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    基于傳熱損失分析的四通換向閥優(yōu)化設(shè)計

    2012-11-23 02:59:26柴婷胡海濤丁國良
    制冷技術(shù) 2012年1期
    關(guān)鍵詞:四通閥座閥體

    柴婷,胡海濤,丁國良

    (上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所,上海 200240)

    0 引言

    當(dāng)今世界能源供應(yīng)形勢日益緊張,節(jié)約能源勢在必行。中國作為能源生產(chǎn)和消費大國,更是以“節(jié)能減排”為基本國策??照{(diào)能耗占我國能耗的比重很大,如在我國的城市夏季能耗中空調(diào)能耗占40%以上[1]。因此,提高空調(diào)產(chǎn)品性能、降低空調(diào)能耗對中國和世界的節(jié)能減排顯得尤為重要。

    在整個空調(diào)市場份額中,90%的空調(diào)器為熱泵型。熱泵型空調(diào)中均需安裝四通換向閥,以實現(xiàn)空調(diào)制冷工況和制熱工況的轉(zhuǎn)換。四通換向閥的存在會導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)的性能損失。這個損失不僅存在于四通閥換向過程中,而且存在于系統(tǒng)整個運行過程的始終,從而導(dǎo)致四通換向閥損失對于熱泵型空調(diào)器的損失不可忽略。W.E.Murphy 使用空氣測試裝置進(jìn)行實驗,得出四通閥使系統(tǒng)性能下降3%[2]。Krishnan假定四通閥各種損失可加,得出由于四通閥的存在,系統(tǒng)性能下降4%-6%[3]。G.D.S.Damasceno 用實測的方法得到了不同工況下四通換向閥的壓降、傳熱及泄漏損失特性系數(shù),在此基礎(chǔ)上計算得出四通閥使系統(tǒng)性能下降9%[4]。因此減小四通換向閥的損失,對于降低空調(diào)的能耗具有重要的作用。

    四通換向閥的損失包括高壓側(cè)制冷劑向低壓側(cè)的內(nèi)部泄漏損失、不規(guī)則流道產(chǎn)生的流動阻力壓降損失、高壓高溫側(cè)向低壓低溫側(cè)及環(huán)境的傳熱損失三部分。泄漏損失占四通換向閥總損失的比重小于15%[5,6],對系統(tǒng)性能影響最小[7]。壓降損失占四通換向閥總損失的25%左右[6],合理設(shè)計四通換向閥流道結(jié)構(gòu)能減小壓降損失[7]。傳熱損失占四通換向閥總損失的60%左右[6,9],導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)性能下降1%-5%[4,6,10]。由于四通閥的傳熱損失大于其它兩項,減小四通換向閥的傳熱損失成為減小四通換向閥損失的關(guān)鍵。

    綜上所述,已有的研究一致表明,四通閥的存在會導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)性能不可忽略的損失,且其中的傳熱損失占的比重最大,成為降低四通閥損失中需要考慮的重點。但是已有的研究對于四通閥導(dǎo)致的損失在定量上有明顯的偏差,且相關(guān)文獻(xiàn)研究距今都為十年以上,造成這些定量的結(jié)論難以直接應(yīng)用于現(xiàn)有的四通閥及應(yīng)用四通閥的熱泵系統(tǒng)。因此,需要對四通閥的傳熱損失進(jìn)行實驗和理論分析,并基于傳熱損失分析,提出四通閥的優(yōu)化設(shè)計方案。

    1 四通換向閥傳熱損失的實驗與理論分析

    1.1 傳熱損失實驗

    為了在國家標(biāo)準(zhǔn)測試工況下,得到現(xiàn)有常用四通換向閥的傳熱損失,采用如下的測量方法:1)在四通換向閥的四個進(jìn)出口處布置溫度和壓力測點,如圖 1所示;2)將布置測點后的在四通換向閥安裝到熱泵空調(diào)器中,放至標(biāo)準(zhǔn)焓差法實驗臺進(jìn)行性能測試。

