制冷劑管路合并位置對冷凝器換熱性能影響

劉陽荷 周亞素 趙敬德 李后明

1 東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

2 上海濕騰電器有限公司

0 引言

風(fēng)冷式翅片管冷凝器在空調(diào)制冷等領(lǐng)域中廣泛被應(yīng)用，冷凝器換熱性能的優(yōu)劣對空調(diào)整體性能影響較大，綜上所述，制冷系統(tǒng)的性能、能耗的研究是空調(diào)制冷行業(yè)關(guān)注的重要課題。

當(dāng)換熱面積相等時，不同結(jié)構(gòu)的冷凝器換熱效果也不盡相同。重力作用[1]、順逆流布置[2-3]、流路數(shù)分配[4-5]、管路分合[6-7]等都會對冷凝器的換熱性能產(chǎn)生影響。優(yōu)化管路流程布置時，應(yīng)綜合考慮各因素，取得較高的換熱量，使綜合效果達(dá)到最佳[8-10]。

之前的研究雖然對比了不同結(jié)構(gòu)冷凝器的性能，提出了對管路進(jìn)行合并的建議，但并沒有給出管路合并位置的一般結(jié)論。本文通過實(shí)驗(yàn)對比了制冷劑管路合并與否對冷凝器換熱性能的影響，并利用coil-designer 軟件對在不同位置合并制冷劑管路的冷凝器進(jìn)行模擬計算。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

對換熱面積相同的兩種翅片管式風(fēng)冷冷凝器進(jìn)行換熱性能測試，對比換熱量與COP，以分析制冷劑管路合并與否對冷凝器換熱性能的影響，實(shí)驗(yàn)在焓差實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

被測系統(tǒng)的室外機(jī)和室內(nèi)機(jī)分別放置與焓差實(shí)驗(yàn)室的室外側(cè)間和室內(nèi)側(cè)間，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

室內(nèi)側(cè)間和室外側(cè)間均安裝有空調(diào)調(diào)節(jié)機(jī)組、加熱器、加濕器等設(shè)備，能夠有效控制室內(nèi)室外環(huán)境。室內(nèi)模擬環(huán)境間控制精度為：干球溫度0～50 ℃±0.2 ℃，室內(nèi)側(cè)相對濕度30%～95%，控制精度±0.2 ℃。室外模擬環(huán)境間控制精度為：干球溫度-15～50 ℃±0.2 ℃。制冷量量程為6～40 kW，冷暖能力測試精度≤1%，風(fēng)量600～6000 m3/h。

實(shí)驗(yàn)測試條件：工質(zhì)R22，空氣進(jìn)口干球溫度：35～37 ℃，空氣進(jìn)口濕球溫度24 ℃，大氣壓力101325 Pa。冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

表1 冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)測量裝置

實(shí)驗(yàn)測量裝置的選用以及精度如表2 所示。

表2 測量裝置及精度

2 制冷劑管路合并對冷凝器換熱性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

利用實(shí)驗(yàn)對兩種結(jié)構(gòu)冷凝器進(jìn)行性能研究，兩種結(jié)構(gòu)冷凝器如圖2 所示，結(jié)構(gòu)1 為不合并管路結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)2 為在管路9 合并管路的結(jié)構(gòu)。

圖2 冷凝器結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)測試不同室外溫度下兩種結(jié)構(gòu)冷凝器換熱量區(qū)別如圖3 所示，隨著室外溫度升高，兩種結(jié)構(gòu)冷凝器的換熱量均下降，室外溫度上升1 ℃，換熱量平均下降220.4 W?？芍?，制冷系統(tǒng)隨著室外環(huán)境溫度升高，運(yùn)行變差。在室外溫度分別為35、36、37 ℃時，結(jié)構(gòu)2換熱量分別比結(jié)構(gòu)1 高1021.8 W、1008.0 W、1005.3 W，可見，隨著室外溫度升高，兩種結(jié)構(gòu)冷凝器在換熱量上的差異逐漸減小。在不同室外溫度下，結(jié)構(gòu)2 換熱量均高于結(jié)構(gòu)1 換熱量，可知，對于相同換熱面積的兩種冷凝器，合并制冷劑管路結(jié)構(gòu)的換熱量高于未合并制冷劑管路結(jié)構(gòu)的換熱量。

圖3 不同結(jié)構(gòu)冷凝器換熱量區(qū)別

兩種結(jié)構(gòu)冷凝器COP 區(qū)別如圖4 所示，隨著室外溫度升高，兩種結(jié)構(gòu)冷凝器的COP 均下降。因?yàn)槭彝鉁囟壬吆?，冷凝溫度上升，?dǎo)致壓縮機(jī)吸排氣溫度上升，壓縮機(jī)運(yùn)行變差，從而影響COP。在不同室外溫度下，結(jié)構(gòu)2 冷凝器COP 均高于結(jié)構(gòu)1 冷凝器COP。

