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家用空调器柜机中平行流换热器应用实践研究

2024-10-17 68 上传者：管理员

摘要：探讨了如何将平行流换热器应用于家用空调机柜单位中，旨在提高热效率和优化制冷性能。研究重点评估了不同操作参数和设计配置对紧凑单位内换热效果的影响。通过实验验证和数值模拟，评估了不同条件下换热器的性能。结果显示，采用高导热材料显著提高了热效率。这些发现突显了平行流换热器在提升住宅制冷系统能效方面的潜力。

关键词：
传热效率高
全铝结构
家用空调器柜机
平行流换热器
应用实践
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平行流换热器是基于微通道技术开发的一种高效紧凑的换热器，与传统的铜管铝翅片换热器相比，它采用全铝结构，具有体积小、成本低、传热效率高等优点。崔四齐等人[1]对不同流程平行流换热器的换热性能进行了深入分析，指出在特定操作条件下，不同换热流程对换热效率的影响显著。李铭晗[2]基于粗糙元的微通道平行流换热器性能优化仿真研究，提出了通过优化微通道结构参数以提高换热性能的方法。汪先送等人[3]探讨了热泵平行流换热器的结构参数对换热性能的影响，指出在不同的流体流动状态下，换热器的结构参数需进行相应调整以达到最佳性能。这些工作主要集中在特定应用领域和操作条件下的性能优化，对于不同工况下平行流换热器的综合性能分析研究较少。因此，本文旨在通过系统的实验和仿真研究，探讨家用空调器柜机中平行流换热器应用，以期为该领域提供新的理论支持和实践指导。

1、实验设置

为验证数值模型，进行了实验研究。主要组件包括良好隔热的导管、电加热房间以保持恒定室内空气温度、空气吹风机、平行流换热器和数据采集系统。

实验中使用的热电偶为J型，外径为0.159 cm，测量不确定度为0.4%，约为1.1℃。温度数据每30 s记录一次，热电偶的响应时间为0.3 s。在测试开始时，用冷环境空气冷却所有平行流管至环境温度。然后，将来自恒温房间的热空气以相反的方向充入平行流换热器，这被称为充电过程，即给换热器充能[1]。一定时间后，改变流向，将冷环境空气吸入房间，称为放电过程。由于环境空气来自室外，冷侧进入的空气可能会在小范围内波动。

2、数值建模

2.1物理建模

根据文献[4]可知，与直线配置相比，交错配置的热传递增强率可高达40%。空心铝管的外径为1.905 cm，管壁厚度为1.7 mm，内部填充平行流材料。换热器导管的侧壁良好隔热，以最小化热损失。为了高效利用计算资源，换热器在二维域中建模，不考虑壁效应[2]。由于换热器内流动表现出周期性特征，只模拟了包含36行的中间部分的一半，并采用对称边界条件。

2.2控制方程

在本研究中，平行流管内的热传递机制来自热传导和液态平行流的自然对流。随着液体体积分数的增加以及液体温度差的增加，自然对流的热增强效应将更加显著[3]。当管内液体温度接近均匀时，自然对流的效应将逐渐减弱。因此，管内的热传递被认为主要由热传导和相变控制。控制方程简化为仅热传导的能量方程（1):

式中：ρ为密度，kg/m3;cp为比热，J/(kg·K);k为热导率，W/(m·K);T为温度，K。由于平行流材料的逐渐温度变化，选择了修正热容法，因其易于实现并在这种情况下能够提供合理准确的结果[5]。修正比热用于考虑相变过程中的感热和潜热，而在纯固体和纯液体相中，比热被假定为恒定。在熔化温度范围ΔTm内，修正比热将呈现为矩形阶跃形状，计算方式如公式（2):

式中：Cp,modified为显热下的比热容，J/(kg·K)；为显热，J/kg;L为潜热，J/kg；ΔTm为熔化温度范围，K;Tpcm为相变材料（PCM）的熔点温度，K。在本研究中选择均匀分散的铝粉作为热导率增强材料。可以通过公式（3)(4)(5）计算复合物的有效热导率、有效密度和有效比热容：

式中：val和v分别表示铝粉和平行流的体积分数；mal和m为铝粉和平行流的质量分数。除了热导率外，其他性质在铝的存在下变化很小。假设铝粉均匀分布在平行流中，使用方程3计算有效导热率，其中铝的分散量为0.1%、0.5%、1%和1.5%时，热导率分别增加到0.4 W/m·K、1.2 W/m·K、2.0 W/m·K、3.0 W/m·K和3.3 W/m·K。

空气流动域的流动和传热特性通过求解Navier-Stokes和能量方程获得。选择了k-ω湍流模型来解决流动域，因为它以良好的收敛性、低内存需求和解决高压梯度和分离流动的稳健性而闻名。流动域中的网格被细化以确保第一个网格节点距离壁面的非维坐标小于10。

2.3边界和初始条件

使用有限元软件COMSOL进行数值计算。平行流的初始温度以及流体速度分别设定为Tenv和0，以复制实验中的条件。入口速度恒定，而在换热器的两端交替和周期性使用两种不同的入口温度进行放电和充电过程。

