CN105160116A - 换热器分液均匀的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明的换热器分液均匀的优化设计方法，其通过使用FLUENT软件模拟换热器内部的空气流动情况及各换热管的冷媒换热情况，得出各换热管的冷媒换热情况，据此得出各换热管的冷媒换热压降；根据各换热管的冷媒换热压降，假设在冷媒被合理利用的情况下，反推出各分液毛细管需要对冷媒造成的阻力压降，最后得出各分液毛细管所需的尺寸，所得结果准确。本方法具有以下优点：（1）通过建造虚拟模型来模拟换热器工作时的状况，计算周期短，节省人力物力；（2）通过电脑运行即可得出结果，操作简便，且修改模型方便，可适应复杂的模型。

Description

换热器分液均匀的优化设计方法

技术领域

本发明属于空调零部件的设计方法领域，特别涉及一种换热器分液均匀的优化设计方法。

背景技术

换热器是空调系统的一种重要部件，通过将冷媒输送到换热器内的不同换热管来进行热交换。而在实际使用过程中由于存在风场不均、高度差等因素的影响，换热器内不同换热管所对应的区域会出现换热量不同的情况，因此需要调整输送到各个换热管的冷媒量来适应各个换热管的换热量，从而提高冷媒的使用率。为了达到合理分液，人们通常采用分液装置使冷媒以不同流量分流进换热器内的不同换热管进行换热。

现有技术中，分液装置中实现分液功能的主要零件为分液毛细管，分液装置连接多根分液毛细管，多根分液毛细管再分别连接多条换热管，通过控制分液毛细管的长度和孔径来控制流进各换热管的冷媒量。当分液毛细管孔径一定时，其长度越长，分液毛细管对冷媒的阻力也越大，其流量也相应减少。于是分液装置的研究重点就落到了毛细管长度的配比上，合理的配比能充分利用冷媒，从而提高空调换热效率。

现有技术中，人们得出分液毛细管的较佳长度配比的手段是在实验室内设计出空调整机的模型，然后对模型进行实体实验，然后检测换热管出口的冷媒的温度，如过热则说明该路冷媒不足，然后修改分液毛细管的尺寸后再实验，通过反复进行上述工作，最终得出一个较理想的分液毛细管配比。这样的分液毛细管设计方法存在以下缺点：(1)需要制造实体模型并不断修改分液毛细管的尺寸，耗费较多的人力物力，损耗大；2)实验时间较长且方法复杂，当换热器换热管较多时，所需的工作量将是巨大的且繁琐的，传统的方法难以实现。

发明内容

本发明的目的是提供了一种换热器分液均匀的优化设计方法，其可快速并准确地得出分液毛细管尺寸的相互关系。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

1、一种换热器分液均匀的优化设计方法，其包括以下步骤：

A、采用FLUENT软件建立换热器模型，其中换热器模型内设置多条换热分路，每条换热分路包括换热管以及与换热管相连的分液毛细管，运行FLUENT软件对该换热器模型进行风场模拟，模拟出其换热表面的风速分布情况，据此得出各换热管的空气侧理论风速；

B、使用步骤A得出的各换热管的空气侧理论风速来计算出各换热管的空气侧对流换热系数；

C、使用步骤B得出的各换热管的空气侧对流换热系数计算出各换热管所对应的壁面热流密度和冷媒进口流速；

D、使用FLURNT软件建立换热管模型，使用换热管模型来进行每条换热管在步骤C所得的该换热管所对应的壁面热流密度和冷媒进口流速的情况下的换热模拟，从而得出该换热管的冷媒换热压降；

E、把冷媒进入分液毛细管前的压力与流出换热管后的压力间的差值记为换热分路的工作压降，根据步骤D所得的各换热管的冷媒换热压降和各换热分路由于所处环境对冷媒造成的环境压降，计算出：为了使各换热分路的工作压降一致，各分液毛细管所需要对冷媒造成的阻力压降的相互关系；

