混联式冷凝器的可视化研究与传热分析

论文摘要

热交换器包括冷凝器,蒸发器,暖风芯体,等。热交换器在航空航天,石油化工,车辆船舶,能源动力,食品环保等领域有着广泛的应用。全球范围内环保教育的日益普及和能源危机意识的日趋高涨,促使强化传热技术的科学研究不断深化,热交换器的设计制造正朝着更加经济省材,轻巧节能,高效紧凑的方向快速发展。铝材料的微孔管开窗翅片换热器,简称微孔管换热器,就是在这样的需求下应运而生。铝材料的引进改变了传统铜管热交换器在重量和体积等方面的不足,使换热器的换热效率得到急剧提高。微孔管平行流( microchannel tube parallel flow, or, PF )冷凝器是这一铜转铝,低效体重转高效紧凑的先驱。近年来有关微孔管平行流( microchannel tube parallel flow, or, PF )冷凝器的两相流传热现象已得到国内外研究人员的极大的重视,相关的理论与实验研究可见于诸多文献。就应用方面而言,PF冷凝器已成功替代了管片式冷凝器,成为了汽车空调冷凝器的标准配备。随着全球范围内能源及原材料价格的不断攀升,各国政府致力于加速推动节能减排有关的法律法规的设立与完善,微孔管冷凝器技术正在逐步向家用及商用制冷空调领域推广应用。因此,对微孔管平行流(PF)冷凝器的强化传热和优化设计也在不断的展开。本文提出了一种与现有车用空调平行流(PF)冷凝器不同的新型混联式(MPP)微孔管冷凝器的创新设计。制冷剂流体分流器被引入以保证相邻的流道之间的流体为平行流动。在一模拟车用空调系统中对其进行了两相流可视化和传热性能分析。MPP混联式冷凝器的提出,意在研究和开发一种设计更加优化和传热效率更高的冷凝器,以满足发展的需要。MPP混联式冷凝器中将传统平行流(PF)冷凝器位于集流管中形成流动流道的“隔板”变成了“分流器(孔)”。“分流器(孔)”概念的引入把传统平行流(PF)冷凝器上仅作为流动通道和结构件的集流管功能提升到流动分配和控制中心的层面。通过对空调制冷系统内MPP混联式冷凝器的两相流流动与传热分析,作者提出了一种强化凝结传热的两相流区增大技术。该技术可以提高冷凝器的整体传热性能,降低制冷剂的流动阻力,为设计更轻,更紧凑的车用空调冷凝器提供了一种新的途径。在针对混联式(MPP)冷凝器中强化凝结传热的两相流区增大技术的优化设计分析的基础上,选用相同尺寸,相同冷凝管数的平行流(PF)冷凝器为对比样件,通过高速摄影可视化试验以及标准空调系统性能测试方法,对采用不同尺寸和数量的分流器(孔),同等流道数下每一流道不同的制冷剂管数,不同流道布置的混联式冷凝器在不同热负荷下的传热性能,质量流量以及压力差变化等进行了实验分析与评价。可视化分析表明,在MPP混联式冷凝器中,经过分流器(孔)的类似于“蒸气喷射流”的过热蒸气与主流道中的气液两相流在集流管中经强烈扰动混合后,改善了进入下一冷却流道的两相流质量分布的均匀性。从强化传热的角度来分析,它增强了冷凝器的总体传热性能。通过试验发现,分流器(孔)尺寸的大小,在保持总体冷凝管数相同的情况下不同的流道数布置,在保持流道数相同的情况下每一流道中冷凝管数的不同布置,热负荷的强弱等,都会影响混联式(MPP)冷凝器的凝结强化传热,质量流量,以及流动压力降。试验结果表明, 4流道MPP混联式冷凝器的传热性能同比PF冷凝器可提高达9.6%。同时,系统中的制冷剂质量流量提高达13.43%。而6流道的MPP混联式冷凝器的传热性能在大多数设计工况下也比PF冷凝器高出3%到5.5%。系统中的制冷剂质量流量和压力降也有得到2%到8%的改善。需要指出的是,在保持总体冷凝管数相同的情况下,流道数的增加,分流器(孔)数的增加以及在集流管中放置的位置,每一流道中冷凝管的管数的分配等,都会使混联式冷凝器的强化传热的优化变得更加多样化和复杂。本文在这些方面已作了一些实验和探索。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文研究的目的和研究内容
• 1.3.1 本文研究的目的
• 1.3.2 本文的研究内容
• 2 平行流（PF）冷凝器
• 2.1 平行流（PF）冷凝器介绍
• 2.2 平行流（PF）冷凝器的热力学过程
• 2.2.1 去过热区（De-superheat zone）
• 2.2.2 冷凝区（Condensing zone）
• 2.2.3 过冷区（Sub-cool zone）
• 2.3 平行流（PF）冷凝器制冷剂侧的传热和压降计算
• 2.3.1 单相区
• 2.3.2 两相流区
• 2.4 平行流（PF）冷凝器空气侧的传热和压降计算
• 3 混联式（MPP）冷凝器
• 3.1 混联式（MPP）冷凝器介绍
• 3.2 混联式（MPP）冷凝器的热力学过程
• 3.2.1 去过热区（De-superheat zone）
• 3.2.2 冷凝区（Condensing）
• 3.2.3 过冷区（Sub-cool）
• 3.3 混联式冷凝器的传热与流动分析
• 3.3.1 两相流区放大技术
• 3.3.2 独创的混联式流道布置
• 3.3.3 强化制冷剂侧系统的传热能力
• 4 集流管中两相流的可视化实验和传热性能实验
• 4.1 集流管中两相流的可视化实验
• 4.2 传热性能实验- 实验系统
• 4.3 传热性能实验- 测试样件
• 4.3.1 测试序列1
• 4.3.2 测试序列2
• 4.3.3 测试序列3
• 4.4 测试条件
• 4.5 实验结果分析
• 4.5.1 4 流道冷凝器强化传热实验分析- 测试样品序列1
• 4.5.2 6 流道冷凝器强化传热实验分析- 测试样品序列2
• 4.5.3 6 流道冷凝器强化传热实验分析- 测试样品序列3
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录
• B 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目