3、结果与讨论

3.1数值模型的验证

进行网格敏感性分析以确定最佳网格密度。研究采用三角形网格，通过控制最大单元尺寸在0.3～2.0 mm范围内变化。分析表明，当最大单元尺寸小于0.4 mm时，平行流管内下游温度和液态分数的结果不明显依赖于网格大小。因此，模拟中采用了最大单元尺寸为0.4 mm的网格。图1展示了在加热持续时间为3 600 s时，时间为900 s、1 800 s和2 700 s时的第17、18和19行的速度剖面和温度轮廓。尽管热交换器的中段包含36行，但仅展示了三个管内的轮廓，这是因为结果的简化和周期性。这些轮廓看起来合理。

图1第17、18和19行的速度剖面和温度轮廓

通过对比两组不同操作参数的典型测试集，可以看出（如图2所示）在测试A中，所有平行流管的熔化温度均为10℃，而测试B则具有三种不同的熔化温度。由于热空气和冷空气周期性地从风道的两个相对端口供应，上游和下游温度的测量结果是从每个空气道口的两个热电偶组合而成的。图2a)和图2b)展示了测试A和测试B的一个完整周期内的进口空气温度。由于热空气来自温控室，温度波动不明显。根据实验结果，温控室的平均温度为21.4℃，标准偏差为0.57℃，这适用于测试A和B。

在放电过程中可以观察到环境温度的变化。测试A的环境温度平均为3.25℃，标准偏差为0.34℃，而测试B的平均温度为3.03℃，标准偏差为1.69℃。尽管测试A和B的冷空气供给产生了类似的平均值，但测试B显示出更高的温度波动。

图2上游温度曲线

在冷却过程中，平行流在熔化温度以下约2℃处表现出温度跳跃。这种现象可能是由平行流的亚冷却效应引起的。在核聚变之后，材料突然释放存储的能量，导致温度跳跃。

由于热性能主要表现在下游温度上，因此当前模型（如公式6所示）被认为是相当准确的。因此，数值模型将主要用于后续分析，研究热交换器配置、操作条件和整体热传递对热传递性能的影响。

式中：Average error为平均误差；N为测量点的数量；Texp为实验测得的温度值，K;Tsim为数值模拟得到的温度值，K。

3.2管行数和操作时间的影响

平行流热交换器的主要功能是交替释放和吸收热量，以使进入的冷空气尽可能接近室内温度。因此，定义了热效率来定义平行流热交换器的热性能见公式（7):

式中：Thermal effi ciency为热效率；Tin为进入热交换器的冷空气温度，K；为从热交换器流出的空气的平均温度，K;Troom为室内温度，K;Tenv为环境温度，K。

虽然在模型验证中，循环持续时间在0.5～1 h之间变化，但发现10 min及以下的较短持续时间将导致更高的热效率。原因在于，如果加热/冷却持续时间非常长，平行流将完全融化/凝固，使能量存储在感热中。因此，分析中的操作持续时间主要将小于10 min。由于热被吸收在管道中，空气离开热交换器可以产生接近50%的热效率，相当于热传递速率约30 k W/m2，其中面积基于风道的横截面积。

3.3通过分散高导热材料增强传热

平行流热交换器中热传递的主要热阻来自空气对流和平行流导热。平行流和铝粉的复合材料将提高平行流的整体导热性。然而，当导热阻显著降低时，对流阻力变得主导。因此，确定最佳铝含量是至关重要的。当铝含量高于0.5%时，热改善达到饱和。因此，含有0.5%铝的复合材料将是足够的。即平行流的导热性为0.2 W/m·K，而铝为200 W/m·K。0.5%的铝已将复合导热性提高到1.2 W/m·K，这已经是6倍的改进。

4、结束语

本研究中进行的实验和数值分析表明，采用高导热材料（如铝复合材料）可以显著提高换热速率并降低能耗。表明平行流换热器可以有效优化封闭空调单位内的热管理，有助于实现更大的节能和环境可持续性。未来的研究方向以探索材料科学和设计配置的进一步创新，推动平行流换热器在住宅制冷系统中的效率和适用性。

参考文献:

[1]崔四齐,耿树伟,白静,等.不同流程平行流换热器换热性能分析[J].节能,2024,43(02):62-64.

[2]李铭晗.基于粗糙元的微通道平行流换热器性能优化仿真研究[D].大连:大连海事大学,2023.

[3]汪先送,赵夫峰,罗羽钊.热泵平行流换热器结构参数对换热性能的影响[J].制冷与空调,2023,23(05):72-79.

[4]孟浩,李蕾蕾.前疏后密百叶窗翅片的传热与阻力特性研究-以汽车空调系统中平行流换热器为例[J].济源职业技术学院学报,2022,21(04):71-76.

[5]耿树伟.氢燃料电池用平行流换热器换热性能实验研究[D].郑州:中原工学院,2023.

文章来源:李燕.家用空调器柜机中平行流换热器应用实践研究[J].轻工标准与质量,2024,(05):108-110.