不同類型蒸發(fā)器單環(huán)路變流量冷凍水系統(tǒng)性能模擬分析VIP

1、不同類型蒸發(fā)器單環(huán)路變流量冷凍水系統(tǒng)性能模擬分析許光映浙江海洋學(xué)院工程學(xué)院浙江舟山316004（xugy）摘要：考慮空調(diào)相對(duì)負(fù)荷與相對(duì)水流量變化的非線性關(guān)系，針對(duì)滿液式和直接蒸發(fā)式蒸發(fā)器傳熱的不同特點(diǎn)，利用傳熱學(xué)有關(guān)理論，分別建立了相對(duì)綜合傳熱系數(shù)與相對(duì)水流量和兩側(cè)熱阻比率關(guān)系式，引入系統(tǒng)綜合能效系數(shù)作為技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，模擬結(jié)果表明：一次泵變流量運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)溫度稍有下降，COP下降不明顯，強(qiáng)化水側(cè)換熱系數(shù)有利于蒸發(fā)溫度穩(wěn)定，新安裝機(jī)組隨著運(yùn)行時(shí)間積累，蒸發(fā)溫度穩(wěn)定性越來(lái)越差；變流量帶來(lái)綜合能效系數(shù)scop呈明顯上升，且水泵機(jī)組功率占?jí)嚎s機(jī)機(jī)組功率越大，綜合能效系數(shù)上升越多。關(guān)鍵詞：變流量

2、，蒸發(fā)器，能效系數(shù)，單環(huán)路1引言在空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，調(diào)節(jié)末端冷凍水流量，目前最廣泛采用是一/二冷凍水雙環(huán)路系統(tǒng)，一次泵與冷水機(jī)組對(duì)應(yīng)，以恒速運(yùn)行保證恒定流量水流過(guò)，二次泵采用高壓泵，調(diào)速運(yùn)行以適應(yīng)制冷需要。這種系統(tǒng)能夠保證恒定冷凍水流過(guò)冷水機(jī)組，運(yùn)行可靠性得以保證，但在部分負(fù)荷時(shí)冷水機(jī)組效率降低，一次泵也沒有變速調(diào)節(jié)，泵耗不能隨著空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷變化而調(diào)節(jié)，造成整個(gè)系統(tǒng)綜合能效系數(shù)也下降。為此托馬斯B哈特曼1建議去掉一/二次冷凍水系統(tǒng)中的旁通管，采用單環(huán)路變流量冷凍水系統(tǒng)，對(duì)冷水機(jī)組、冷凍水泵和冷卻水泵同時(shí)實(shí)行變速調(diào)節(jié)，以跟蹤空調(diào)制冷負(fù)荷變化，本文就是以此為背景，對(duì)單環(huán)路變流量冷凍水系統(tǒng)主要性能進(jìn)

3、行模擬分析。在冷水機(jī)組蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)中，通常采用殼管式蒸發(fā)器。根據(jù)需冷量大小，蒸發(fā)器一般分別采用滿液式和非滿液式（直接蒸發(fā)式）兩種，滿液式蒸發(fā)器中制冷劑在殼但U吸熱蒸發(fā)，水在管但U被冷卻。負(fù)荷調(diào)節(jié)是通過(guò)控制節(jié)流裝置開度控制液面高度維持在要求的水平，直接蒸發(fā)式蒸發(fā)器水在殼陽(yáng)U流動(dòng)，制冷劑在管但U吸熱蒸發(fā)，負(fù)荷調(diào)節(jié)是通過(guò)蒸發(fā)器出口過(guò)熱度的變化控制節(jié)流裝置的開度，一般用于中小型機(jī)組。在單環(huán)路變流量冷凍水系統(tǒng)中，假設(shè)供回水溫度是嚴(yán)格控制在7c/12C,制冷負(fù)荷調(diào)節(jié)是通過(guò)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)冷凍水流量。流量變化時(shí)，對(duì)這兩種蒸發(fā)器，水分別在管但U、殼但U流動(dòng)，按照傳熱學(xué)有關(guān)理論，其換熱規(guī)律是不一樣的。制冷劑在管

