[发明专利]一种通用型组合管径空调换热设备流路的设计方法

权利要求书

1.一种通用型组合管径空调换热设备流路的设计方法，其特征在于，设计步骤如下：

1）确定待设计的换热设备的热负荷与泵功率；

2）确定结构参数

根据空调换热设备的类型和安装方式，及实际需要设计空调换热器的几何结构；

3）确定换热管和翅片的材质以及管内制冷剂工质参数

根据不同应用场合的空调换热设备，确定换热管及翅片的材质，及管内制冷剂工质；

4）确定运行参数

根据换热设备的实际使用工况及换热设备类型，确定换热器的运行参数；

5）按纯逆流原则和重力影响原则，预估空调换热设备的流路布置型式；

6）对换热设备进行网格划分

以换热设备的每根换热管为计算对象，沿管长将其离散为若干计算单元，其长度选取应至少大于一个翅片间距，划分后的每个计算网格可以视为一个独立的交叉流动换热设备；

7）翅片侧计算关联式

（1）计算换热j因子

当管排数为1排时：

j=0.108ReDc-0.29(PtP1)P1(FpDc)-1.084(FpDh)-0.786(FpPt)P2]]>

其中

P1=1.9-0.23loge(ReDc)]]>

P2=-0.236+0.126loge(ReDc)]]>

当管排数为2排或2排以上时：

j=0.086ReDcP3NP4(FpDc)P5(FpDh)P6(FpPt)-0.93]]>

其中

P3=-0.361-0.042Nloge(ReDc)+0.158loge[N(FpDc)0.41]]]>

P4=-1.224-0.076(P1Dh)1.42loge(ReDc)]]>

P5=-0.083+0.058Nloge(ReDc)]]>

P6=-5.735+1.2loge(ReDcN)]]>

（2）计算阻力f因子

f=0.0267ReDcF1(PtP1)F2(FpDc)F3]]>

其中

F1=-0.764+0.739PtP1+0.177FpDc-0.00758N]]>

F2=-15.689+64.021loge(ReDc)]]>

F3=1.696+15.695loge(ReDc)]]>

在步骤7）关联式计算中的参数说明如下；j为换热因子，f为阻力因子，Re为雷诺数，D_c为翅片侧实际管外径，P_t为横向管间距，P_l为纵向管间距，F_p为翅片间距，D_h为水力直径，N为管排数；

8）管内侧单相计算关联式

（1）换热性能

根据不同的雷诺数Re、普朗特数Pr和长径比选择不同的关联式；

Dittus-Boelter公式

Nuf=0.023Ref0.8Prfn]]>

其中，加热流体时n=0.4，冷却流体时n=0.3，使用范围：Re_f=10⁴～1.2×10⁵，Pr_f=0.7～120，l/d≥60；

Gnielinski公式

Nuf=(f/8)(Re-1000)Prf1+12.7f/8(Prf2/3-1)[1+(dl)2/3]ct]]>

对液体：ct=(PrfPrw)0.11(PrfPrw=0.05~20)]]>

对气体：ct=(TfTw)0.45(TfTw=0.5~1.5)]]>

公式的使用范围：Re_f=2300～10⁶，Pr_f=0.6～10⁵；

（2）计算阻力热性

根据不同的雷诺数Re、普朗特数Pr和长径比选择不同的关联式；

Blasius公式

f=0.3164Ref-0.25]]>

使用范围：Re_f=3×10³～10⁵，

Filonenko公式

f=(1.82lgRe_f-1.64)^-2

使用范围：Re_f=2300～10⁶，Pr_f=0.6～10⁵；

在步骤8）关联式计算中的参数说明如下；Nu为努赛尔数，Re为雷诺数，Pr为普朗特数，l为管长，d为管内径；

9）管内侧两相计算关联式，两相流换热系数计算关联式

h1=0.023Re10.8Pr10.4λ1/d]]>

htp=h1[(1-x)0.8+3.8x0.76(1-x)0.04Pr10.38]]]>

式中，h_l为液相换热系数，Re_l为液相雷诺数，Pr_l为液相普朗特数，λ_l为液相导热系数，d为管内径，h_tp为两相换热系数，x为干度；

两相流阻力计算关联式，分为沿程项阻力压降和加速度项阻力压降；

Δpf=ΔldfvG22ρvx2(1+1.457Xtt0.604)2]]>

Xtt=(1-xx)0.9(ρvρ1)0.5(μvμ1)0.1]]>

Δpa=G2{[x2αρv+(1-x)2(1-α)ρ1]out-[x2αρv+(1-x)2(1-α)ρ1]in}]]>

式中，Δp_f为沿程项阻力压降，Δl为单元长度，d为管内径，f_v为气相沿程阻力系数，G为单位面积的质量流量，x为干度，ρ_v和ρ_l分别为气相和液相密度，μ_v和μ_l分别为气相和液相粘度，Δp_a为加速度项阻力压降，α为空泡系数；

