5mm铜管替代7mm铜管窗式空调器的优化设计

5mm铜管替代7mm铜管窗式空调器的优化设计 5mm铜管替代7mm铜管窗式空调器的优化 设计 Technology 技术 5ram铜管替代7ram铜管窗式 空调器的优化设计 国际铜业协会(中国)高屹峰宋吉, 上海交通大学制冷与低温工程研究所任滔丁国良 摘要:将现有窗式空调器中蒸发器和冷凝器 常用的直径7mm及以上的内螺纹铜管改为 5ram内螺纹管,可以显着节省材料,但为了 避免性能的下降必须对于空调器重新进行优 化设计.本文提出基于换热器仿真与优化软 件与系统仿真软件,通过适当增加换热器流 路,对流路进行优化布置,以提高5mm铜管 窗式空调器性能的优化设计.对于一个 窗式空调系统的设计实例表明,采用本文的 优化设计方法,在明显节省换热器成本的同 时,5mm铜管窗式空调系统制冷量与EER能 达到原有7mm铜管机型的水平. 关键词:5mm铜管;窗式空调;流路布置; 仿真;优化 76家电科技 1背景 现有的换热器通常采用铜管铝翅片,对 空调的性能和成本控制起着关键的作用.近年 来,由于铜价的高企,空调厂商的成本压力很 大.而通过换热器小型化能有效地降低空调换 热器生产成本.实现换热器小型化的较好方法 就是使用小管径内螺纹管代替较大管径的内螺 纹管. 在窗式空调器中的换热器里,普遍采用 的是直径为7rnm及以上管径的铜管,如果将蒸 发器和冷凝器中铜管直径全部从7mm及以上管 径改为5ram,则能节省大量的铜材料,从而 降低整个空调器的成本.然而换热器采用的内 螺纹管径减小后,管内换热和压降特性会随之 改变.实验研究".表明在质流密度相同的情 况下,5mm螺纹管内制冷剂的摩擦压降比7 mm内螺纹管的摩擦压降大10~30%.因此需 要针对5mm螺纹管的换热和压降特性对空调 器中的换热器进行改进设计,同时需要对系统 的其他部件,如膨胀阀的开度进行调整,使系 统的性能达到最优.这就需要既对换热器进行 仿真和优化设计,同时也需要系统仿真软件对 系统进行仿真.上海交通大学开发的三维翅片 管换热器仿真与优化设计软件和房间空调器系 统仿真软件能有效对换热器进行优化设计和对 空调系统进行仿真计算. 本文提出了基于三维翅片管换热器仿真 与优化设计软件和房间空调器系统仿真软件对 5mm铜管窗式空调器的优化设计方法.并给出 了一个窗式空调器算例详细说明了采用基于三 维翅片管换热器仿真与优化设计软件和空调器 系统仿真软件对5mm空调器的设计方法和设计 流程. 2优化设计思路 由于5mml~螺纹管的摩擦压降更大,需要 对采用5mm内螺纹管的换热器重新进行设计以 减小压降,故采用换热器仿真优化软件对换热 器进行设计.以下首先对5mm内螺纹管窗式空 调系统优化设计采用的仿真程序进行介绍,而 后详细介绍利用仿真程序对5mmp~螺纹管窗式 空调系统进行优化设计的思路 2.1仿真与优化软件简介 对房间空调器设计需要采用2个软件,一是 上海交通大学开发的三维翅片管式换热器仿真 与优化软件,二是上海交通大学和国际铜业协 会联合设计开发的房间空调器系统仿真软件. 本文采用的三维翅片管式换热器仿真与优 化软件经历了近十年的开发和完善,在国际上 具有广泛的影响.该软件采用三维分布参 数模型对换热器进行模拟计算,具有换热器仿 真和优化等多种功能.软件能够在三维图形中 蒸发器输入参数 出口压力 入口焓 流量 冷凝器输入参数 八口压力 八口温度 流量 换热器结构参数 换热器长/Imm】 换热器高/(mm) 排间距/{mm】 管间距/(mm) 换热管类型 外径/(mm) 壁厚/(mm) 7mm管冷凝器 375 273 13 21 内螺纹管 o24 5mm管冷凝器 375 273 1_2 t95 内螺纹管 02 方便地实现换热管的流路布置,能够自动判别 换热器流路布置的通断情况,并实现对三维图 形实体的拾取,旋转,移动等的操作过程.软 件界面如图l所示. 本文采用的房间空调器系统仿真软件,适 用于不同换热能力系统的仿真和优化,能够对 不同的系统部件如压缩机,毛细管和换热器进 行仿真.为了准确计算5mm管径的换热和压 降,软件中采用THu.~Ding开发的换热和 压降关联式.此外软件还可以对多种制冷剂进 行仿真,~1]R22,R410A等.软件界面如图2 所示. 2.2窗式空调系统设计思路 在对换热器进行优化时,采用工况, 参照GB/T7725—1996.对于蒸发器输入参数为 制冷剂入口焓,制冷剂流量和制冷剂出口压 力;对于冷凝器采用制冷剂入u压力,制冷荆 入口焓和制冷剂入口流量,具体的输入参数如 表1所示.对5mm内螺纹管房间空调器优化设 计包括如下3个流程,设计流程图如图3所示: Technology 技术 制冷剂空气侧 八口焓/kJ/kg)入口压力/(cPa流量g/s干球温度/?)湿球温度/C】 436222175192234992387 E??l—I洼蚯坷譬僻沌 CC1C2TKEPrTDRPr 00914419213 ?—l= 边界 进口 出口 窗机机壳 铜管 设置 压力入口表压为20kPa湍流密度1096 压力出口.压力为1013kPa.湍流密度1O% 壁面温度设为25.C 壁面 (1)实验测量或者采用CFD仿真计算换热器 迎风面风速分布.