4、th殼吸熱蒸發(fā)，換熱規(guī)律也遵守不同規(guī)律，進(jìn)而對(duì)蒸發(fā)溫度、機(jī)組cop影響也不一樣。有必要從理論上對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行模擬分析。2相對(duì)傳熱系數(shù)K與相對(duì)流量中的關(guān)系2.1傳熱系數(shù)K的表達(dá)式Di,外徑為Do的在蒸發(fā)器中，無(wú)論制冷劑是在管內(nèi)蒸發(fā)還是在管外蒸發(fā)，對(duì)于內(nèi)徑為換熱管，其傳熱系數(shù)K的一般表達(dá)式為2rI o Ho”包樂(lè)區(qū)卜，色'九（Dm） IDJ HilDj468式中K為總傳熱系數(shù)，Hi,Ho為管內(nèi)、管外液膜的傳熱系數(shù)，rjo為管內(nèi)、管外表面上的污垢?jìng)鳠嵯禂?shù)，Dm為管平均直徑。在管壁厚很薄時(shí)，9«工，工，-Do&1,20ft：1,HiHoDmDi雖然在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，必需考慮ri,

5、ro,這是由于機(jī)組經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行管內(nèi)外要結(jié)垢，污垢影響從量上來(lái)因此本文的傳熱系數(shù)（1）而垢的熱阻與內(nèi)外表面對(duì)流或沸騰換熱熱阻相當(dāng)2,本文主要理論探討表面還沒有結(jié)垢新制造的蒸發(fā)器的變流量運(yùn)行情況。故忽略ri,ro,至于運(yùn)行一段時(shí)間后，看，只是表明各部分熱阻份額，通過(guò)調(diào)整管內(nèi)外換熱比例系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。表達(dá)式為1_11KFHT2.2直接蒸發(fā)式蒸發(fā)器的K與P的關(guān)系直接蒸發(fā)式蒸發(fā)器中，制冷劑在管內(nèi)蒸發(fā)，冷凍水在管外被冷卻，假定管束呈三角形排列，其管外換熱系數(shù)可根據(jù)肖特公式30.60.33,0.142=0.16'DGb佇）也）kNJI"（九1式中Gb為通過(guò)管束部分的質(zhì)量流速，Do為殼外徑

6、，k為液體導(dǎo)熱系數(shù)，Nw為平均溫度流體粘度系數(shù)，Nw為流體在壁溫時(shí)粘度系數(shù)。令e=瞿，從上式不難得出W匚=-0.6o管內(nèi)沸騰換熱系數(shù)采用戴維斯和戴維弟式H i = 0.06 旦 Di0.87"l40.28在上式中，變化量最大的是冷媒蒸發(fā)量 Gg,其它量變化不大，從文獻(xiàn)5可以看出，即使蒸發(fā)壓力有波 動(dòng)，但單位質(zhì)量流速制冷量變化幾乎不變，蒸發(fā)釋伶重Q=Ggq,在額定工況時(shí)，Q=Ggq,相對(duì)圖1.直接蒸發(fā)式蒸發(fā)器的K隨©變化(3)量變化形式為q=G7,因而G7=*0.4595o結(jié)合修得ggHi_.0.3997*Hi*設(shè)Hi=%Ho（%>1）。將（2）、（3）代入（1）且結(jié)合

7、考慮K，則(4)將其隨參變量入1、。變化用圖2表示，隨著進(jìn)入蒸發(fā)器水流減少，綜合傳熱系數(shù)減少入i從上到下分別等于0.6,1,1.5,2時(shí)，綜合傳熱系數(shù)有差別，但相差不明顯。4為2.2滿液式蒸發(fā)器的K與4的關(guān)系0.14(5)n 1.H o = m(At),式中m、n為與雖然在變冷凍水流量時(shí)，蒸發(fā)滿液式蒸發(fā)器中，制冷劑在管外蒸發(fā)，冷凍水在管內(nèi)被冷卻，內(nèi)但U換熱系數(shù)表達(dá)式Hi DiQ80.33DiGc=0.0231.b.'b當(dāng)管內(nèi)冷凍水流量從W*變?yōu)閃時(shí)，質(zhì)量流速?gòu)腉*變?yōu)?.8Hi*Hi制冷劑在管外沸騰蒸發(fā)，據(jù)文獻(xiàn)3表8-2，表面換熱系數(shù)為Ho是(1)、式,11+* *Ho Hi制冷劑種類

