摘要：采用分布参数法模型对常见的双流程管翅式换热器，在不同的空气及制冷剂进口状态下的工作性能进行了数值研究，对管路布置提出了改变不同流程管径比的优化设计方案，并从数值模拟的角度给出了验证。数值计算结果表明改变两流程之间的管径比可以优化换热器的换热性能，而且两流程的管径之间存在一个最佳比值 0.8，在该最佳管径比下，换热器的换热性能在不同工况下均比相同管径提高 6％～11％，同时可以使空气侧的阻力损失减少 2％。
管翅式换热器在制冷、空调、化工以及工业废气冷热处理、压缩机中间冷却等工程领域中有着广泛的应用。换热器研制过程要考虑两方面的问题[1]：一是热交换器中传热过程的强化，二是整体性能要求的提高。对于多流路的翅片管换热器，制冷剂经过分配流入换热器的不同流路，在各流路中换热的均匀性对提高换热器的整体性能有很大的影响。因此，对多流路换热器中制冷剂的流路布置进行优化，使各流路换热均匀是提高换热器整体性能的一个重要措施。目前对流路的设计，还主要停留在实验尝试阶段，每一种新的流路设计方案的开发，都需要经过样机的实验测试，延长了研发周期，增加了研发成本[2]。
本文针对一种常用的双流路管翅式换热器，采用分布参数法模型，通过数值模拟的方法，在空气及制冷剂不同进口条件下，分析了其换热性能；并对管路布置进行了优化分析，说明了在双流程管翅式换热器中，存在一个最佳流程管径比。
1 物理模型
图 1（a）为所研究的管翅式换热器的外观结构示意图，图 1（b）为空气及制冷剂的流程示意图，从图(b)中可以清楚地看到，经膨胀阀出口的制冷剂分成 a、b 两个流路进入蒸发器，在管内蜿蜒流动换热。空气吹过管外翅片构成的狭缝通道，流动方向与制冷剂的流动方向垂直。换热器的结构尺寸参见表1。
该管翅式换热器沿着空气流动方向是双流路布置（a 和 b 两个流路），在该布置条件下，由于 a 流路空气的进口温度较高，空气和制冷剂间的温差较大，使流路 a 的换热效果明显比流路 b 好。因此，如果两流路的管径一致，制冷剂流量在 a、b 两个流路平均分配，那么很有可能是 b 流路出口尚处于两相区，而 a 流路出口已经达到了过热，从而使得两个流路的换热不均匀，恶化了换热器的整体换热性能。而且，在相同的制冷剂质量流量下，制冷剂在过热区流动的压降比两相区要大，因此，如果在 a流路出现过热的情况下，a 流路制冷剂的压降肯定比 b 流路大。为了满足换热器在稳定工况下，不同流路制冷剂进出口压力一致的要求，a 流路中的制冷剂分配量必须小于 b 流路，而这样的流量分配又会更进一步恶化换热器的换热性能。
本文的优化设计思想是：通过减小流路 b 的管径，使得制冷剂在流路 a 中的分配量大于在流路 b中的分配，从而使换热器两个流路的换热均匀，换热性能得到优化；同时由于流路 b 的管径较小，可以保证其在较小的流量下仍然具有同流路 a 相同的压降，满足不同流路制冷剂进出口压力一致的要求。但是，随着流路 b 的管径进一步减小，主要的制冷剂流量都分配到了流路 a，这样会出现流路 a 的出口仍在两相区，而流路 b 的出口已经过热，再次出现换热不均匀现象，使换热性能恶化，因此，两流路管径之间存在一个最佳比值，在该比值下换热器可以达到最佳的换热性能。本文对该优化方案进行数值验证。
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