    圖1所示為安裝溫度和壓力測點的四通閥。P、T分別為壓力和溫度測點,下標(biāo)D、E、S、C分別表示高溫進(jìn)氣、高溫出氣、低溫出氣和低溫進(jìn)氣。實驗測試得到四通閥低溫進(jìn)出口的溫度TS、TE和壓力PS、PE后,通過物性計算公式得到低溫進(jìn)出口焓hS和hE。所有測點布置在連接管距閥體10倍管徑處。流過蒸發(fā)器的風(fēng)量m’通過風(fēng)速儀測量,流過蒸發(fā)器的空氣進(jìn)出口焓差 dH’ 通過熱電偶和濕度傳感器測得空氣干濕球溫度后計算得出,蒸發(fā)器進(jìn)出口制冷劑焓差dH通過焓差實驗臺測試蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度和壓力后計算得出。測量儀表精度見表1。

    由以上測試所得實驗數(shù)據(jù),代入以下計算公式計算得出四通換向閥傳熱損失值。

    式中:Q為四通換向閥低溫端傳熱損失;m為熱泵系統(tǒng)制冷劑流量;hS和hE分別為四通閥低溫出氣和低溫進(jìn)氣的焓;PS和 PE分別為四通閥低溫出氣和低溫進(jìn)氣的壓力;TS和 TE四通閥低溫出氣和低溫進(jìn)氣的溫度;Q’為熱泵系統(tǒng)制冷量;dH為蒸發(fā)器進(jìn)出口制冷劑焓差;m’為流過蒸發(fā)器的風(fēng)量;dH’為流過蒸發(fā)器的空氣進(jìn)出口焓差。

    基于儀表精度與誤差分析方法[11],由公式(1)-(5),得到傳熱損失的誤差計算公式如下:

    根據(jù)表1中的儀表精度,按照誤差分析方法計算得出質(zhì)量流量和各焓值誤差,代入上式計算可得傳熱損失的誤差為10.1%。

    圖1 四通換向閥實驗測點布置示意圖

    表1 試驗參數(shù)及其測量精度

    為了確定四通換向閥傳熱損失量的范圍,擬選用代表性的產(chǎn)品進(jìn)行實驗。1.5匹空調(diào)屬于使用量較大的空調(diào)器,而現(xiàn)有四通換向閥的閥座材料基本采用黃銅,因此實驗對象選用1.5匹熱泵空調(diào)器,且安裝采用黃銅為閥座材料的四通換向閥。

    為了減少產(chǎn)品本身不一致性帶來的不利影響,同時對于三個樣本閥A1、閥A2、閥A3進(jìn)行測試。實驗結(jié)果見表2。

    由表2可以看出,對于所有被測試的四通閥,傳熱損失導(dǎo)致的低溫側(cè)制冷劑溫升都大于2 ℃,對應(yīng)的傳熱損失均大于24 W;傳熱損失占系統(tǒng)制冷量的比例也均大于0.7%。

    鑒于現(xiàn)有四通閥中存在明顯的傳熱損失,如何降低四通閥中傳熱損失成為有價值的研究工作。

    表2 常用典型四通換向閥實驗結(jié)果

    2 基于傳熱損失分析的四通閥優(yōu)化設(shè)計思路的提出

    2.1 傳熱損失影響因素的理論分析

    為了降低四通換向閥的傳熱損失、找出最可行的降低傳熱損失的方案,需要對影響四通閥傳熱損失的各因素進(jìn)行理論分析。

    四通換向閥的傳熱損失 Q是由四通換向閥內(nèi)部流動的低溫制冷劑的得熱引起的,主要由三部分組成,包括高溫流體通過閥座和閥體向低溫流體的傳熱 Q1、環(huán)境通過銅管壁向低溫流體的傳熱 Q2、高溫流體通過滑塊向低溫流體的傳熱Q3。這三部分傳熱示意見圖2。