8、有關(guān)的常數(shù)，At為加熱表面與沸騰液體的溫差,況所對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)為兩式相除得將其隨參變量入2、 等于0.5,1,2,4在入結(jié)合112,08 14變化用圖3表示，入一定時(shí)，隨著進(jìn)入蒸發(fā)器水流減少，管但U對(duì)流傳熱系數(shù)減小，導(dǎo)致熱阻壓力蒸發(fā)溫度有可能發(fā)生變化，但從實(shí)際運(yùn)行來(lái)看變化幅度并不太大，因此可以考慮增加，綜合傳熱系數(shù)減少。同一水流量時(shí)，入2越大，表示殼但U換熱系數(shù)越大，管但U換熱系數(shù)越小，相當(dāng)于新機(jī)組隨著運(yùn)行，污垢系數(shù)增加，使管但U換熱系數(shù)減小，綜合傳熱系數(shù)呈下降。因此機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后要及時(shí)清洗，以保持綜合傳熱系數(shù)穩(wěn)定。將其隨參變量入2、4變化用圖2表示。圖中曲線表明，綜合傳熱系數(shù)減少；但是其

9、變化與兩但U傳熱系數(shù)比率關(guān)系不大，由于管外但U水流下降，換熱減弱，管內(nèi)但U換熱也同時(shí)減弱,且其幅度與比率關(guān)系不大。3蒸發(fā)溫度Te與。的關(guān)系3.1 冷負(fù)荷變化與冷水量變化的關(guān)系末端負(fù)荷相對(duì)變化與供水量相對(duì)變?cè)诓捎霉┗厮疁夭詈愣▽?duì)一次泵水泵變頻調(diào)速控制而言,化之間一般不呈線性關(guān)系，令Q=_Q_,文獻(xiàn)5將其擬合為Q*6=y4595(7)3.2 蒸發(fā)溫度Te與相對(duì)流量。的關(guān)系Th-TgQ*由、=KA&Tm及ATm，得出=ATm,這里Th=12C,Tg=7C,Te=5C,.而lnTh匚eKTg-Te.-Tm=log3.5log,'12Te；尸J，在（1,6)區(qū)間ATm=0.2722Te8

10、.64),因而得出Q/K=-0.2722（Te-8.84）,對(duì)于直接蒸發(fā)式蒸發(fā)器，結(jié)合（4）、（7）Te=8.64-3.6737.0.0598._0.0905111(8)將（8）用圖3所見曲線表示，曲線表明，入1一定時(shí)，流過(guò)殼但U水量減小時(shí)，殼但U換熱系數(shù)減小，管內(nèi)冷媒蒸發(fā)量也減少，管內(nèi)換熱系數(shù)下降，整個(gè)換熱過(guò)程熱阻增加，因而蒸發(fā)壓力也下降，但下降幅度不大，理論曲線表明不大于0.5C,這主要是流過(guò)殼但U水量減小，同時(shí)進(jìn)入管內(nèi)整發(fā)冷媒質(zhì)量流速也減小，出蒸發(fā)器冷媒蒸氣流速也下降，綜合效果是比蒸發(fā)壓力下降不大。但如果是長(zhǎng)期運(yùn)行冷水機(jī)組，管/U、殼但U熱阻增加，圖3.直接蒸發(fā)式蒸發(fā)溫度隨流量變化相當(dāng)于

11、入1很大的情況，蒸發(fā)壓力將遠(yuǎn)不如新安裝的冷水機(jī)組。假設(shè)冷水機(jī)組采用冷媒是R22,冷凝溫度取40C,*額7E狀態(tài)烝發(fā)溫度Te=5C,這里把制冷循環(huán)作理想處理，認(rèn)為壓縮機(jī)進(jìn)口為飽和狀態(tài)，冷凝器出口為飽和狀態(tài)，且將壓縮機(jī)進(jìn)口狀態(tài)始與蒸發(fā)溫度關(guān)系用近似方程h=404.96+0.34Te表示。相對(duì)能效系數(shù)用rcop表示，則rcop=0.161h-249.2432-249.2將其變化曲線用圖4表示。從上到下入1=0.6,1,2,4,從圖中可以看圖4.直接蒸發(fā)式蒸發(fā)器rcop隨流量變化際運(yùn)行中由于壓縮過(guò)程不可逆因素影響,出，能效基本上沒有下降，雖然這只是理論結(jié)果，實(shí)實(shí)際能效可能有所下降，但不必因蒸發(fā)器中冷凍

