空调系统数值模型。它是
对空调系统的一个整体的模拟，其关键部分之一是对冷凝器的模拟，它综合考虑
了空气侧和制冷剂侧的压力降以及传热系数。
§1.2.2 翅片管式换热器性能实验研究
关于各种强化翅片表面换热的研究中，强化换热的方法总的来说有以下几种：
一是减小换热管的结构尺寸，采用小管径换热管代替大管径换热管，同时减小管
排横向间距及纵向间距。管径从以前的 9.52mm，7.94mm 到现在的 7.0mm；二是
增强空气侧的湍流强度，可通过不断改变气流来流方向，来达到强化换热的目的，
如采用波纹型翅片；三是采用间断式翅片表面，将翅片表面沿气流方向逐渐断开，
以阻止翅片表面空气层流边界层的发展，使边界层在各表面不断地破坏，又在下
一个冲条形成新的边界层，不断利用冲条的前缘效应，达到强化换热地目的，如
条缝型翅片和百叶窗翅片[5]。就翅片型式而言，翅片管式换热器分为四种类型：
平翅片型式、波纹翅片型式、条缝形翅片型式和百叶窗型形翅片型式。下面按照
不同翅片型式的换热器介绍国内外对翅片管式换热器的性能实验研究进展。
对平翅片型式换热器性能的实验研究：早在1971年，Rich 等人就对管径为
13.3mm，管排间距为27.5mm和管列间距为31.8mm的16种不同结构的平翅片换热
器进行了实验研究，实验结果表明翅片间距对传热系数有显著的影响，而管排数
对空气压降几乎没有影响。
1978年，McQuiston[6]发表了第一个基于五种结构参数
空调换热器综合实验台的研制及冷凝器的性能研究
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（翅片间距1.81—6.35mm、管外径为9.96mm、管排间距为22mm、管列间距为
25.4mm、管排数为4的平翅片换热及压降通用关联式。1986年，Gray and Webb又
提出了管排数大于4排的实验关联式，其关联式能较好地预测大管径、大管排间距
和大管列间距下的传热特性和压降特性。1991年，Seshimo and Fujii在迎面风速为
0.5m/s～2.5m/s 的实验条件下，对21种平翅片形换热器进行了研究。1994年，康
海军[7]等对平翅片在不同翅片间距和管排数的情况下，对9种不同结构的平翅片换
热器进行了实验，并提出了在工业常用Re数范围内的换热和阻力性能通用关联
式。1996年，何国庚[8]等人分别对16排、26排和32排的平翅片空气冷却器进行了
实验，指出风速对风侧阻力的影响并不相同：在较少排数时，风速的影响显著，
随着管排数的增加，风速的影响也趋向稳定。2000年，Wang[9]等人对18种不同结
构的平翅片型式换热器的空气侧传热特性进行了研究，指出在不同的雷诺数下，
空气侧的传热热特性与翅片间距、管排数和换热管径有十分重要的关系。
Sparrow
等人也对管排及双排管的平翅片换热器进行了研究，指出边界层的发展是单排管
传热特性的最重要因素。涡流的影响只有在高雷诺数的情况下才获得。
对波纹翅片型式换热器性能的实验研究：
1976年，
Coldstein和Sparrow [10]采用
质量传递技术，对翅片间距1.65mm、换热管径8.53mm的人字型换热器模型的局
部和平均传质系数进行了测定，发现波纹形换热器的传质系数要比平翅片形的高
出45％。1987年，Beecher和Fagan[11]对27种不同结构的换热器进行了研究，其中
有21种为波纹形翅片结构。波纹形翅片换热器全部采用错排的方式进行布置。1997
年，Wang等人[12]对18种不同结构、以及不同管排排列方式（顺排和错排）下的典
型波纹形翅片换热器进行了实验研究，实验结果表面，翅片间距对换热因子的影
响可以忽略不计，同时管排数对摩擦系数的影响也是可以忽略不计的。指出波纹
形翅片的传热系数要比对应平翅片的传热系数高55％～70%,同时其压降损失要
比平翅片大66％～140％。1998年Madi等人[13]对28种不同规格的翅片管式换热器
（包括平翅片和波纹型翅片）进行了测试，测试的风速范围从1～20m/s，测试的
结构参数包括不同的管排数，翅片厚度，翅片间距，管排间距和管列间距。实验
表明：波纹型翅片的换热因子j和摩擦因子f均比平翅片的大。主要使由于波纹型
翅片改变了空气气流的流动方向，增强了空气的流速，加速了空气在翅片间的湍
流强度；但这也同时造成压力损失的增加，进而增大了摩擦因子。2002年，张恩
泽等人[14]对表冷器的翅片间距对换热器的影响进行了研究，指出对六排管波纹片
表冷器，在常用片距2.4～3.4mm范围内，不论是从单位体积换热量还是从单位阻
力换热量来衡量，间距为3.26～3.33时，其性能都是较好的。
对条缝形翅片型式换热器性能的实验研究：
1983年，
Nakayama and Xu对三种
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作者：牛悦
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时间：2024-11-19
