冷水機(jī)組蒸發(fā)器變更管徑減低成本的可行性探討

劉仕玲

(廣州日立冷機(jī)有限公司，廣州510935)

近年隨著各大空調(diào)企業(yè)的產(chǎn)能擴(kuò)展，大型制冷空調(diào)的競爭越來越激烈，如何生產(chǎn)出性能比強(qiáng)，質(zhì)量好而又相對價格有優(yōu)勢的空調(diào)機(jī)組是各大生產(chǎn)廠家現(xiàn)今面臨的問題。對于冷水機(jī)組而言，一些空調(diào)廠家開始考慮變更蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)冷水機(jī)組的成本降低。但是如何在保證性能的前提下，縮小管徑減低成本，是每個生產(chǎn)廠家考慮的重點之一。本文就蒸發(fā)器從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行大膽改進(jìn)，縮小管徑減低成本進(jìn)行一些探討。

1 結(jié)構(gòu)變更

目前空調(diào)廠家生產(chǎn)的水冷機(jī)組，蒸發(fā)器一般采用φ12.7mm銅管，我們嘗試采用更小的銅管進(jìn)行替代?？s小銅管的直徑后，為了保證蒸發(fā)器性能，必須滿足兩個最基本的條件，即:(1)保證換熱面積;(2)保證壓差 (壓損)。因此，銅管間的間隙、銅管根數(shù)、折流板的間距和片數(shù)也相應(yīng)需要進(jìn)行變更。

下面以一種機(jī)型670 kW(280匹)水冷機(jī)組的蒸發(fā)器，進(jìn)行縮小管徑變更結(jié)構(gòu)減低成本的探討。

1.1 換熱面積

原670kW(280匹)水冷機(jī)組蒸發(fā)器的銅管直徑為 φ12.7mm，準(zhǔn)備變更采用的銅管直徑為φ9.52mm，兩種銅管的蒸發(fā)器的相關(guān)數(shù)據(jù)見表1，蒸發(fā)器采用的內(nèi)螺紋銅管截面圖如圖1所示。

原采用φ12.7mm銅管的蒸發(fā)器有786根銅管，銅管總長度為2.615m，換熱面積為:

0.0618×786×2.615=127.023(m2)

根據(jù)原采用φ12.7mm銅管蒸發(fā)器的換熱面積，計算銅管直徑變更后的蒸發(fā)器所需要的根數(shù)為:

127.023/2.615/0.0483=1005(根)

考慮到布局的合理性，理論計算與實際的差異性，變更后蒸發(fā)器實際采用1031根銅管。

所以，變更后銅管直徑后的蒸發(fā)器的換熱面積可以達(dá)到和超過變更前的蒸發(fā)器，滿足換熱面積的條件。

表1 兩種銅管的蒸發(fā)器的相關(guān)數(shù)據(jù)如下 (銅管廠家直接提供)

圖1 蒸發(fā)器采用的內(nèi)螺紋銅管截面圖

1.2 壓損計算

壓差的計算按照如下公式進(jìn)行。

式中:

d0—管外徑，m;

ST—管間距，m;

ds—殼體內(nèi)徑，m;

Bp—折流板間距，m;

Nb—折流板片數(shù);

Nc—殼體中央部管根數(shù);

NT—管列數(shù);

Nw—水平方向管列數(shù);

Np—有效管列數(shù);

w—冷水流量，m3/h;

γ—水比重量，kg/m3;

v—水的動粘度系數(shù)，m2/s;

ρ—水的密度 =γ/g，kg·s2/m4;

Gc—垂直方向通水的重量，kg/m2·s;

Gb—水平方向通水的重量，kg/m2·s

蒸發(fā)器變更銅管直徑結(jié)構(gòu)改造前后的性能對比見表2。

表2 蒸發(fā)器變更銅管直徑結(jié)構(gòu)改造前后的性能對比

參數(shù) 結(jié)構(gòu)改造前 結(jié)構(gòu)改造后Re 4494.68 6107.06 Nb 折流板片數(shù) 12 12 NT 管列數(shù) 20 18 Nw 水平面管列數(shù) 6 7 Np 有效管列數(shù) 5 6 ρ 水的密度(kg·s2/m) 100 100 γ 水比重量(kg/m3) 1000 1000 v 水的動粘度系數(shù)(m2/s)0.000001006 0.000001006△Pc 單位縱向(g/m2) 530.15 530.22△Pb 單位橫向(kg/m2) 696.48 713.21△P 壓損值(kg/m2) 16522.07 16688.56千帕壓損值(kPa)165.22 166.89

從表2可以看出，結(jié)構(gòu)變更后的蒸發(fā)器的壓損值只比變更前的蒸發(fā)器的壓損值小了1%，可以忽略不計。所以，滿足壓損的條件。

1.3 蒸發(fā)器設(shè)計方面的注意事項

1)各列數(shù)的冷水流速要平均化。

2)水平方向的冷水流速要接近垂直方向冷水流速。

3)在折流板中、孔和管外徑之間有間隙，在初期通水時會從間隙有泄漏，因此最初測量值會低于設(shè)計值。

2 蒸發(fā)器銅管成本比較

2012年國際市場的有色金屬價格隨著金價不停地浮動，上漲了不少，銅價更是首當(dāng)其沖，所以減低蒸發(fā)器的成本，銅管成本的減低是關(guān)鍵。

表3 蒸發(fā)器材料變更費用統(tǒng)計

以下以銅價為60元/kg為核算單價進(jìn)行蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)變更前后銅管材料成本的統(tǒng)計，結(jié)果見表3。