12、水流量下降而擔(dān)心機(jī)組實(shí)際工作效率大幅下降。對(duì)于滿液式蒸發(fā)器，結(jié)合（6）、（7）。4595.,.3Te=8.64-3.6737212(9)將蒸發(fā)溫度方程（9）用圖5曲線表示，相對(duì)能效系數(shù)用圖6曲線表示。從圖5可以看出，在入2一定時(shí)，且入2大于1,即冷媒但U沸騰丁Ie換熱系數(shù)大于管內(nèi)但U水的對(duì)流換熱系數(shù)時(shí)，蒸發(fā)溫度隨冷凍水流量減小而下降。雖然由于水但U換熱系數(shù)減小，整個(gè)換熱過(guò)程熱阻增加，同時(shí)其中冷媒質(zhì)量流速下降，蒸發(fā)量下降，但熱阻增加幅度要大于相對(duì)冷負(fù)荷減小幅度，因而蒸發(fā)溫度下降。但在入2小于1,即管內(nèi)換熱系數(shù)大于圖5.滿液式蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度隨流量變化scop =N compQevNcp Nfp(9

13、)Nfp為冷凍水泵功耗；根據(jù)有關(guān)理論0.4595 k Ncomp = Ncomp)八 .0.4595 - *QevQev ,N frp H3N*frp，Ncp =#3785 nCp，假定 Ncp =N；rp，令 Nfp =r Zomp,r表示水泵額定功耗占?jí)簹さ玌沸騰換熱系數(shù)時(shí)，蒸發(fā)溫度不降反升，這種情況雖然很難實(shí)現(xiàn)，但卻啟示我們，強(qiáng)化管內(nèi)換熱有利于在變流量時(shí)穩(wěn)定蒸發(fā)溫度，提機(jī)組能效系數(shù)。從圖6（入2從上到下等于0.6,1,2,4）,看出能效基本上沒有下降。4相對(duì)綜合能效系數(shù)rcop變化一次泵變速運(yùn)行時(shí)，理想情況下，冷凍水泵相對(duì)耗功與相對(duì)流量三次方成正比，因而呈很快下降，蒸發(fā)器蒸發(fā)量也下降，壓

14、縮機(jī)功耗也呈現(xiàn)下降，當(dāng)然冷凝器熱負(fù)荷也下降，為了描述整個(gè)系統(tǒng)能效利用情況，這里引入包括系統(tǒng)水泵功耗在內(nèi)的綜合能效系數(shù)，其定義為式中Ncomp為壓縮機(jī)功耗，Ncp為冷卻水泵圖6.滿液式蒸發(fā)器rcop隨流量變化圖7.相對(duì)綜合能效系數(shù)rsp變化縮額定功耗的比率，則相對(duì)綜合能效系數(shù)為scop12rrsp=2.5405.A0.919（10）scop1'r?：'將（10）式用曲線表示如圖7所示。當(dāng)r一定時(shí)，流量相對(duì)變化越小，即水系統(tǒng)末端負(fù)荷越小時(shí)，節(jié)能越明顯，且r越大，即水泵額定功率占?jí)嚎s機(jī)功額定功率越大，綜合能效系數(shù)也越大；綜合前面論述，采用單環(huán)路變流量系統(tǒng)時(shí)，制冷系統(tǒng)的能效沒有明顯下降，但整個(gè)系統(tǒng)的能效卻有明顯提升，因而單環(huán)路變流量系統(tǒng)能夠保證在小流量時(shí)蒸發(fā)器是安全的，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)又是節(jié)能的。4結(jié)論1）兩類蒸發(fā)器在變流量時(shí)，綜合傳熱系數(shù)均呈下降變化。2）兩類蒸發(fā)器在變流量時(shí)，蒸發(fā)溫度有所下降，但提高冷凍水但U傳熱系數(shù)或防止壁面結(jié)垢有利于蒸發(fā)溫度穩(wěn)定。3）變流量運(yùn)行制冷系統(tǒng)能效系數(shù)下降不明顯，但綜合能效系數(shù)卻有明顯提高。系統(tǒng)節(jié)能主要體現(xiàn)在水泵節(jié)能潛力。4）單環(huán)路系