空冷分液冷凝器的管程优化设计及热力性能评价
强化管内冷凝传热的技术很多，工业上通常采用强化管来提高冷凝传热系数。然而，强化管在提高管内传热系数的同时，也造成了流动阻力的增大，从而导致能耗增大。空冷汽液分离式冷凝器简称分液冷凝器，是一种新型冷凝器，它采用平行流多管程布置方式，换热管两端设置具有分程功能的“隔板-联箱”，其隔板上开设有小孔，汽液两相工质在联箱内进行分离，部分液相工质通过多孔隔板排出，从而提高了工质进入下一个流程的干度，达到强化传热、降低流阻的目的。
本文针对分液冷凝器分段冷凝、中间排液的结构特点，采用3个经典的管内冷凝换热模型(Yu and Koyama(1998)、A.Cavallini et al.(2009)和Koyama and Yonemoto(2006)换热模型）和压降模型(Choi and Kedzierski(2001)压降模型），逐管程计算工质的冷凝换热系数与压力降，设计开发出“分液冷凝器管程结构及热力性能设计程序”。该程序能在已知工质及其进口条件下，计算不同分程策略（管程数和各管程管子数）下不同管型结构参数和不同工况下分液冷凝器的管内冷凝传热系数和压力降。该计算程序可以用来考察流速与管内平均干度对管内工质热力性能的影响。
应用该设计程序，在总换热面积一定的基础上计算了14种不同管程结构的分液冷凝器和蛇形管冷凝器的管内冷凝换热系数和压降值，并用惩罚因子分析它们热力性能的优劣。计算结果表明，由于蛇形管冷凝器采用单流程，管内制冷剂质量流速较大，因此其管内冷凝传热系数要比大部分分液冷凝器大，但其压降要比所有分液冷凝器都要大;而在13种管程结构的分液冷凝器中压降值最小的是管程结构为5-3-2-1-1-1-1的分液冷凝器，在流量范围为600～1200kg/(m2·s)内其压降值分别比压降最大的分液冷凝器和蛇形管冷凝器小64.8％～72.3％和68.8％～78.7％。采用惩罚因子(PF)来评价不同结构的冷凝器之间的热力性能，在制冷剂质量流速600kg/(m2·s)到1200kg/(m2·s)范围内，所有管程结构的分液冷凝器的PF值都比蛇形管冷凝器小，这说明分液冷凝器的热力性能要比蛇形管冷凝器好;而在13种管程结构的分液冷凝器中，管程结构为5-3-2-1-1-1-1的分液冷凝器PF值最小，热力性能最好。
为了验证该程序计算结果的准确性，对最优管程结构5-3-2-1-1-1-1的分液冷凝器进行实验研究。在制冷剂R134a冷凝温度为45℃和50℃，热流密度分别为4.96kW/m2和6.72kW/m2，质量流速为532.5kg/(m2·s)和644.6kg/(m2·s)工况下，对换热器的管内换热系数和管内压力降进行了实验测试，并将模型计算结果与实验数据进行了比较。研究发现换热模型的计算结果与实验数据的偏差都基本落在±30％以内，尤其是Yu and Koyama(1998)和A.Cavallini et al.(2009)这两个换热模型的计算结果与实验数据吻合程度最好，全部都落在±30％以内;压降模型的计算结果与实验数据的偏差基本都落在±30％以内，只有3个点在低压降下比实验值稍小。由此可以说明利用合适的换热模型和压降模型来计算分液冷凝器的管内冷凝传热系数和压降是可行的。
在优化管程设计的基础上，根据管壁温度对管外的翅片间距进行了匹配设计。当冷凝温度为45℃，换热量为1525W时，分液冷凝器的横向管排间距最小。采用最小熵增数进行比较，发现随着风量的增大，熵增数是减少的。最小熵增数与冷凝温度的关系较大，冷凝温度越大，最小熵增数也越大，冷凝温度为50℃时的最小熵增数比45℃大29.2％～33.0％。
分液冷凝器;管程结构;换热系数;热力性能;优化设计;冷凝传热
广东工业大学
硕士
热能工程
陈颖
2013
中文
TK124
84
2013-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）