冷藏仓库中带冷藏功能的翅管三流体换热器的传热特性

《Energy》：Heat transfer characteristics of the fin-tube three-fluid heat exchanger in cold warehouse with cold storage

光伏冷库中三流体换热器设计及性能优化研究。通过整合蒸发器与冷释放热交换器，开发新型三流体换热器，考虑变物性特性以减少金属用量和成本。创新性提出广义形状因子模型（SFM）并验证其准确性，揭示空气流速、翅片间距对传热和压降的影响规律，确定逆热传导临界温差（<0.59℃）。实验表明：提高空气流速使传热率提升55.4%但压降增至5.5倍；增大翅片间距使传热率降8.8%但压降低36.9%。系统应用后配置成本降低63.1%，年减排197.6kg，节电194.2kWh。

　　

钟军|王云峰|李明|裴刚|唐胜|荣江涛|徐从彦|康立夫|邓建焕|单世智|周璐

云南师范大学能源与环境科学学院，中国昆明，650500

摘要

为了解决光伏冷藏仓库中高制造能耗和组件成本的问题，本研究将蒸发器和冷量释放换热器集成到一个新型的三流体换热器中，该换热器考虑了可变的热物理特性，旨在显著减少金属使用量和成本。主要创新包括一个用于描述不良热传导的通用形状因子模型，以及一个以三流体换热器为中心的光伏冷储存系统。此外，还考虑了气流状态对热传递的影响，并通过实验确定了不良热传导的临界条件。研究结果表明：（1）随着空气入口速度的增加，热传递率提高了55.4%，而空气压降增加了5.5倍；（2）随着 fins 间距的增加，总热传递率降低了8.8%，但空气压降显著降低了36.9%；（3）在多流耦合模式下，当空气与水之间的温差低于0.59°C时，水不会从空气中吸收热量，而是通过 fins 将热量传递给制冷剂；（4）通用形状因子模型显著提高了拟合精度，残差在±50 W 以内；（5）每个三流体换热器的安装使配置成本降低了63.1%，碳排放减少了197.6 kg，并节省了194.2 kW·h的电能。这种 fins-管式三流体换热器模型对于降低冰储存冷藏仓库系统的成本和碳排放具有显著效果。

引言

换热器是可再生能源系统中传递热能或冷却能量的关键部件[1]。在带有冰储存单元的光伏驱动冷藏仓库中，通常需要额外的排放换热器来释放储存在冰罐中的冷却能量，这些能量来自太阳能。然而，额外的换热器增加了系统成本、运行复杂性以及与金属消耗相关的碳排放[2]、[3]。为了解决这些问题，三流体换热器作为一种创新解决方案应运而生。通过将可再生能源系统的原有换热器与额外的排放换热器集成到一个紧凑的单元中，可以实现更高效的能量管理，同时有效降低系统成本和复杂性。

三流体换热器的设计方法和理论基础继承自传统的两流体换热器。对数平均温差（LMTD）方法需要假设入口和出口流体的温度来确定热传递的有效温差[4]。当这些温度事先未知时，通常采用有效性-传热单元数（NTU）方法[5]、[6]。该方法显著减少了由于对数平均温差估计不准确而导致的最终设计误差[7]、[8]。在类型方面，三流体换热器是通过扩展传统的两流体配置发展而来的，包括螺旋盘管、微通道和 fins-管式等设计。

螺旋盘管三流体换热器通过高流体速度增强了对流热传递[9]、[10]。Taraprasad 等人[11] 在500–3000 cm³/s的空气体积流量范围内，实验研究了不同流动方式（包括平行流和逆流）下螺旋盘管三流体换热器的温度和热传递强度的轴向分布。他们的研究为工艺加热换热器的优化提供了宝贵的指导。然而，三流体换热器往往表现出较大的不可逆性，这意味着其能量传递效率相对较低。为了解决这个问题，Hamed 等人[12] 在0.00065–0.0032 kg/s的空气质量流量范围内应用了遗传算法来最小化熵产生。他们的方法实现了最大热传递效率0.693和最小熵产生数0.0486，从而为螺旋盘管三流体换热器建立了一种有效的优化方法。由于螺旋盘管的结构限制，其空气侧流量通常较低，限制了其在需要大空气流量的场景中的应用[13]。

