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

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)相對負荷與相對水流量變化的非線性關(guān)系，針對滿液式和直接蒸發(fā)式蒸發(fā)器傳熱的不同特點，利用傳熱學(xué)有關(guān)理論，分別建立了相對綜合傳熱系數(shù)與相對水流量和兩側(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)評價指標(biāo)，模擬結(jié)果表明：一次泵變流量運行時，蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)溫度稍有下降，COP下降不明顯，強化水側(cè)換熱系數(shù)有利于蒸發(fā)溫度穩(wěn)定，新安裝機組隨著運行時間積累，蒸發(fā)溫度穩(wěn)定性越來越差；變流量帶來綜合能效系數(shù)scop呈明顯上升，且水泵機組功率占壓縮機機組功率越大，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)，一次泵與冷水機組對應(yīng)，以恒速運行保證恒定流量水流過，二次泵采用高壓泵，調(diào)速運行以適應(yīng)制冷需要。這種系統(tǒng)能夠保證恒定冷凍水流過冷水機組，運行可靠性得以保證，但在部分負荷時冷水機組效率降低，一次泵也沒有變速調(diào)節(jié)，泵耗不能隨著空調(diào)系統(tǒng)負荷變化而調(diào)節(jié)，造成整個系統(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)，對冷水機組、冷凍水泵和冷卻水泵同時實行變速調(diào)節(jié)，以跟蹤空調(diào)制冷負荷變化，本文就是以此為背景，對單環(huán)路變流量冷凍水系統(tǒng)主要性能進

3、行模擬分析。在冷水機組蒸發(fā)器的設(shè)計中，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。負荷調(diào)節(jié)是通過控制節(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U流動，制冷劑在管但U吸熱蒸發(fā)，負荷調(diào)節(jié)是通過蒸發(fā)器出口過熱度的變化控制節(jié)流裝置的開度，一般用于中小型機組。在單環(huán)路變流量冷凍水系統(tǒng)中，假設(shè)供回水溫度是嚴格控制在7c/12C,制冷負荷調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)冷凍水流量。流量變化時，對這兩種蒸發(fā)器，水分別在管但U、殼但U流動，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，進而對蒸發(fā)溫度、機組cop影響也不一樣。有必要從理論上對此問題進行模擬分析。2相對傳熱系數(shù)K與相對流量中的關(guān)系2.1傳熱系數(shù)K的表達式Di,外徑為Do的在蒸發(fā)器中，無論制冷劑是在管內(nèi)蒸發(fā)還是在管外蒸發(fā)，對于內(nèi)徑為換熱管，其傳熱系數(shù)K的一般表達式為2rI o Ho”包樂區(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)、管外表面上的污垢傳熱系數(shù)，Dm為管平均直徑。在管壁厚很薄時，9«工，工，-Do&1,20ft：1,HiHoDmDi雖然在設(shè)計換熱器時，必需考慮ri,

5、ro,這是由于機組經(jīng)過一段時間的運行管內(nèi)外要結(jié)垢，污垢影響從量上來因此本文的傳熱系數(shù)（1）而垢的熱阻與內(nèi)外表面對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)器的變流量運行情況。故忽略ri,ro,至于運行一段時間后，看，只是表明各部分熱阻份額，通過調(diào)整管內(nèi)外換熱比例系數(shù)來實現(xiàn)。表達式為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5可以看出，即使蒸發(fā)壓力有波 動，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，Q=Ggq,相對圖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，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，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)表達式Hi DiQ80.33DiGc=0.0231.b.'b當(dāng)管內(nèi)冷凍水流量從W*變?yōu)閃時，質(zhì)量流速從G*變?yōu)?.8Hi*Hi制冷劑在管外沸騰蒸發(fā)，據(jù)文獻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，隨著進入蒸發(fā)器水流減少，管但U對流傳熱系數(shù)減小，導(dǎo)致熱阻壓力蒸發(fā)溫度有可能發(fā)生變化，但從實際運行來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，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)于新機組隨著運行，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。因此機組運行一段時間后要及時清洗，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 冷負荷變化與冷水量變化的關(guān)系末端負荷相對變化與供水量相對變在采用供回水溫差恒定對一次泵水泵變頻調(diào)速控制而言,化之間一般不呈線性關(guān)系，令Q=_Q_,文獻5將其擬合為Q*6=y4595(7)3.2 蒸發(fā)溫度Te與相對流量。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，流過殼但U水量減小時，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，整個換熱過程熱阻增加，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,這主要是流過殼但U水量減小，同時進入管內(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。但如果是長期運行冷水機組，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)壓力將遠不如新安裝的冷水機組。假設(shè)冷水機組采用冷媒是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，認為壓縮機進口為飽和狀態(tài)，冷凝器出口為飽和狀態(tài)，且將壓縮機進口狀態(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隨流量變化際運行中由于壓縮過程不可逆因素影響,出，能效基本上沒有下降，雖然這只是理論結(jié)果，實實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)心機組實際工作效率大幅下降。對于滿液式蒸發(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，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水的對流換熱系數(shù)時，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，整個換熱過程熱阻增加，同時其中冷媒質(zhì)量流速下降，蒸發(fā)量下降，但熱阻增加幅度要大于相對冷負荷減小幅度，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壓殼但U沸騰換熱系數(shù)時，蒸發(fā)溫度不降反升，這種情況雖然很難實現(xiàn)，但卻啟示我們，強化管內(nèi)換熱有利于在變流量時穩(wěn)定蒸發(fā)溫度，提機組能效系數(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相對綜合能效系數(shù)rcop變化一次泵變速運行時，理想情況下，冷凍水泵相對耗功與相對流量三次方成正比，因而呈很快下降，蒸發(fā)器蒸發(fā)量也下降，壓

14、縮機功耗也呈現(xiàn)下降，當(dāng)然冷凝器熱負荷也下降，為了描述整個系統(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.相對綜合能效系數(shù)rsp變化縮額定功耗的比率，則相對綜合能效系數(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，流量相對變化越小，即水系統(tǒng)末端負荷越小時，節(jié)能越明顯，且r越大，即水泵額定功率占壓縮機功額定功率越大，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，制冷系統(tǒng)的能效沒有明顯下降，但整個系統(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蒸發(fā)器是安全的，同時整個系統(tǒng)又是節(jié)能的。4結(jié)論1）兩類蒸發(fā)器在變流量時，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，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