10）单元求解方法

（1）单元参数传递

在制冷剂侧，换热管从入口到出口连续的包含数个计算单元；对于每个计算单元，其制冷剂出口参数即为下一个单元的入口参数；最初的计算单元的入口参数等于整个换热器管内的入口参数，最后一个计算单元的出口参数等于整个换热器的管内出口参数；

在空气侧，进出口参数的传递需要考虑两种情况，换热管顺排布置和叉排布置；对于顺排布置，每一个单元的进口参数为上一个单元的空气出口参数，当换热管为叉排布置时，单元空气入口参数为上两个相邻单元空气出口参数的加权平均值；如下所示

m.air,e1=(m.air,e2+m.air,e3)/2pair,e1=(pair,e2+pair,e3)/2Tair,e1=(Tair,e2m.air,e2+Tair,e3m.air,e3)/m.air,e1]]>

式中，m为质量流量，p为压力，T为绝对温度；

（2）单元换热计算

根据单元模型的假设，每个单元的热阻为

R=1kAtube,o=1ηhoAair+1hiAtube,i]]>

其中空气侧对流传热系数h_o由翅片侧换热性能关联式进行计算，制冷剂侧对流传热系数h_i由管内侧换热性能关联式进行计算，单元的总对流传热系数k由两侧的对流传热系数计算；

采用传热效率-传热单元数(ε-NTU)方法直接计算单元的换热量

Qe=ϵ(m.cp)min(Th,in-Tc,in)]]>

其中

ϵ=1-exp{(-NTU)[1-(m.c)min(m.c)max]}1-(m.c)min(m.c)maxexp{(-NTU)[1-(m.c)min(m.c)max]}]]>

NTU=kA(m.c)min]]>

空气侧出口参数计算如下

Q=m.(Hair,in-Hair,out)=m.cp(Tair,in-Tair,out)]]>

制冷剂侧出口参数计算如下

Q=m.ref(Href,in-Href,out)]]>

（3）单元压降计算

Δpair=AAcfG22ρ]]>

式中，Δp_air为空气侧压降，A为翅片换热面积，A_c为空气最小通流面积，G为空气单位面积质量流量，ρ为空气密度；制冷剂侧压降分为3个部分，分别阻力项Δp_f，加速项Δp_a和重力项Δp_g；

Δp_ref=Δp_f+Δp_a+Δp_g

式中，Δp_g=ρgΔlsinθ，f为阻力系数，Δl为单元长度，d为管内径，G为制冷剂单位面积质量流量，ρ为单元内制冷剂平均密度，ρ_out和ρ_in分别为单元出口处和入口处的制冷剂密度，g为重力加速度，θ为换热器竖直放置是的倾角；

11）单元相变界面定位

按照管内制冷剂的状态将整个换热管分为3个部分，过热气体区，两相区和过冷液体区；以冷凝器为例，如果进口的制冷剂处于过热气体状态，假设该单元没有发生相变现象，计算出口的焓值和压力，将出口焓值与出口压力下的饱和蒸气焓值进行比较，如果出口的焓值大于出口压力下的饱和蒸气焓值，说明出口处的制冷剂依然处于过热气体状态，没有发生相变；如果相等，说明该单元的出口截面恰好是制冷剂从过热气体区变为两相区的区域界面；如果出口焓值小于出口压力下的饱和蒸气焓值，说明出口处的制冷剂已经处于两相区，在该单元内部开始发生相变；

对于相变界面在单元内部的情况，采用二分法对界面进行定位，将该单元分为两个等长的子单元，计算前一个子单元的出口参数，确定界面在哪个子单元中，再将包含界面的子单元继续划分成两个更小的子单元，重复这一过程，最终得到一定精度的界面位置；

12）重复步骤10）与步骤11），直至计算到换热管出口参数；计算出当前设计参数下的换热器所达到的热负荷，当该热负荷较之实际工艺所需热负荷有10-15%的余度及换热器两侧压降均满足泵功率许用压降要求时设计完毕，当前流路布置下的换热器既为满足工艺要求的换热器；若不满足则根据预估流路时计算获得的沿流动方向换热管的温度，压力，干度和换热量的变化，以等热流密度原则和均匀压降原则作为指导原则，调整预估的流路布置型式，并重复步骤5）到步骤12）直至符合要求。