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这几年，小管径在空调器中应用较多，它不仅降低了成本，而且降低了易燃工质如R290的爆炸风险，但与此同时，小管径的应用也减少了换热面积，使得空气压降增加。
因此，为了保证采用小管径换热器的空调器具有良好的性能，我们今天来分享下关于小管径翅片管换热器的优化设计方法。
步骤4：换热器性能测试
图7（a）和（b）分别为优5 mm 管翅片换热器的换热量和空气压降测试结果。本文仅展示优5 mm 管翅片换热器的测试结果。为了开发关联式，研究中还加工并测试了其他结构的5 mm 管翅片换热器。
基于大量的5 mm 管翅片蒸发器的实验结果，采用多重线性回归方法，开发了小管径换热器性能的预测关联式；并在制冷剂流路设计中，采用了所开发的5 mm 管翅片蒸发器性能的预测关联式。
2、制冷剂流路设计结果
根据翅片结构的设计结果，原始空调器和优化空调器的结构参数见表3。通过基于仿真设计的方法，得出小管径室内机换热器及室外机换热器的换热量。从图8（a）可知：采用5 mm 管换热器的室内机换热器与室外机换热器的换热量与图8（b）所示的原始空调器的换热量几乎相等。由图8（b）可知：采用小管径换热器的室内机的制冷剂充注量比原始室内机减少30%， 总充注量可以减少27%。
翅片管，是为了提高换热效率，通常在换热管的表面通过加翅片，增大换热管的外表面积（或内表面积），从而达到提高换热效率的目的，这样一种换热管。
基本内容
翅片管，是为了提高换热效率，通常在换热管的表面通过加翅片，增大换热管的外表面积（或内表面积），从而达到提高换热效率的目的，这样一种换热管。
分类1，按翅片结构特点划分
根据翅形的形状和构造，翅片管可分为以下种类：方翅管（Square finned tube）、螺旋翅片管(spiral finned tube) 、纵向翅片管（Longitudinal Finned Tube）等、螺旋锯齿状翅片管（Helical Serrated Finned Tubes）、内翅片管（inner finned tube） ,
2，根据翅片管的翅片材质是否与管体材质相同可分为单金属翅片管和双金属复合翅片管。
3， 按翅片管的不同加工工艺，翅片管可分为： 轧制成型翅片管（extruded fin tube）、焊接成型翅片管、 滚压成型翅片管、 套装成型翅片管。
主要性能要求翅片管作为换热元件，长期工作于高温烟气的工况下，比如锅炉换热器用翅片管使用环境恶劣,高温高压且处于腐蚀性气氛,这要求翅片管应具有很高的性能指标。
1) 防腐性能（Anti-corrosion）
2) 耐磨性能（Anti-wear）
3) 低的接触热阻(lower contact resistance)
4) 高的稳定性（Higher Stability）
5) 防积灰能力
优化设计方法包括两部分：翅片结构设计和制冷剂流路设计。由于翅片尺寸决定了管间距，进而影响制冷剂流路分配，因此应首先设计翅片结构，其次设计制冷剂流路。图1 为优化设计流程图。1、翅片结构设计 在翅片结构设计中，将采用CFD 方法对翅片结构进行优化设计。优化设计主要分为如下5 个步骤：
步骤1：确定优翅片高宽比Pt/Pl
在本文中，翅片优高宽比是指在相同翅片面积下，翅片效率高的翅片高宽比。翅片效率可定义为：翅片管换热器实际的换热量(Qactual,fin)与大可能达到的换热量(Qideal,fin)之比，如式（1）所示。
Qactual,fin和Qideal,fin 由CFD 计算得到。CFD 几何模型采用两排管翅片换热器；边界条件为空调蒸发器工况。在实际翅片模型中，翅片与管壁耦合；在理想翅片模型中，设置翅片温度与管壁温度相同。空气上表面和下表面定义为周期性表面。根据CFD 计算结果，可以得到具有高翅片效率的翅片优高宽比Pt/Pl。
步骤2：优化Pt 和Pl
在制冷工况下，蒸发器表面会形成一层冷凝液膜。当析湿较为严重时，窗片和桥片都会被这层液膜堵塞，导致其几何结构类似于平片。因此，在设计中采用了平片的关联式来确定翅片尺寸。
