1、清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,微通道冰箱冷凝器优化设计,张会勇 李俊明 李红旗2008-9-18,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,主要内容,背景微通道换热器概况介绍微通道冰箱冷凝器计算模型计算结果分析结论,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,背景,自Tuckerman从上世纪80年代提出采用微细通道强化传热以来，微细尺度换热研究的不断进展，微通道换热器也开始得到应用。微细尺度换热研究起初以提高电子散热速率而提出来的，后来微细通道多通道扁管的产生，促使了微细通道换热器在汽车空调上的应用，主要是用于气体冷却器。近年来，铜材价格不断上涨，使制冷空调系统两器的成本提高，进而
2、使整机的成本不断提高，企业面临较大的成本压力。,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,背景,微通道换热器在汽车空调上的成功应用，人们开始探讨此种类型的换热器是否可用于家用空调，并进行了大量的研究和评估。微细通道换热器用于家用空调，一般采用的百叶窗式换热器结构，在多孔铝带之间布置各种不同形式的肋片。如百叶窗翅片、错列翅片，波纹翅片等。,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,实例,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,背景,我们课题组1996年开始研究微细通道传热，2005年开始探讨微细通道换热器在家用空调上的应用，进行了一些前期调研，随后在2006年得到国家863项目资助下开始进行采
3、用微通道高效换热器的热泵型空调器的研制，目前即将进行整机性能测试。许多大学和空调厂商如GIT，UIUC，Carrier和Modine等企业已经开始进行系统的测试，不过仍有许多问题需要解决，才能真正的走向产业化。我们认为国内的厂商也要加快相关方面的准备，及时进行相关的研发，否则外国企业将会通过专利保护的方式设置技术壁垒。,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,优缺点优点,管侧： 换热增强 制冷剂充注量减小 可能的压降降低等。空气侧： 流动阻力降低 强度增大、不易破坏 全铝结构、抗腐蚀 采用钎焊技术、接触热阻小，肋片不易脱落 无管道后的尾区，有利于换热 有利于清洗，修理,清华大学热科学与动力工
4、程教育部重点实验室,缺点,影响因素众多 如肋间距、肋高、流动长度、窗角、风速结霜结露现象严重设计灵活性弱成本问题及没有比较通用的计算公式,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,微通道换热器用于电冰箱,我们提出如右图所示结构的微通道冰箱冷凝器结构。进气管同压缩机连接且管道规格相同。下降段的上下集管和进气管相同，下降管采用微通道管，管径约为0.51.5 mm。并提出在散热板与绝热发泡层之间如留用一定间隙，可利用间隙内的空气对流提高换热效果。,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,布置方式,为了增大换热面积、甚至达到仅在一侧安装冷凝器即可达到额定的负荷，可以在散热板和发泡层之间留出一点空间，
5、利用该空间内的自然对流增大散热量。TWTS：两板两侧换热TWOS：两板一侧换热（同现有冰箱）OWTW：一板两侧换热,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,本文内容,对上述微通道电冰箱冷凝器的上升段和下降段进行数值计算。探讨不同管径、不同管道个数对换热管所需长度、质量以及压降的影响。并根据现有计算结果，选择最优设计参数，并与原型机参数进行比较。,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,原型机简介,换热管外径4mm，壁厚0.51mm 换热管总长：13.61m板宽475 mm，长1546mm，质量1.517kg,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,原型冷凝器图示,清华大学热科学与动力工程
6、教育部重点实验室,计算模型换热系数,管侧换热系数：单相：迪图斯公式 两相：Shah公式（偏保守）管壁导热：一维导热模型外部：大空间自然对流（层流）关于间隙：存在间隙时，认为间隙内部也符合大空间的条件，因为根据大空间的判别准则，对于高度为1m的板，缝隙宽度只要大于1cm即可，显然这个条件容易满足。,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,散热模型,把散热板看作是关于管道与散热板接触线对称的直肋，从而根据肋片导热方程得：,一面热阻为：,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,由于两边对称，且为并联。故总热阻：这样外部总热阻为：每个计算单元换热量,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,阻力模
7、型,单相：布拉修斯公式：两相：包含三个部分：摩擦压降，重力压降、加速压降摩擦压降：L-M模型重力压降：均相模型加速压降：与进出口动量变化有关,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,关于重力压降和加速压降,重力压降是由于重力的左右使得不同高度的位置产生不同的附加压力。因此对于上升段，由于高度不断升高，重力产生的压力下降，产生重力压降。对于下降段，则相反，产生重力压升。因为随着两相流体在下降段凝结的不断进行，平均密度增大，重力作用增大，重力压升增加较快。甚至达到与摩擦压降平衡的地步。加速压降只有在流动加速的情况下才能产生，而在流动不断减速的情况导致压升，而不是压降。总压降取决与摩擦压降，重力压
8、降和加速压降之和。,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,计算过程,首先根据原型机和压缩机参数确定原型机的散热量以及制冷剂流量。假定散热板外壁面平均温度，依次计算自然对流换热系数、辐射换热系数、管内外及导热热阻，计算单元换热量，修正假定的外壁面平均温度，确定单元内压降，计算单元出口参数，并作为下一个单元的入口参数，不断进行计算。计算过程中所有物性参数均来自NIST的制冷剂物性计算软件RefProp Version 7.01进行实时更新。,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,计算工况,冷凝器工作工况为标准工况，具体参数如下：,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,压缩机出口参数,即
9、冷凝器入口参数来自原型机压缩机实际测试所得数据。入口参数如下：,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,计算结果-上升段,压降不断增大当高温高压气体进入冷凝器后，板的温度迅速升高到最大值，对应最大的管内换热系数，管内热阻最小。这样可以确定上升段的出口参数，即下降段的入口参数。,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,上升段出口参数,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,计算结果-下降段,下降段按照固定宽度，不同管道个数（对应不同的肋片高度和肋片效率）进行计算。同时假定：上集管内的压降忽略不计各下降段内的流量分布均匀上集管本身带来的换热忽略不计，仅计算下降微细通道的换热。以满足换热量为计
10、算结束判别条件,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,换热管长度,不同安装条件下需要的微细管高度,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,换热管总质量（含上升段）,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,下降段压降（TWTS）,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,满足条件的数据,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,最优参数选择,根据前述的几何条件、质量和压降条件得到满足条件的数据，从中挑出最优参数，从表中可以看出，最小压降对应着最大的质量，材料消耗偏大。如果根据最小压降的方式去选择的话，对应的质量分别比原型机少48.6%（TWTS）和26%（TWOS）。但上述所谓最优参数是根据计算的工况选择的，对于其他条件，如不同的管径可能有更优的参数（进一步减小压降）。,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,结论,微细通道换热器以其优秀的换热性能和成本优势，逐渐得到业界的重视，成为替代现有翅片管换热器，降低成本的一个重要方向。微细通道冰箱冷凝器用于家用空调，如果不留间隙，采用直接替代的方法，仍可明显降低材料消耗（26%）。起初设想的一板一面的方式不能适用与冰箱冷凝器，因为换热面积太小。,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,谢谢大家！,