圖4 不同結(jié)構(gòu)冷凝器COP 區(qū)別

為了了解兩種結(jié)構(gòu)管路沿程溫度，分別在銅管5、9、13 以及進(jìn)出口布置溫度測點(diǎn)，兩種結(jié)構(gòu)管路沿程溫度變化如圖5 所示。由圖5 可見，結(jié)構(gòu)2 沿程溫度均低于結(jié)構(gòu)1 沿程溫度。

圖5 不同結(jié)構(gòu)管路沿程溫度區(qū)別

結(jié)構(gòu)2 冷凝器的換熱量與COP 均高于結(jié)構(gòu)1 冷凝器，且結(jié)構(gòu)2 的管路沿程溫度均低于結(jié)構(gòu)1 的管路沿程溫度?？梢姡谙嗤r下，結(jié)構(gòu)2 換熱性能優(yōu)于結(jié)構(gòu)1。這主要是因?yàn)樵诶淠鞴苈泛蟀氤蹋评鋭┮后w逐漸增厚，制冷劑流速逐漸下降，換熱效果會變差，在冷凝器管路后半程對管路進(jìn)行合并后，管路截面積減小，制冷劑流速得到提高，制冷劑汽相對液相的擾動提升，從而換熱效果得以提升，所以，對制冷劑管路進(jìn)行合并處理以提高冷凝器換熱性能。

3 制冷劑管路合并位置對冷凝器換熱性能影響的模擬計算

利用coil-designer 軟件對冷凝器結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，先與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了模型可靠性，再對不同位置合并制冷劑管路的冷凝器進(jìn)行模擬，從而分析在不同位置合并制冷劑管路對冷凝器換熱性能的影響。

3.1 模擬結(jié)果驗(yàn)證

利用coil-designer 軟件對結(jié)構(gòu)2 冷凝器在室外溫度35～39 ℃下5 種工況進(jìn)行模擬，以驗(yàn)證模型可靠性。模擬換熱量與實(shí)驗(yàn)測試換熱量對比如圖6 所示，可見，在不同工況下，模擬換熱量和實(shí)測換熱量基本吻合，相對誤差均在10%內(nèi)。

圖6 模擬換熱量與實(shí)驗(yàn)換熱量對比

模擬管路沿程溫度與實(shí)驗(yàn)測試管路沿程溫度如圖7 所示，其中測點(diǎn)1～7 分別位于編號為1、5、9、58、13、62、64 的銅管，模擬管路沿程溫度和實(shí)測管路沿程溫度最大僅相差3.57 ℃，相對誤差均在10%內(nèi)?？梢姡M結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合，模型可靠。

圖7 模擬管路沿程溫度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

3.2 制冷劑管路合并位置對冷凝器換熱性能的影響

利用coil-designer 軟件對實(shí)驗(yàn)測試中的結(jié)構(gòu)2 進(jìn)行進(jìn)一步模擬，在制冷劑管路不同位置進(jìn)行合并，以探究在不同位置合并制冷劑管路對冷凝器換熱性能的影響。

換熱量、壓降隨制冷劑管路合并位置變化如圖8所示，隨著合并位置往下，壓降逐漸降低，合并點(diǎn)10 前壓降下降趨勢較大，合并點(diǎn)10 后壓降下降趨勢逐漸減小，在不同合并位置壓降最大相差31.65 kPa。隨著合并位置往下，換熱量呈“凸”型變化，冷凝器換熱量先增大后減小，在管13 處合并管路換熱量最大，在不同合并位置換熱量最大相差204 W。

圖8 換熱量、壓降隨制冷劑管路合并點(diǎn)變化

由圖9 可見，干度隨合并位置往下基本呈直線下降趨勢，可以從干度、換熱量曲線看出，在管路13 處即干度約為0.2 處合并管路，換熱量最大。綜合考慮換熱量、壓降，在管路12-14 位置，即干度為0.1-0.3 的位置合并管路換熱效果較好。