F、根据步骤E得出的各分液毛细管所需要对冷媒造成的阻力压降的相互关系，计算得出各分液毛细管所需的尺寸的相互关系。

本发明的换热器分液均匀的优化设计方法，其通过使用FLUENT软件模拟换热器内部的空气流动情况及各换热管的冷媒换热情况，得出各换热管的冷媒换热情况，据此得出各换热管的冷媒换热压降；根据各换热管的冷媒换热压降，假设在冷媒被合理利用的情况下，反推出各分液毛细管需要对冷媒造成的阻力压降，最后得出各分液毛细管所需的尺寸，所得结果准确。本方法具有以下优点：(1)通过建造虚拟模型来模拟换热器工作时的状况，计算周期短，节省人力物力，且节能环保；(2)通过电脑运行即可得出结果，操作简便，且修改模型方便，可适应复杂的模型。

附图说明

图1为本发明的换热器分液均匀的优化设计方法的主要步骤。

图2为换热器的二维模型简图。

图3为气流的流动状况图。

图4为风速分布图。

图5为各换热管的壁面热流密度。

图6为各换热管的冷媒进口流速。

图7为各换热管的冷媒换热压降。

图8为设定第一条分液毛细管的阻力压降为0时，其他分液毛细管所对应的阻力压降。

图9为设定第一条分液毛细管的长度为0时，其他分液毛细管的长度。

附图标记包括：

1——换热器、2——换热管、3——分液毛细管、4——冷媒流动方向；

21——第一条换热管、22——第二条换热管、23——第三条换热管、24——第四条换热管、25——第五条换热管、26——第六条换热管、27——第七条换热管、28——第八条换热管；31——第一条分液毛细管、32——第二条分液毛细管、33——第三条分液毛细管、34——第四条分液毛细管、35——第五条分液毛细管、36——第六条分液毛细管、37——第七条分液毛细管、38——第八条分液毛细管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本换热器分液均匀的优化设计方法主要通过计算出各条分液毛细管3需要对冷媒造成多少阻力压降才能达到合理分液的思路来计算出各条分液毛细管3所需符合的尺寸关系，其方法如下：

步骤A：对换热器1建模并模拟其内部空气流动情况，得出各换热管21～28的空气侧理论风速

本实施例中换热器1的模型简图如图2所示，换热器1内设有八条换热分路，每条换热分路包括换热管21～28和与各换热管21～28连接的分液毛细管31～38。如2图所示，换热器内从上而下依次设有第一条换热管21和第一条分液毛细管31、第二条换热管22和第二条分液毛细管32、第三条换热管23和第三条分液毛细管33、第四条换热管24和第四条分液毛细管34、第五条换热管25和第五条分液毛细管35、第六条换热管26和第六条分液毛细管36、第七条换热管27和第七条分液毛细管37、第八条换热管28和第八条分液毛细管38。

在FLUENT软件里进行风场模拟的模型如图3所示，该图3与图2均表示该换热器1内的换热管21～28的分布，实际情况中，换热管21～28是如图3中从左上往右下分布，该斜式分布更有利于换热。由于该换热器3为侧进风，顶出风模式，其平行于换热管2的轴向方向可视为无限长。为了缩短运算时间，如图3所示，取穿过换热管2且垂直于换热管2轴向方向的剖面图建立二维模型，用以模拟出空气流动情况。实际情况中，穿过换热管2且垂直于换热管2轴向方向上的各个剖面的气流状况接近，所以取用该二维模型合理。虽然二维模型与三维模型存在误差，但这误差在能接受的范围之内。换热部分的模型采用多孔介质模型。图3中箭头所指方向为气体流动方向，可见越靠近换热器1上方，空气流速越大，对应的换热量也越大。