设计中，设定的优化目标函数以及约束条件函数见式（2）~（4）。优化目标函数用来分析性价比，见式（2）。式（3）~（4）为约束条件，即：小管径换热器的换热性能（UA）应等于或大于规定值；空气侧压降应等于或者小于规定值。
步骤3：优化翅片开缝结构
在翅片开缝结构的设计中，由于没有适用于小管径翅片换热器的性能预测关联式，因此本研究采用CFD 方法来模拟换热器的换热量和空气压降，从而确定优开缝结构。
在窗片的几何结构参数中，开缝角度和开缝数是自变量，缝高与缝宽可根据两个自变量确定。因此，只需对窗片开缝角度θ 和开缝条数n 这两个自变量进行优化设计。在桥片的几何结构参数中，缝高为翅片间距的一半，缝宽由开缝数确定。因此，对桥片开缝翅片结构的设计，只需对开缝条数进行优化设计。基于CFD 计算结果，可确定具有较高换热量和较低空气压降的翅片开缝结构。
步骤4：换热器性能测试
小管径换热器性能的测试系统如图2 所示。实验中的测试工况根据房间空调器标准确定。根据实验结果，采用多重线性回归方法开发了小管径换热器性能的预测关联式，并将其应用于制冷剂流路设计的仿真程序中。
2、制冷剂流路设计
在制冷剂流路设计中，采用基于仿真的方法进行设计。图3 为基于仿真的制冷剂流路设计方法流程图。设计中首先根据换热器尺寸确定换热器的预选结构，并根据换热器性能及成本调整管路结构，然后计算调整后换热器的性能，以确定下一步结构的调整方向，终确定换热器管路结构。设计中采用基于知识的多目标优化方法，控制优化过程，得到优化结果。
本文采用基于图论的三维分布式模型，预测具有不同流路换热器的性能。Liu 建立的模型与实验值的大偏差为±10%。在Liu 的模型中，沿长，宽，高三个方向将换热器分割成若干个控制体。控制体包含了制冷剂，空气和翅片换热器三个部分。制冷剂与空气的控制能量方程与动量方程如式（7）~（11）所示。
式中，Ai 是制冷剂侧换热面积；Ao 是空气侧换热面积；Ga,max 是小流通面积处的空气流率； fa 是空气摩擦系数；σ 是流通积的收缩比；Qfront, Qback, Qtop和Qbottom 分别是从前排，后排，上列和下列翅片的传热量。
本文对换热系数和压降预测关联式的选取如表1所示。
优化采用基于知识的优化方法（KBEM）用于优化换热器。它包括两个部分：改进遗传算法（IGA）和基于知识的优化模块（KOM）。KBEM 中的IGA 是传统遗传算法的改进版，IGA 可以得到初解并控制整个优化过程。采用基于知识的搜寻方法可以减少研究范围，进而并可以提高优化效率。
三：设计案例
本章节将会采用前一章提出的设计方法来设计采用5 mm 管翅片管换热器的空调器。空调器的实验结果将与设计结果进行对比验证。
在此案例中，室内机换热器采用了5 mm 管翅片换热器。室外机换热器采用具有更大翅片间距的7 mm 管翅片换热器，以防止热泵工况时结霜导致的换热性能恶化。
1、翅片结构设计结果
步骤1：确定优翅片高宽比Pt/Pl
设计Pt/Pl 时，CFD 计算的边界条件设置如下：进口空气温度为300K，管壁温度为280K。其他边界条件同前一章。由图4 所示的CFD 结果，可知优Pt/Pl 比值为1.23，此时翅片效率高。
步骤2：优化Pt和Pl
在翅片尺寸设计中，5 mm管翅片的UA应大于7 mm管翅片，5 mm管翅片换热器的ΔP应小于7 mm管翅片换热器。根据上述设计原则，翅片的性价比、传热效率和空气压降随Pt的变化趋势见图5（a）~（c）。由结果可得：当Pt为18 mm时，w值较大，且满足UA和ΔP的约束条件。根据优Pt/Pl值，可得到优翅片尺寸为18×14.7 mm。
步骤3：优化翅片开缝结构
根据所确定的优翅片尺寸，利用CFD方法计算开3条缝的窗片和开4条缝的窗片的性能。图6为具有不同开缝数的翅片表面空气温度分布图。换热量及空气压降的计算结果见表2。由计算结果可知：由于开缝数的增加导致缝高的降低，4条缝窗片具有更高的换热量，和更低的空气压降。
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