第１６卷第１１期 ２ ０ １ ６年１ １月 剖痔 室溯 ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＡＩＲ—ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＩＮＧ 翅片管式换热器分液毛细管组 设计参数敏感性分析 李彦睛 吴志刚 王利 （江森自控楼宇设备科技（无锡）有限公司） 摘 要 利用所开发的基于Ｍｏｄｅｌｉｃａ语言的适用于风速分布不均匀工况下的多流路翅片管式换热器的制 冷剂分液毛细管组自动设计工具，对风速分布系数、风量及制冷剂进出ＶＩ参数等分液毛细管组设计相关参 数进行敏感性分析。结果显示，风速分布系数对分液毛细管组的设计影响最大，其余参数的敏感性均较低。 关键词 翅片管式换热器；分液毛细管；敏感性分析 Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｆｏｒ ｆｉｎｎｅｄ—ｔｕｂｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ Ｌｉ Ｙａｎｑｉｎｇ Ｗｕ Ｚｈｉｇａｎｇ Ｗａｎｇ Ｌｉ （Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｗｕｘｉ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．） ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃａｐｉｌｌａｒｙ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｔｏｏｌ ｆｏｒ ｆｉｎｎｅｄ—ｔｕｂｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｗｉｔｈ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｐａｔｈｓ ａｎｄ ｎｏｎ—ｕｎｉｆｏｒｍ ａｉｒｆｌｏｗ，ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｏｄｅｌｉ— ｃａ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎｃｌｕｄｅ ａｉｒｆｌｏｗ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ，ａｉｒｆｌｏｗ ｖｏｌｕｍｅ，ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ ｉｎｌｅｔ／ｏｕｔｌｅｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｅｔｃ．．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｉｒｆｌｏｗ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ ｉＳ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃａｐｉｌｌａｒｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｈａｖｅ ｌｉｔｔｌｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ ｆｉｎｎｅｄ—ｔｕｂｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ；ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃａｐｉｌｌａｒｙ；ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａ— ｎａｌｙｓｉｓ 翅片管式换热器具有耐压强度高、传热好、结 组自动设计工具 ］。研究发现，在满足制冷制热 构紧凑等优点，被广泛应用于风冷冷水机组及变 制冷剂流量空调系统产品中。