在进行风场模拟前，需要计算出该换热器1的一次阻力系数的倒数C₂及二次阻力系数α，用以作为变量输入到FLUENT软件中。该两个变量可通过以下公式得到。

$\mathrm{\α}=\frac{d_p^2{\mathrm{\ϵ}}^2}{150{(1-\mathrm{\ϵ})}^2}$

$C_2=\frac{3.5(1-\mathrm{\ϵ})}{d_p{\mathrm{\ϵ}}^3}$

其中：ε为孔隙率，属于换热器1的固有参数；d_p为孔隙尺度。

使用FLUENT软件对该换热器1进行风场模拟，采用层流模型，动量方程采用QUICK算法，耦合求解采用SIMPLE算法，得出风速分布图如图4所示。

将风速分布图按照各换热管21～28的空间布局对应地划分为多个区间，取每条换热管21～28所对应的区间内的风速平均值作为该换热管21～28的空气侧理论风速。具体地，在本实施例中，如图4所示，风速分布图中0-100mm范围内的风速对应的是第一条换热管21的风速，取平均值即第一条换热管21的空气侧理论风速为5.5m/s；100-200mm范围内的风速对应的是第二条换热管22的风速，即第二条换热管22的空气侧理论风速为4.2m/s；以此类推。

由上可得出八条换热管21～28所对应的八个空气侧理论风速u₁～u₈。

步骤B：计算每条换热管21～28的空气侧对流换热系数

空气侧，即换热管2外侧，其换热系数将决定了换热管2管内冷媒的换热情况。得出每条换热管21～28的空气侧理论风速u₁～u₈后，计算每条换热管21～28的空气侧对流换热系数h₁₁～h₁₈，具体地通过以下公式得到：

$h_1=c_1{c}_2\frac{\mathrm{\λ}}{d_e}{\left(\frac{1}{d_e}\right)}^n{\mathrm{Re}}^m$

式中：

$\mathrm{Re}=\frac{{\mathrm{ud}}_e}{v}$

c₁＝1.36-0.24×10^-3Re

$c_2=0.518-2.315\×{10}^{-2}\left(\frac{1}{d_e}\right)-4.25\×{10}^{-4}{\left(\frac{l}{d_e}\right)}^2-3\×{10}^{-6}{\left(\frac{l}{d_e}\right)}^3$

$m=0.45+0.006\left(\frac{l}{d_e}\right)$

n＝-0.28+0.08×10^-3Re

其中：h₁为空气侧对流换热系数；u为换热管2的空气侧理论风速，即u₁～u₈，已由步骤A得到；v为空气运动粘度；λ为空气热导率；d_e为空气流通面当量直径；l为总排距；Re为雷诺数。

由上述方法可得到八条换热管21～28所对应的八个空气侧对流换热系数h₁₁～h₁₈。

步骤C：计算每条换热管21～28的壁面热流密度和冷媒进口流速

通过每条换热管21～28的空气侧对流换热系数h₁₁～h₁₈计算出每条换热管21～28的壁面热流密度q_w1～q_w8和该条换热管21～28所对应的冷媒进口流速u_in1～u_in8，通过以下公式得到：

h₂＝0.95Bq_w ^0.5(ρu_in)^0.2d_i ^-0.2

$h={(\frac{1}{h_1}+R_3+\frac{\mathrm{\τ}}{h_2})}^{-1}$

q_w＝1.15hΔT

$u_{in}=\frac{q_{w}A}{S\mathrm{\ρ}\mathrm{\Δ}h}$

其中：h₁为空气侧对流换热系数，即h₁₁～h₁₈，已由步骤B所得；ρ为冷媒平均密度；d_i为换热管2管道内径；R₃为换热管2管壁热阻系数及污垢附加热阻系数；τ为肋化系数；ΔT为空气和冷媒的对数平均温差；A为换热管2空气侧总换热面积；S为流道截面积；Δh为设计冷媒进出口焓差；B为流态系数。

上述八组壁面热流密度q_w1～q_w8和冷媒进口流速u_in1～u_in8需要采用迭代的方式求解。具体地例如在第一条换热管21中，先按照热平衡设定壁面热流密度q_w1和冷媒进口流速u_in1的估算值，然后将该估算值依次代入上述四个公式中，得到新的壁面热流密度q_w1和冷媒进口流速u_in1，再将新的结果代入上述四个公式中，又一次得到新的壁面热流密度q_w1和冷媒进口流速u_in1。重复三到五次，直到值几乎不变时即可将该值作为第一条换热管21的壁面热流密度q_w1和冷媒进口流速u_in1。