    圖2 四通換向閥流動及傳熱示意圖

    四通換向閥傳熱損失的計算公式如下:

    式中:Q閥座、Q閥體分別為高溫流體通過閥座、閥體傳給低溫流體的得熱量;λ閥座、λ閥體、λ銅管和λ滑蓋分別為閥座材料、閥體材料、銅管和滑蓋的導(dǎo)熱系數(shù);A閥座、A閥體、A銅管和A滑蓋分別為閥座、閥體、銅管和滑蓋的面積;TDa、TSa和Tair分別為高溫流體、低溫流體和周圍空氣的平均溫度;δ閥座、δ閥體、δ銅管、δ滑蓋分別為閥座、閥體、銅管和滑蓋的厚度;h1、h2、h3、h4、h5、h6、h7和 h8分別為閥座與高溫流體間、閥座與低溫流體間、閥體與高溫流體間、閥體與低溫流體間、銅管與周圍環(huán)境間、銅管與低溫流體間、滑蓋與高溫流體間和滑蓋與低溫流體間的對流換熱系數(shù)。

    前面所列出的影響四通閥傳熱損失的因素有:高低溫流體和環(huán)境溫度;各流動換熱系數(shù);閥座、閥體、銅管及滑塊的厚度、面積、導(dǎo)熱系數(shù)。其中,高低溫流體和環(huán)境溫度、各流動換熱系數(shù)都是隨空調(diào)工況變化而變化的,不屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計中可控制的參數(shù);閥座、閥體、銅管及滑塊的厚度增大、面積減小,傳熱損失將減小,但是同時會減小閥內(nèi)有效流通面積,導(dǎo)致壓降損失增大;因此需要重點關(guān)注通過減少閥座、閥體、銅管及滑塊的導(dǎo)熱系數(shù)來降低傳熱損失,其中需重點關(guān)注通過降低閥座的導(dǎo)熱系數(shù)來降低傳熱損失,這是因為:滑塊一般為絕熱材料,導(dǎo)熱系數(shù)已很低,不需要再考慮優(yōu)化;而閥體與銅管不易加工更換;只有閥座易于加工更換。

    因此,本文將重點關(guān)注四通換向閥閥座材料導(dǎo)熱系數(shù)對傳熱損失的影響。

    2.2 四通換向閥優(yōu)化思路的提出

    由2.1節(jié)可知四通閥閥座材料導(dǎo)熱系數(shù)對傳熱損失的影響需重點關(guān)注?;谝陨蟼鳠釗p失分析,本文提出以降低傳熱損失為優(yōu)化目標(biāo)和以降低成本并保證性能為優(yōu)化目標(biāo)的兩種優(yōu)化思路,分別為:改變閥座材料以降低傳熱損失的四通閥優(yōu)化、同時改變閥座材料和閥的尺寸以降低成本的四通閥優(yōu)化。

    1) 改變閥座材料以降低傳熱損失的四通閥優(yōu)化

    優(yōu)化目標(biāo)為降低四通閥的傳熱損失。考慮到不增加壓降損失以及四通閥結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工工藝的限制,改變閥座材料是可行的優(yōu)化方向。當(dāng)四通閥閥座材料導(dǎo)熱系數(shù)λ閥座減小時,四通閥傳熱損失減小。

    因此,提出以降低四通閥傳熱損失為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化思路:改變四通閥的閥座材料,提高閥座材料熱阻,采用導(dǎo)熱系數(shù)小的材料代替原閥座材料。

    2) 同時改變閥座材料和閥的尺寸以降低成本的四

    通閥優(yōu)化

    優(yōu)化目標(biāo)為在保證系統(tǒng)性能的前提下降低四通閥成本。降低四通閥閥座材料導(dǎo)熱系數(shù),能夠減小傳熱損失、提高系統(tǒng)性能。同時,減小四通閥尺寸,會增大壓降損失、惡化系統(tǒng)性能。綜合考慮兩種損失,同時降低材料導(dǎo)熱系數(shù)并減小尺寸,尋找一平衡點,使得更換四通閥前后的系統(tǒng)制冷量不變、系統(tǒng)COP不減小。這樣,就保證了系統(tǒng)性能,并通過減小四通閥耗材的方法降低了制造成本。