但在实际应用中， 工况要求的前提下，可优先考虑基于制热工况设 计的分液毛细管组用于改善翅片管式换热器换 热性能。为了进一步掌握各设计参数的变化对 例如ＶＲＦ商用顶出风机组，由于受到结构等方面 的影响，风速分布并不均匀，使得各支路制冷剂出 口状态不同而导致换热能力下降，风速分布不均 甚至会带来４３ 的换热量衰减 ］。在换热器结构 和流路已确定的情况下，一般通过试验调整各支 路分液毛细管的长度和管径对制冷剂分液进行改 善。但这种方式耗时长、见效慢，分液毛细管组件 改工和重复测试会占用大量资源。为了提高分液 毛细管组的设计效率，笔者在基于Ｍｏｄｅｌｉｃａ语言 的制冷系统仿真平台 基础上开发了适用于不均 匀风速分布的多流路翅片管式换热器分液毛细管 收稿日期：２０１５ １２－（）１ 分液毛细管组设计的影响，笔者对基于制热工况 下分液毛细管组的设计参数的敏感性进行分析， 以明确在分液毛细管组的设计中应重点关注的 设计参数。 １ 多流路换热器分液毛细管组设计与校验模型 热泵机组通常需要在制冷与制热２种工况 下运行，因此在设计分液毛细管组时需要考虑机 组在这２种工况下是否均能满足要求。由此分 液毛细管组的设计可以分别基于制冷和制热２ 种工况。 作者简介：李彦晴，硕士，工程师，主要从事制冷仿真研究。 第１ １期 李彦晴等：翅片管式换热器分液毛细管组设计参数敏感性分析 １．１ 制冷工况下分液毛细管组的设计与校验模型 为保证模型计算的可靠性和计算速度，将多 流路换热器分液毛细管组的设计与校验拆分为制 冷剂流量计算、毛细管设计、毛细管分液性能校验 这３步进行。图１所示为制冷工况下分液毛细管 ３）应用分液毛细管组校验模型（见图１（ｃ））， 输入制冷剂进口压力、温度、毛细管尺寸及制冷剂 总质量流量，校验在不均匀风速分布下的换热器 性能是否满足设计要求。 １．２ 制热工况下分液毛细管组的设计与校验模型 组的设计和验证模型示意图。图中：ｔ为温度；Ｐ为 压力；ｍ为质量流量；下标ｒ为制冷剂；ｉｎ和ｏｕｔ分 制热工况下分液毛细管组的设计步骤与上述 制冷工况类似，不同的是，制冷工况下分液毛细管 组的设计边界条件为制冷剂进口压力、进口温度 别为按照制冷剂流动方向换热器的进口和出口；ｉ 为换热器第ｉ支路； 为换热器支路总数。 换热器 ●…… Ｌ…一一．．． （ａ）各支路制冷剂流量计算模型 （ｂ）第ｉ支路毛细管尺寸设计模型 换热器 毛细管 ＿一一一一一一 ｆ一一一。 ……Ｊ Ｌ一一．． （ｃ）分液毛细管组校验模型 图１ 制冷工况下分液毛细管组设计与校验模型示意图 计算流程如下： １）根据制冷剂进口压力、进口温度以及各支 路的换热器结构尺寸，设置各支路制冷剂出口温 度，计算不均匀风速分布下的各支路制冷剂流量， 见图１（ａ）。 ２）将计算得到的各支路制冷剂流量代入分液 毛细管组设计模型，输人换热器进口制冷剂温度、 压力以及毛细管出口压力，并将制冷剂流量作为 控制参数，由压降换热迭代得到相应的毛细管组 尺寸，见图１（ｂ）。 和出口温度，而制热工况下为制冷剂进口焓值、出 口压力和出口温度。 ２换热器出口制冷剂状态均匀性评估参数 换热器出口状态参数是否均匀是评估分液毛 细管组设计好坏的一个准则，将所有支路制冷剂 出口参数放在一起进行对比能够评估制冷剂出口 状态的均匀性，但比较繁琐，用一个参数综合评估 换热器出口制冷剂状态的均匀性是一种比较简单 有效的方法 ］。 当各支路出口制冷剂均为单相时，采用制冷 剂出口温度的均方差作为评判换热器出口均匀性 的参数，如式（１）所示： 庠 式中： … 为制冷剂出口温度均方差（℃）；ｔ。 为 第ｉ支路制冷剂出口温度（℃）；ｔ 为制冷剂出 口平均温度（℃）。 当换热器某些支路出口制冷剂是两相甚至全 部支路出口制冷剂为两相状态时，温度变化很小， 制冷剂出口温度的均方差很小，不能正确反映制 冷剂出口状态的均匀性。此时，可采用制冷剂出 口比焓的均方差为评估参数，如式（２）所示： ａｈ ，。 ｔ＝ （２） 式中： … 为制冷剂出口比焓均方差（ｋＪ／ｋｇ）； ｈ ， 为第ｉ支路制冷剂出口比焓（ｋＪ／ｋｇ）；ｈ ， 为 制冷剂出口平均比焓（ｋＪ／ｋｇ）。 图２所示为制热工况下某换热器制冷剂出口 温度均方差以及出口比焓均方差与换热量衰减率 的相互关系（Ｑ 为出口均匀时的换热量）。