通过这样的计算，根据八条换热管21～28所对应的八个空气侧对流换热系数h₁₁～h₁₈，算出八条换热管21～28所对应的壁面热流密度q_w1～q_w8和冷媒进口流速u_in1～u_in8，如图5和图6所示。

步骤D：建立一条换热管模型并通过该换热管模型模拟得出每条换热管21～28的冷媒换热压降

使用FLURNT软件建立一条换热管模型，后续将使用该换热管模型进行八次模拟。为了较精确地预测换热管2内的冷媒换热压降，该条换热管模型采用三维模型，结构化网格划分，网格质量0.4以上；采用VOF两相流模型，加入蒸发模型，采用标准k-ε湍流模式；动量方程、能量方程、k方程、ε方程均采用QUICK方法，耦合采用SIMPLE算法。另外，由于实际管道是内螺纹管，故设定壁面为粗糙壁面。

使用FLUENT软件对该换热管模型进行八次换热模拟，分别模拟在八条换热管21～28对应的八组壁面热流密度q_w1～q_w8和冷媒进口流速u_in1～u_in8时的换热情况，模拟后得出八条换热管21～28的冷媒换热压降ΔP_换1～ΔP_换8，如图7所示。

步骤E：计算各分液毛细管31～38需要对冷媒造成的阻力压降

计算为了使各换热分路的工作压降一致，各换热分路中的分液毛细管31～38需要对冷媒造成的阻力压降，各换热分路中的工作压降方程为：

第一条换热分路P_in1-ΔP_毛1-ΔP_换1-ΔP_高1＝P_out1ΔP₁＝ΔP_毛1+ΔP_换1+ΔP_高1

第二条换热分路P_in2-ΔP_毛2-ΔP_换2-ΔP_高2＝P_out2ΔP₂＝ΔP_毛2+ΔP_换2+ΔP_高2

.

.

.

第七条换热分路P_in7-ΔP_毛7-ΔP_换7-ΔP_高7＝P_out7ΔP₇＝ΔP_毛7+ΔP_换7+ΔP_高7

第八条换热分路P_in8-ΔP_毛8-ΔP_换8-ΔP_高8＝P_out8ΔP₈＝ΔP_毛8+ΔP_换8+ΔP_高8

设定换热分路中冷媒进入分液毛细管3时的进口压力为P_in，冷媒经过换热后流出换热管2时的出口压力为P_out，将上述两个压力差定义为冷媒流经各换热分路后的工作压降ΔP。因为冷媒流进分液毛细管3前压力是一样的，所以八条换热分路中的进口压力P_in1～P_in8一样，而当各换热分路对冷媒的蒸发效果一致时，各换热分路中的冷媒出口压力P_out1～P_out8也相应一样，所以各换热分路的工作压降ΔP₁～ΔP₈也一样。

而该工作压降ΔP包括三部分组成：(1)冷媒进行换热时由于换热蒸发而造成的冷媒换热压降ΔP_换；(2)由于各换分路所处环境不一致所导致的环境压降，在本实施例中，该压降具体地是指由于各换热分路所处的高度不同而造成的高度差压降ΔP_高；(3)分液毛细管对流过其中的冷媒产生的阻力压降ΔP_毛。

通过步骤D已得到各换热分路的冷媒换热压降ΔP_换1～ΔP_换8；通过液体内部压强公式ΔP_高＝ρgh可计算得出各换热分路的高度差压降ΔP_高1～ΔP_高8；而这里设定各换热分路的工作压降ΔP为一定值，即可通过ΔP_毛+ΔP_换+ΔP_高＝ΔP得出各换热分路中分液毛细管31～38对冷媒所造成的阻力压降ΔP_毛1～ΔP_毛8的相对值。