微通道三流体换热器的特点是结构紧凑，具有小尺度流动通道和高表面积与体积比[14]、[15]，适用于涉及相变的应用。在蒸发热传递方面，Mokarram 等人[16] 基于两相对流相关性开发了微通道三流体换热器的热传递模型。他们还制造了一个62.4厘米长的微通道三流体蒸发器，用于住宅制冷和冰储存。对于凝固热传递，Liu 等人[17] 通过集成制冷剂和冷却剂流动路径构建了一个微通道三流体换热器模块，并在最大空气体积流量为4660 m³/h的情况下，通过熵效率分析评估了其充放电效率。然而，微通道外表面的结霜会由于狭窄的外部通道而显著增加流动阻塞的风险。Zheng 等人[18] 报告称，结霜会降低热传递率高达61.07%，并提出通过减小长宽比和 fins 间距比来改善制冷剂温度均匀性，从而减少外部结霜覆盖面积。此外，随着增材制造的进步，还引入了基于三重周期性最小表面（TPMS）的新型三流体换热器[19]。Wei 等人[20] 表明，在TPMS三流体换热器中将固体体积分数从7%增加到13%可使努塞尔数提高13%。尽管如此，微通道三流体换热器内的多相流动仍然容易发生阻塞，因为即使少量的不可凝气体或污染物也会阻塞狭窄的内部通道[21]。Li 等人[22] 显示，这种阻塞可能导致高达69.1%的质量传递损失，从而大大增加了混合能源制冷系统的运行风险。

fins-管式三流体换热器的特点是在气体侧使用了带 fins 的扩展表面，以补偿高热阻[23]、[24]，使其非常适合气-液热传递应用。为了促进 fins-管式三流体换热器在混合源加热、通风和空调（HVAC）系统中的应用，Zhang 等人[25] 将制冷剂蒸发热传递纳入了为单相条件开发的分布参数模型中。除了确定最佳管径和电路布置外，他们还发现热流体质量流量应超过0.044 kg/s以确保冷流体的过热。随后， fins-管式三流体换热器被应用于同时控制 HVAC 系统中的温度和湿度。Liang 等人[26] 证明，调整空气体积比和水流量可以分别降低压缩机功耗19.1%和风扇功耗15.5%。Alghamdi 等人[27]、[28] 的实验研究进一步证实了将 fins-管式三流体换热器集成到具有热能储存的 HVAC 系统中的可行性。然而，带 fins 的结构本质上通过 fins 连接了相邻的管子，不可避免地会在流体之间产生不良热传导路径，从而降低整体换热器性能[29]。Zhang 等人[30] 验证了 fins 传导显著影响 CO₂ 气体冷却器换热器的性能，并提出通过分段 fins 来减轻这种影响。然而，目前缺乏能够量化或减轻 fins-管式三流体换热器中不良热传导的验证结果或预测模型。

fins-管式三流体换热器在光伏冰储存冷却系统中显示出潜力。目前对这些设备的研究主要集中在热传递模型的开发和热效率的提升上。然而，通过 fins 的不良传导会显著降低其性能。在实际应用中，必须确定不良传导发生的特定操作条件，并建立能够量化相关热传导的理论模型。然而，很少有实用的方法能够有效支持这些需求。

在这项研究中，建立了一个适用于冰储存冷藏仓库中 fins-管式三流体换热器的变属性模型，并通过实验进行了验证，同时确定了不良传导发生的特定操作条件。进一步分析了整体性能对气流条件的响应机制。此外，通过利用已建立的热传导理论并解决空气侧对流情况下的 fins 传导问题，提出了一种扩展维度的通用形状因子方法。该方法为定义冰储存冷却系统中 fins-管式三流体换热器的有利操作条件提供了实用见解。

部分摘录

热传递的物理模型

fins-管式三流体换热器是使用 ε–NTU 方法设计的。根据分布参数方法的设计原则，将带 fins 的管束划分为几个控制体积进行分段求解。每个控制体积包含15个 fins。

根据 ε–NTU 方法，换热器的有效性由传热单元数和热容比决定。如方程（1）所示，热流体和冷流体的热容流量比 C 是

换热器的性能评估

在实验设置中，压降被监测为评估系统流体动力性能的重要参数。在空气侧，由于风扇是水平安装的，空气进出口的静压相同。因此，总空气压降等于动态压差，通过测量进出口空气速度并根据方程（19）计算得出：$$ ρ_a 表示空气密度，Δ(u_a²) 表示

结论

为了降低冰储存冷藏仓库的换热器配置成本和系统复杂性，建立了一个 fins-管式三流体换热器模型。研究了空气流动状态对三流体换热器的影响，并开发了一个通用的 SFM。得出以下结论：

(1)

适当增加 fins 间距可以显著降低空气侧压降。增加空气速度可以降低热阻

CRediT 作者贡献声明

徐从彦：可视化。康立夫：可视化。周璐：监督。钟军：撰写 – 原稿、可视化、软件、概念化。邓建焕：可视化。单世智：方法论。裴刚：软件、概念化。唐胜：软件、概念化。王云峰：撰写 – 审稿与编辑、资金获取。李明：撰写 – 审稿与编辑。荣江涛：可视化

数据可用性

数据可根据请求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了 国家自然科学基金（项目编号：52376211）、云南省教育厅 科研基金 项目（项目编号：2025Y0303）以及云南省大学服务关键产业科学技术项目（项目编号：FWCY-BSPY2024071）的支持。