    因此,提出以保證性能且降低成本為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化思路:改變四通閥閥座材料,采用導(dǎo)熱系數(shù)小的材料代替原閥座材料;同時減小四通閥尺寸。

    3 改變閥座材料以降低傳熱損失的四通閥優(yōu)化

    3.1 優(yōu)化對象與優(yōu)化方案

    1.5匹空調(diào)屬于使用量較大的空調(diào)器,且1.5匹空調(diào)中多采用普通黃銅材料9型四通換向閥。因此,本節(jié)以9型普通黃銅材料四通閥(簡稱閥A)為優(yōu)化對象,進(jìn)行以降低傳熱損失為優(yōu)化目標(biāo)的四通閥優(yōu)化。優(yōu)化對象閥的各部件導(dǎo)熱系數(shù)見表3中閥A的材料導(dǎo)熱系數(shù)。9型四通換向閥的具體尺寸見標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8592-1997。

    由于導(dǎo)熱系數(shù)為60 W/(m·K)的銅合金Z較易加工為四通換向閥閥座,且其與導(dǎo)熱系數(shù)為 110 W/(m·K)的黃銅材料相比成本不增加,則由2.2節(jié)中提出的優(yōu)化思路,提出降低傳熱損失的四通閥優(yōu)化方案為:將四通閥閥座材料由原有的導(dǎo)熱系數(shù)為110 W/(m·K)的黃銅材料改為導(dǎo)熱系數(shù)為 60 W/(m·K)的銅合金 Z。根據(jù)優(yōu)化方案制作新材料四通閥閥B,閥B的各部件導(dǎo)熱系數(shù)見表3。

    表3 優(yōu)化前后四通閥各部件導(dǎo)熱系數(shù)表

    3.2 優(yōu)化方案的實驗驗證

    將9型新材料四通閥B安裝在1.5匹空調(diào)中進(jìn)行實驗測試,測試實驗臺和實驗測試方法見第一節(jié)。實驗數(shù)據(jù)如表4所示。

    表4 優(yōu)化前后四通換向閥實驗結(jié)果對比

    由表4可以得出:對于優(yōu)化后的新材料四通閥B,相比于優(yōu)化前的四通閥 A,低溫端進(jìn)出口溫差減小0.6℃,傳熱損失減小21%。

    3.3 優(yōu)化后的系統(tǒng)節(jié)能效果

    為了分析四通換向閥對熱泵系統(tǒng)性能的影響,將實驗數(shù)據(jù)代入到熱泵系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真模型[8]中進(jìn)行計算,結(jié)果見表5。

    表5 優(yōu)化前后四通閥的熱泵系統(tǒng)性能

    由表5可以得出:四通換向閥閥座材料導(dǎo)熱系數(shù)由 110 W/(m·K)降為 60 W/(m·K)后,熱泵系統(tǒng)COP由3.61提高到3.624,提高了0.4 %。

    4 同時改變閥座材料和閥的尺寸以減小成本的四通閥優(yōu)化

    4.1 優(yōu)化對象介紹

    同3.1節(jié),本節(jié)以9型普通黃銅材料四通換向閥A為優(yōu)化對象,進(jìn)行以降低成本并保證性能為優(yōu)化目標(biāo)的四通換向閥優(yōu)化。優(yōu)化對象閥的各部件導(dǎo)熱系數(shù)見表3中閥A的材料導(dǎo)熱系數(shù),表征優(yōu)化對象閥尺寸的閥低溫端管徑為12.7 mm。