当换 热量由最大值减小为最大换热量的９９ 时，温度 均方差与比焓均方差变化区间近似，由０增大为 ２；而当换热量由最大换热量的９９ 减小为９５ 时，温度均方差仅由２增大为３，变化很小，而比焓 剖痔 室澜 第１６卷 均方差已由４增大为１８，此时换热器部分支路出 口过热，部分支路出ＶＩ制冷剂为两相，各支路制冷 剂分配不均匀程度已经较大。可见，当有部分支 化对分液毛细管组设计的影响。其中，换热器各 支路的流路及分液毛细管的内径均相同。表１所 示为制热工况下分液毛细管组各设计参数的基准 路出Ｅｌ制冷剂为两相时，温度均方差已不能正确 反映换热器出口的均匀性，此时应采用比焓均方 差进行评估。以上分析还表明，比焓均方差越大， 分液越不均。 椒 霹 Ｑ／（ ａｘ 图２制冷剂出口温度均方差和出口 比焓均方差与换热衰减率关系 ３分液毛细管组设计参数敏感性分析 制热工况下分液毛细管组的设计参数包括风 速分布系数（ＡＤＦ）、风量、制冷剂出Ｅｌ过热度、制 冷剂进口压力、制冷剂出口压力、分液毛细管压降 计算修正因子、换热盘管压降计算修正因子以及 制冷剂进口比焓。 ＡＤＦ（ａｉｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ）为风速分布系 数，用于量化管外风速分布的不均匀程度，假定呈 梯形分布，如图３所示，其定义如式（３）所示。 ＡＤＦ越接近１，表示风速分布越均匀。 图３风速分布示意图 ＡＤＦ＝—￣Ｊｂｏｔｔｏｍ —（３） ￣￣ｔｏｐ 式中： 。ｎ。 为换热器底部风速（ｍ／ｓ）； 为换热器 顶部风速（ｍ／ｓ）。 笔者以一个１１流路翅片管式换热器为例，工 质为Ｒ４１０Ａ，分析在制热工况下各设计参数的变 值以及变化范围。 表１ 制热工况下分液毛细管组设计 敏感性分析相关参数设定 注： 为换热器总风量（ｍ ／ｓ）； 为基准值；ｔ 为制冷剂出口过 热度；声 为制冷剂入口压力；Ｐｈ。 为制冷剂出ＶＩ压力；ｃＰＤ—ｃａｐ为 分液毛细管组压降修正因子；ｃＰＤ—ｃｏｉｌ为换热盘管压降修正因子。 在以下敏感性分析中采用单因素敏感性分析 方法，当考察某一参数的敏感性时，其余参数设置 为基准值。 图４所示为不同风速分布下设计得到的分液 毛细管长度，以及换热器采用不同风速分布下设 计的分液毛细管组时制冷剂出口比焓均方差和换 热量。ＨＸ０是装配以各参数为基准值时设计所得 分液毛细管组的换热器，ＨＸａ，ＨＸｂ，ＨＸｃ和ＨＸｄ 分别表示换热器所配分液毛细管组的设计参数 ＡＤＦ分别为０．２，０．３３，０．５和１．０，其余设计参数 为基准值。 如图４（ａ）所示，当换热器采用根据相应ＡＤＦ 设计的分液毛细管组时， 为零，表明分液均 匀，如ＨＸａ在ＡＤＦ为０．２０时为零，ＨＸｂ在ＡＤＦ 为０．３３时为零；而当换热器ＨＸ０运行在不同ＡＤＦ 工况下时，除ＡＤＦ为０．２５时为零外，其余风速分 布下均增大，说明制冷剂分液不均，且不均匀程度 随ＡＤＦ偏离设计值越远而越大。由图４（ｂ）可以 看出，当换热器采用根据相应ＡＤＦ设计的分液毛 细管组时，换热量随ＡＤＦ增大而增大。这是因 为，ＡＤＦ越大，风速分布越均匀，换热能力越强。 当换热器ＨＸ０运行在不同ＡＤＦ工况下时，其换 热能力相比于采用基于各ＡＤＦ设计的分液毛细 管组的换热器Ｈｘａ～ＨＸｄ的换热能力都有衰减， 衰减量随ＡＤＦ偏离基准值（０．２５）越远而越大。 这是因为，风速分布系数变化会导致相应各毛细 管设计尺寸变化，分液特性改变见图４（ｃ），其中 ＲＤＣＴ为制冷剂分液毛细管。 第１１期 李彦晴等：翅片管式换热器分液毛细管组设计参数敏感性分析 ＼ ＼／ ＼ 霹 缨 ＡＤＦ （ａ）制冷剂出口比焓均方差 ３５ ３３ 主３１ ＼ 姗Ｉ 霰２９ ２７ ２５ ０．２Ｏ ０．２５ ０．３３ Ｏ．５０ １．Ｏ０ ＡＤＦ （ｂ）换热量 １．４ １ ２ 吕 ＼ 靴 器 埏 布系数ＡＤＦ影响最大，当ＡＤＦ在０．２～１．０范围 变化时，换热量衰减率约为０～９ ；分液毛细管压 降修正因子在０．５～１．５变化时，换热量衰减率约 为０～１．５ ；风量变化为０．６～１．４倍基准风量 时，换热量衰减率约为０～１ 。其余设计参数变 化时，换热量衰减较小。 １５ ＼ Ｖ ＼ ：Ｉ】｛１ｊ １０ 露 ５ 各设计参数变化范围 （ａ）不同工况下制冷剂出口比焓均方差 ２ × ＾ ＼ Ｊ （ｂ）不Ｉ司工况下换热量衰减率 图５ ｔｔＸＯ在不同工况下的换热特性 由以上分析可知，当带有分液毛细管组的换 热器的运行工况偏离设计工况时，分液毛细管组 的分液特性会有所变化，制冷剂出口参数的均匀 性变差，换热器的换热能力比该工况下带有最优 分液毛细管组的换热器的换热能力有所衰减，其 中影响较大的设计工况为风速分布、分液毛细管 压降修正因子及风量。 ４ 结论 笔者利用所创建的适用于风速分布不均匀工 况下的多流路翅片管式换热器分液毛细管组自动 设计工具，针对制热工况下各设计参数对分液毛 细管组设计的敏感性进行了分析，结果表明，风速 分布系数对分液毛细管组的设计影响最为显著， 风速分布系数ＡＤＦ在０．２～１．０间变化时，采用 基准ＡＤＦ设计的分液毛细管组的换热器的换热 量比采用相应ＡＤＦ分别设计的分液毛细管组的 换热器换热量衰减约０～９ ，其次为分液毛细管 压降修正因子和总风量，其余参数影响较小。 （下转第２７页） 第１１期 戎哗等：ＩＤＣ机房用空调系统正落差长联管回油问题的解决方法 Ｉ剑 图１ 改进方案系统原理图 增加储液罐并且在储液罐后增加高压开关， 避免由于正落差对系统造成的不利影响，保护系 统部件。 在实际应用中联管长度可达９０ ｍ，室内外机 正落差可达５０ ｍ，从而拓宽了安装场所，受安装条 件小。室外机现场安装方式有２种：水平放置 和立式放置（见图２）。 （ａ）室外机水平放置 （ｂ）室外机立式放置 图２室外机现场安装图 ２试验验证 由表１可以看出：在室内外机正落差为２０ ｒｎ 和５０ ｍ时，改进后的制冷量明显提高，输入功率 有所下降；在５０ ＩＴＩ高度时改进前压缩机出现异常 声响；改进后制冷量变化幅度很小，压缩机没有出 现异常。 表１ 改进前后试验数据对比 注：室内外机高度差为５０ ｒｌｌ时，改进前压缩机出现异常声响，改进 后压缩机正常。 ３ 结束语 笔者提出的方案可解决正落差长联管安装方 式造成的回油困难、压缩机磨损或压缩机液击及 系统压力过高等问题。 参考文献 ［１］单元式空气调节机：ＧＢ／Ｔ １７７５８—２０１ｏＥｓ］． Ｅ２３计算机和数据处理机房用单元式空气调节机：ＧＢ／Ｔ １９４１３－－２０１０［Ｓ］． 业 业业 出生坐业业业 业 业 （上接第２１页） 参考文献 ［１］ＬＥＥ Ｊ，Ｄ０ＭＡＮｓＫＩ Ｐ Ａ．Ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ａｉｒ ａｎｄ ｒｅｆｒｉｇｅｒ— ａｎｔ ｍａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｆｉｎｎｅｄ—ｔｕｂｅ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒｓ ｗｉｔｈ Ｒ２２ ａｎｄ Ｒ４０７Ｃ［Ｒ］．Ｇａｉｔｈｅｒｓｂｕｒｇ， Ｍａｒｙｌａｎｄ：ＵＳ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｍｍｅｒｃｅ，１９９７． ［２］吴志刚，魏东红，王利．基于Ｄｙｍｏｌａ和ＴＩＬ的制冷空 调系统仿真［Ｒ］．无锡：江森自控楼宇科技（无锡）有 限公司，２０１２． Ｅ３３李彦晴，吴志刚，王利．基于Ｍｏｄｅｌｉｃａ的多流路换热器 制冷剂分液毛细管的仿真设计与优化Ｅｃ］∥２０１３中 国制冷学会学术年会．２０１３． ｒ４］ＬＥＥ Ｈ，ＫＩＭ Ｈ，Ｙ０ＮＧＣＨＥＯＬ Ｓ Ａ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ ｆｌｏｗｒａｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｏｕｔｄｏｏｒ ｈｅａｔ ｅｘ— ｃｈａｎｇｅｒ［Ｃ］／／Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｉｒ ｃｏｎｄｉ— ｔｉｏｎｉｎｇ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｔ Ｐｕｒｄｕｅ．２０１０：１ １ １９－１ １２５．