從表3可以看出，銅管直徑變更后直接的銅管購買成本，一臺蒸發(fā)器就可節(jié)約4832元人民幣。

3 加工方法的說明

蒸發(fā)器的構(gòu)造變更只對里面的銅管直徑、根數(shù)、折流板進(jìn)行變更，外部結(jié)構(gòu)不做變更，所以只有擴(kuò)管這道工序和折流板的沖壓需要改變工裝和工藝，通過新舊工裝和新舊工藝的成本對比，對現(xiàn)場生產(chǎn)影響不大。

4 壓損的理論計算與實際測量的說明

雖說將殼體中央部的管列作為代表的垂直部流速來確定，但這個列的流速和其他列的流速中有很大的差異時，計算值和測量值會不一致。

在設(shè)計時要注意:

1)要按各列的冷水流速平均化進(jìn)行布管。

2)如果根據(jù)殼體內(nèi)徑和管配列無法進(jìn)行冷水流速平均化時，要將多列的平均速度作為流速。

該標(biāo)準(zhǔn)中的計算公式的是水平方向Gb，和垂直方向Gc相互干涉的公式，因此垂直方向流速和水平方向流速差異很大時，計算值和測量值是不一致的。

在設(shè)計時要注意:

1)要減少水平內(nèi)的管的根數(shù)。

2)在和殼體內(nèi)徑的關(guān)系方面，水平內(nèi)的管根數(shù)不能再減少時，要將水平面的折流板剖面尺寸小一列。

折流板孔徑和管外徑?jīng)]有間隙，在初期通水時不考慮出現(xiàn)從間隙有冷水旁通的情況。因此初期通水時，因為從此間隙漏出的冷水部分使實測值低于計算值。

圖2 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)圖示

(4)具體的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)圖示見圖2［采用φ12.7銅管的360kW(150匹)蒸發(fā)器］。從圖中蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和折流板的形狀，可以看出關(guān)于壓損的理論計算與實際測量的說明的重要性。

5 機(jī)組變更結(jié)構(gòu)前后的性能對比

5.1 機(jī)組實際壓損的測量驗證

對670kW(280匹)水冷機(jī)組原來的蒸發(fā)器(采用φ12.7mm銅管)和已經(jīng)變更結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器(采用φ9.52mm)進(jìn)行實際的壓損測量，變更前后壓損等參數(shù)的計算值和實測值比較見表4。

實測壓損差值為147－142=5(kPa)。

從表4可以看出，變更后與變更前的實測壓損相差5kPa，差值為變更前的5%，基本可以確認(rèn)滿足設(shè)計要求。

實際測量時需要注意的事項:

1)在通水時管表面會結(jié)垢以及折流板孔部也會有結(jié)垢和生銹，隨著時間的推移，最后這個間隙會消失。因此對于水側(cè)壓損的測量要反復(fù)測量直到因時間的推移其值不上升為止。

2)管外徑和折流板孔的間隙要想在短時間內(nèi)填滿，其中一個方法就是在一系列的試驗期間內(nèi)當(dāng)試驗中斷時，抽掉水冷卻器內(nèi)的水，讓其接觸空氣，這樣其進(jìn)展就會加快。

表4 蒸發(fā)器變更銅管前后壓損等參數(shù)的計算值和實測值比較

5.2 機(jī)組性能試驗的測量驗證

將變更前和變更后的蒸發(fā)器組裝到670kW(280匹)水冷機(jī)組上 (壓縮機(jī)、冷凝器及其他部件不變)，進(jìn)行性能試驗，結(jié)果見表5。

表5 蒸發(fā)器變更銅管前后的機(jī)組性能試驗結(jié)果

從表5可看到，水冷機(jī)組蒸發(fā)器由采用φ12.7mm銅管變更為采用φ9.52銅管后，消耗總電功率、制冷量、能效比等性能參數(shù)基本不變。

6 結(jié)論

水冷機(jī)組蒸發(fā)器改變結(jié)構(gòu)，變更銅管直徑，通過理論計算和實際測試的結(jié)果來看都是可實現(xiàn)的，也就是說，通過縮小蒸發(fā)器銅管管徑來降低成本，從而實現(xiàn)水冷機(jī)組的成本降減是完全可行的。

［1]李軍.蒸發(fā)式冷凝器的應(yīng)用分析［J］.制冷與空調(diào)，2009，(6):33－35

［2]李紹濟(jì)，舒海靜.蒸發(fā)式冷凝器與螺桿式制冷壓縮機(jī)的組合應(yīng)用［J］.制冷與空調(diào)，2009，(6):30－32

(1)高屹峰.小管徑內(nèi)螺紋管換熱器在家用空調(diào)中的應(yīng)用分析與優(yōu)化 ［R］.中國銅加工技術(shù)與應(yīng)用論文集，2008