    4.2 同時改變閥座材料和閥的尺寸以減小成本的四通閥優(yōu)化方法

    由2.2節(jié)提出的優(yōu)化思路,本節(jié)以降低成本并保證性能為優(yōu)化目標(biāo)對四通閥進(jìn)行優(yōu)化計算。優(yōu)化方案為:將空調(diào)系統(tǒng)中的普通黃銅材料(110W/(m·K))大尺寸四通閥(閥 A)換為低導(dǎo)熱系數(shù)材料(60W/(m·K))小尺寸的四通閥(簡稱閥 C)。約束條件為:1) 采用閥C的系統(tǒng)制冷量與采用閥A的系統(tǒng)制冷量相等;2) 采用閥C的系統(tǒng)COP不小于采用閥A的系統(tǒng)COP。優(yōu)化思路見圖3。

    圖3 同時改變閥座材料和閥的尺寸以減小成本的四通閥優(yōu)化思路圖

    優(yōu)化計算時采用以下假設(shè):1)由于四通換向閥位于蒸發(fā)器的出口、壓縮機(jī)的入口,主要影響的是壓縮機(jī)的入口狀態(tài),且制冷系統(tǒng)存在負(fù)反饋效應(yīng),四通換向閥內(nèi)傳熱壓降的變化對蒸發(fā)溫度的影響很小,故假設(shè)四通換向閥優(yōu)化前后,蒸發(fā)器進(jìn)出口焓差?h不變;2)四通換向閥的低溫端出口接近壓縮機(jī)入口,故假設(shè)四通閥低溫端出口制冷劑流速等于壓縮機(jī)入口制冷劑流速,又壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不變,故優(yōu)化前后四通閥低溫端出口制冷劑流速v不變;3)閥B和閥C的尺寸不同而材料相同,而閥的傳熱損失主要受閥的材料影響,在閥的進(jìn)口狀態(tài)一致的前提下閥的出口溫度取決于閥的傳熱損失,故假設(shè)閥B和閥C的出口溫度Tout一樣。

    由前實驗已知閥A和閥B的進(jìn)出口狀態(tài),令優(yōu)化前后四通換向閥的進(jìn)口狀態(tài)一致,則已知pA,in,TA,in,pA,out,TA,out,dA,TB,out,pC,in,ρA,out。優(yōu)化計算的推導(dǎo)如下:

    優(yōu)化約束為:

    空調(diào)系統(tǒng)制冷量Q的計算公式為

    由公式(11)(12)和假設(shè)1)可得

    由公式(13)(14)和假設(shè)2)可得

    由物性計算公式有

    又由管徑與壓降的關(guān)系有

    由公式(15)(16) (17)和假設(shè)3)可得

    式中,Q為系統(tǒng)制冷量,m為質(zhì)量流量,?h為蒸發(fā)器進(jìn)出口焓差,ρ為密度,V為體積流量,v為流速,d為四通閥低溫端管徑,p為壓力,T為溫度,?p為四通閥低溫端進(jìn)出口壓降,g表示由溫度、壓力求密度的物性計算函數(shù)關(guān)系,下標(biāo)A表示普通黃銅材料(110W/(m·K))大尺寸四通閥,下標(biāo)B表示低導(dǎo)熱系數(shù)材料(60W/(m·K))大尺寸四通閥,下標(biāo)C表示低導(dǎo)熱系數(shù)材料(60W/(m·K))小尺寸四通閥,下標(biāo)in和out分別表示四通閥低溫端進(jìn)口和出口。

    將已知條件和設(shè)定初值 dC0代入公式(18)進(jìn)行迭代求解,即可計算得出以降低成本保證性能為目標(biāo)對閥A進(jìn)行優(yōu)化后得到的閥C的當(dāng)量管徑dC。

    4.3 優(yōu)化結(jié)果及優(yōu)化效果

    以4.1節(jié)中所述的四通閥A為優(yōu)化對象,選用表 4中的實驗數(shù)據(jù)作為已知條件,根據(jù)公式(18)進(jìn)行迭代計算得出優(yōu)化后的四通閥C低溫端管徑dC,優(yōu)化約束、中間計算量及優(yōu)化結(jié)果見表6。