圖9 換熱量、干度隨制冷劑管路合并點(diǎn)變化

冷凝器換熱主要有分為三個過程：過熱蒸汽狀態(tài)、兩相區(qū)、過冷液態(tài)。對于過熱段，蒸汽與空氣溫差較大，蒸汽流速也較高，換熱效果較好。對于兩相區(qū)，隨著冷凝液不斷增加，凝結(jié)液膜不斷增厚。對于過冷段，由于此時換熱溫差是三個階段中最小的，因此制冷劑流速時影響換熱的主要因素。如果制冷劑流速較低，單位截面積的制冷劑流量就小，換熱效果較差。管路合并的位置如果過于靠前，在相變區(qū)域內(nèi)提高了制冷劑流速，制冷劑換熱不充分，壓降大，換熱效果不好。在制冷劑流速時影響換熱效果的主要因素階段合并管路，即兩相區(qū)向過冷段過渡的區(qū)域，能夠使制冷劑流速加快，從而增強(qiáng)換熱。

3.3 制冷劑管路合并位置的優(yōu)化分析

根據(jù)上述結(jié)論，在管路12、13、14 處進(jìn)行制冷劑管路合并換熱效果較好，于是對這三種結(jié)構(gòu)在不同工況下進(jìn)行進(jìn)一步模擬分析。

由圖10 可見，隨著室外溫度的升高，三種結(jié)構(gòu)的換熱量均呈下降趨勢，溫度越高，下降的幅度越大。在不同室外溫度下，于管14 合并管路的結(jié)構(gòu)換熱量均最低，于管12 合并管路的結(jié)構(gòu)換熱量居中，于管13 合并管路的結(jié)構(gòu)換熱量最大。

圖10 換熱量隨室外溫度變化

于管12、14 合并的換熱量與于管13 合并的換熱量差值如圖11、12 所示，在管12 與13 進(jìn)行合并的結(jié)構(gòu)換熱量相差不大，平均相差11.6 W，在管13 與14進(jìn)行合并的結(jié)構(gòu)平均換熱量相差80.3 W。

圖11 于管12 合并與于管13 合并換熱量差值

圖12 于管14 合并與于管13 合并換熱量差值

三種結(jié)構(gòu)在室外溫度為35 ℃工況下的管路沿程溫度變化如圖13 所示。可見，在管13 合并管路的結(jié)構(gòu)管路沿程溫度低于另外兩種結(jié)構(gòu)。

圖13 三種結(jié)構(gòu)沿程溫度對比

三種結(jié)構(gòu)在不同室外溫度下的壓降如圖14 所示?？梢?，隨著室外溫度的升高，三種結(jié)構(gòu)的壓降都呈上升趨勢，于管12 合并管路的壓降最高，于管13 合并管路居中，于管14 合并管路最低。于管12 合并管路結(jié)構(gòu)壓降比于管13 合并管路結(jié)構(gòu)平均高2.1 kPa，于管13 合并管路結(jié)構(gòu)壓降比于管14 合并管路結(jié)構(gòu)平均高2.0 kPa。

圖14 壓降隨室外溫度變化

對比在管12 與13 進(jìn)行管路合并結(jié)構(gòu)的換熱量與壓降，在管13 進(jìn)行合并的結(jié)構(gòu)換熱量比在管12 進(jìn)行合并的結(jié)構(gòu)換熱量最大僅高20.1 W，且于管12 合并結(jié)構(gòu)的壓降比于管13 合并結(jié)構(gòu)的壓降高。對比在管13 與14 進(jìn)行管路合并結(jié)構(gòu)的換熱量與壓降，在管13 進(jìn)行合并的結(jié)構(gòu)換熱量比在管14 進(jìn)行合并的結(jié)構(gòu)換熱量最大高出116.9 W，但于管13 合并結(jié)構(gòu)的壓降比于管14 合并結(jié)構(gòu)的壓降高。綜合考慮換熱量、壓降，于管13、14 合并管路，即在干度0.1-0.2 位置合并管路，換熱效果較好，過早合并管路壓降過大，過晚合并管路換熱量較小。

4 結(jié)論

1）在制冷劑管路后半程合并管路可以提高制冷劑流速，從而提高換熱能力，合并制冷劑管路結(jié)構(gòu)的換熱量比不合并制冷劑管路結(jié)構(gòu)大1021.8 W，合并制冷劑管路結(jié)構(gòu)的COP 比不合并制冷劑管路結(jié)構(gòu)高0.15，合并制冷劑管路結(jié)構(gòu)性能優(yōu)于不合并制冷劑管路結(jié)構(gòu)。

2）隨著制冷劑管路合并位置向下，換熱量先增大后減小，存在一個最佳值，而壓降都是減小，在不同位置合并制冷劑管路，換熱量最大相差204 W，壓降最大相差31.65 kPa。綜合對比換熱量、沿程溫度、壓降，在管13、14，即干度為0.1～0.2 位置對制冷劑管路進(jìn)行合并換熱效果最好。