这里可设定第一条分液毛细管31需要对冷媒造成的阻力压降ΔP_毛1为0，即可算出其余七条分液毛细管32～38阻力压降ΔP_毛2～ΔP_毛8，如图8所示。

步骤F：计算出各分液毛细管31～38长度

通过步骤E得到的各分液毛细管31～38需要对冷媒造成的阻力压降，设定各分液毛细管31～38的孔径为一定值，计算各分液毛细管31～38所需的长度。

计算长度前先需要计算出分液毛细管3的阻力系数，分液毛细管3为圆管，通过圆管湍流的阻力系数公式，使用迭代的方式可算出该分液毛细管3的阻力系数r，公式为：

$r=\frac{8}{{\[2.5ln\left(\mathrm{Re}\frac{\sqrt{r}}{4\sqrt{2}}\right)+1.75\]}^2}$

最后，计算出各分液毛细管31～38长度公式为：

其中：d为分液毛细管3内径；r为阻力系数；U冷媒进管流速，由分液装置决定；ΔP_毛为阻力压降，已由步骤E给出。

同样地，由于设置了第一条分液毛细管31的阻力压降ΔP_毛1为0，所以这里求出第一条分液毛细管31长度为0，其他的分液毛细管32～38的长度即为与第一条分液毛细管31的长度的相对值，如图9所示。实际应用中，第一条分液毛细管31长度不为0时，例如10cm时，其他分液毛细管32～38的长度在上述结果上加上10cm即可。

至此，通过上述方法，可得出一个较佳的分液毛细管31～38的长度配比。另外也可假设各分液毛细管31～38的长度相等，计算其孔径配比。另外该方法还可适用于分液毛细管3数量不同或换热器1的结构不同的情况，那时只需修改模型的尺寸即可。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种换热器分液均匀的优化设计方法，其包括以下步骤：

A、采用FLUENT软件建立换热器模型，其中换热器模型内设置多条换热分路，每条换热分路包括换热管以及与换热管相连的分液毛细管，运行FLUENT软件对该换热器模型进行风场模拟，模拟出其换热表面的风速分布情况，据此得出各换热管的空气侧理论风速；

其特征在于，还包括以下步骤：

B、使用步骤A得出的各换热管的空气侧理论风速来计算出各换热管的空气侧对流换热系数；

C、使用步骤B得出的各换热管的空气侧对流换热系数计算出各换热管所对应的壁面热流密度和冷媒进口流速；

D、使用FLURNT软件建立换热管模型，使用换热管模型来进行每条换热管在步骤C所得的该换热管所对应的壁面热流密度和冷媒进口流速的情况下的换热模拟，从而得出该换热管的冷媒换热压降；

E、把冷媒进入分液毛细管前的压力与流出换热管后的压力间的差值记为换热分路的工作压降，根据步骤D所得的各换热管的冷媒换热压降和各换热分路由于所处环境对冷媒造成的环境压降，计算出：为了使各换热分路的工作压降一致，各分液毛细管所需要对冷媒造成的阻力压降的相互关系；

F、根据步骤E得出的各分液毛细管所需要对冷媒造成的阻力压降的相互关系，计算得出各分液毛细管所需的尺寸的相互关系。

2.根据权利要求1所述的换热器分液均匀的优化设计方法，其特征在于，所述步骤A中对换热器建模采用二维建模，建模所使用的二维图为穿过换热管且垂直于换热管轴向方向的剖面图。

3.根据权利要求1所述的换热器分液均匀的优化设计方法，其特征在于，所述步骤D中对单条换热管建模采用三维建模。

4.根据权利要求3所述的换热器分液均匀的优化设计方法，其特征在于，对所述单条换热管模型采用结构化网格划分。

5.根据权利要求3所述的换热器分液均匀的优化设计方法，其特征在于，对所述单条换热管模型建模时设定其内壁面为粗糙面。

6.根据权利要求1所述的换热器分液均匀的优化设计方法，其特征在于，所述步骤F中计算得出各分液毛细管的尺寸的相互关系为：当各分液毛细管的孔径相同时其长度的相互关系。