    表6 同時改變閥座材料和閥的尺寸的四通閥優(yōu)化結(jié)果

    由表6可知,對于改變閥座材料和閥的尺寸以降低成本的四通閥優(yōu)化,原9型黃銅材料四通閥A優(yōu)化為小尺寸導(dǎo)熱系數(shù)為 60 W/(m·K)的四通閥 C后,低溫端管徑需由12.7 mm減小到11.6 mm。整個四通換向閥各部件壁厚不變,長度寬度方向整體對應(yīng)減小相同比例,即壁厚不變的情況下四通閥整體縮小0.913倍。

    在保證系統(tǒng)制冷量不變的前提下,四通換向閥成本降低。為了評價優(yōu)化效果,下面給出優(yōu)化后系統(tǒng)COP及四通換向閥成本的計算。

    假定四通換向閥優(yōu)化前后壓縮機(jī)排氣壓力不變,壓縮機(jī)壓縮過程為等熵壓縮,則空調(diào)系統(tǒng)能效比的計算公式為

    式中,W為壓縮機(jī)耗功,h為焓,s為熵,f表示由壓力、溫度求焓的物性計算函數(shù)關(guān)系,k表示由壓力、熵求焓的物性計算函數(shù)關(guān)系,i表示由壓力、溫度求熵的物性計算函數(shù)關(guān)系,下標(biāo)com,in表示壓縮機(jī)進(jìn)口,下標(biāo)com,out表示壓縮機(jī)出口。

    以降低成本并保證性能為優(yōu)化目標(biāo)對四通換向閥進(jìn)行優(yōu)化后,四通換向閥的材料導(dǎo)熱系數(shù)減小、閥的尺寸整體減小。由于四通換向閥耗材減少,其成本降低。四通換向閥各部件壁厚不變,在長度寬度上按照低溫端管徑d的比例整體減小,則成本CC估算公式如下:

    將表4和表5中的數(shù)據(jù)代入公式(19)-(25)進(jìn)行計算,得到的優(yōu)化效果見表7。

    表7 優(yōu)化效果對比表

    由表7可知,對于改變閥座材料和閥的尺寸以降低成本的四通閥優(yōu)化,閥座材料導(dǎo)熱系數(shù)由 110 W/(m·K)降為 60 W/(m·K)、閥尺寸整體縮小 0.913倍后,系統(tǒng)制冷量不變、系統(tǒng)COP提高0.28%,四通換向閥成本降低16.6%。

    5 結(jié)論

    1) 在現(xiàn)有熱泵系統(tǒng)中,四通換向閥的傳熱損失大于24 W,占系統(tǒng)制冷量比例超過0.7%。

    2) 考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工工藝等限制條件,基于傳熱損失分析,提出以降低傳熱損失為優(yōu)化目標(biāo)的采用低導(dǎo)熱系數(shù)的閥座材料替代原閥座材料的優(yōu)化方案。降低四通換向閥閥座材料的導(dǎo)熱系數(shù),可以減小四通閥的傳熱損失、提高熱泵系統(tǒng)COP。四通閥閥座材料導(dǎo)熱系數(shù)由110 W/(m·K)降為60 W/(m·K)后,四通閥傳熱損失減小21%,熱泵系統(tǒng)COP提高0.4 %。

    3) 基于傳熱損失分析,提出以保證性能且降低成本為優(yōu)化目標(biāo)的同時降低閥座材料導(dǎo)熱系數(shù)和閥的尺寸的優(yōu)化方案。降低四通換向閥閥座材料的導(dǎo)熱系數(shù)并適當(dāng)減小四通閥尺寸,能夠保證系統(tǒng)性能并減小四通換向閥成本。四通換向閥閥座材料導(dǎo)熱系數(shù)由 110 W/(m·K)降為 60 W/(m·K)、閥尺寸整體縮小0.913倍后,系統(tǒng)制冷量不變、系統(tǒng) COP提高 0.28%,四通換向閥成本降低16.6%。

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