对于换热器设计来讲,空气 侧的风速分布为输入参数,且迎风面的空气速 度分布对换热器的性能有较大的影响.用实验 方法测量迎风面风速分布较为困难,得到迎风 面风速分布的较为有效的方法是通过CFD软件 Ol1Fluent仿真计算得出换热器气侧的流场. (2)采用三维翅片管换热器仿真与优化软 件对换热器的流路进行设计.由于在质量流量 相同的情况下,5mme~螺纹管的压降比7mm内 螺纹管的压降大4倍以上,一个有效降低5mm 空调器换热器的压降的方法就是增大换热器的 分路数.但分路数过多后,换热器的换热性能 会下降l,同时也会造成加工困难,所以需要 采用三维翅片管换热器仿真与优化软件仿真得 出适当的分路数,并根据风速分布的情况,优 化设计得出最优的管路的连接. (3)将采用换热器仿真与优化软件设计得 m的换热器带入到系统仿真软件中进行EER的 校核.由于换热器设计时得出的最优的管路连 说明 入口压力为环境压力 出口压力为环境压力 接是在标准工况卜,放入系统中,因此需要放 入系统中对系统的EER和制冷量进行校核,如 不满足系统EER和制冷量的要求,则需要返回 第(2)步,重新对换热器进行调整. 3优化设计算例 现以一款常用的窗式空调器为例,将其冷 凝器由原来的7mm管径改为5mm管径,其蒸发 器保持原来的7mm管结构.对空调器进行设计 时,首先对冷凝器内部的流场进行CFD仿真, 并采用三维翅片管式换热器仿真软件对其管路 进行优化设计.然后采用房间空调器将设计得 出的换热器带入系统中对EER进行校核. 3.1空调器的几何尺寸和工况 需要改变的冷凝器的主要结构参数如表2 所示.翅片采用桥片,换热管采用内螺纹强化 管,制冷剂采用R22.仿真工况采用制冷标准 工况(参照GB/T7725—1996),具体参数如表3 所示. 3.2冷凝器的空气侧流场模拟 Technology 技术 系统性能参数 制冷量(wj 能效比 输入功率{w) 排气温度{?} 冷凝器出口温度rC 采用7mm管冷凝器原机型 1478 272 543 7359 4016 采用三维翅片管式换热器仿真与优化软件 对于采用5rrm~管后的冷凝器进行优化设计时, 需要输入空气侧的温度场与流场,在没有实验 数据的情况下,只能通过CFD计算获得. 利用Gambit对冷凝器构建模型,可得冷凝 器风道的3D模型视图,将该3D模型进行网格 划分,如图4所示.采用SIMPLE方法,并运用 k—e模型对湍流进行求解.k—e模型的各常数 取值如表4所示.蒸发器进出口,风扇,铜管 和机壳的边界条件设置如表5所示 完成流动模型和边界条件设置后,使用 Fluent进行迭代计算,得出了冷凝器迎风面的 风速分布的仿真结果,如图5所示.为了便于 冷凝器的仿真计算,将冷凝器沿管长方向划分 成6个控制单元,并将各控制单元的速度导出 后,得出各控制单元中沿换热器高度方向的速 度分布,如图6所示. 3.3冷凝器管路连接的优化 将Fluent计算得出的非均匀流速分布输入 到三维翅片管换热器仿真与优化软件中,对分 路数是1至2的流路结构进行优化设计,可得 对应的分路数的最优的流路设计,如图7 所示. (a)原7mm管冷凝器走管方式(b)5mrn管 冷凝器1个流路走管方式(C)5mm管冷凝器2个 流路走管方式. 78家电科技 采用5mm管冷凝器机型 1467 27 544 737 4103 在换热器设计中当分路数增加,换热器的 换热量增大,压降降低;而当分路数继续增大 后,伴随着换热器的压降的降低,换热器的换 热量也随之降低.5ram管冷凝器设计中2个流 路的压降较小,换热量与原有机型较接近,故 选用2个流路的布置,如图7(c)所示. 3.4采用5ram管冷凝器的空调器性能校核 将上述所得的2个流路的5ram管径冷凝器 的结构和管路布置和原7mm管径蒸发器的结 构和管路布置带入至系统仿真软件,对系统的 EER进行校核,表6测试结果表明5mrn窗式空 调器的制冷量为1467W,能效LL2.70,与原有 7ram管径系统接近,满足要求. 4结论与讨论 (I)窗式空调器采用5mmF~螺纹管后, 需要对于换热器的管路连接重新进行优化设 计,适当增加分路数. (2)经过换热器优化设计与空调器整机 制冷系统优化后,采用5mm铜管的窗式空调 器在冷量和能效比可以达到原?ram管空调器 的性能. (3)空调器的两器从原来的7mm螺纹 管换成5mm内螺纹管后,两器的成本能够降 低30%左右,而制冷剂充注量也能减少20%左 右,对环境保护影响有益.r 参考文献 .丁国良,黄翔超,邓斌,高屹峰. [1]胡海涛 R410A-油在5mm/J~管径光管内流动沸腾的阻力特 性.上海交通大学,2008,3394—398 [2]胡海涛,R410A-润滑油混合物在小管径光管莉 强化管内流动沸腾换热和压降特性的研究.博士学 位论文,上海交通大学,2008 [33JlanLiu,WenjianWeiGuollangDlng, ChunIuZhan8.Agenera1steadystate methematiceImodeIforfin—end—tube heatexchangerbasedongraphtheory. 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