玻璃纖維行業(yè)制冷機(jī)能效提升研究

何壽喜，吳宇明，李少華，宋長(zhǎng)宇，沈檑瑤，童俊達(dá)，曹建強(qiáng)

（巨石集團(tuán)有限公司，桐鄉(xiāng) 314500）

0 前言

玻璃纖維是一種性能優(yōu)越的無(wú)機(jī)非金屬材料，英文名稱(chēng)為glass fiber，主要成分二氧化硅、氧化鈣、氧化鎂、氧化鋁、氧化硼等，玻璃纖維單絲直徑從幾微米到二十幾微米，每束纖維原絲都由上百根甚至上千根單絲組成，通常作為復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料，被廣泛應(yīng)用于航空航天、能源、建筑、電力等領(lǐng)域［1］。玻璃纖維生產(chǎn)對(duì)環(huán)境溫濕度要求比較高，通常采用制冷空調(diào)來(lái)保證生產(chǎn)工藝恒溫恒濕，而制冷空調(diào)對(duì)能源消耗較大。針對(duì)制冷機(jī)運(yùn)行消耗大量電能，需提升制冷機(jī)運(yùn)行能效，降低運(yùn)行成本等情況，探索一種節(jié)能運(yùn)行方法，并把這種方法運(yùn)用于制冷系統(tǒng)日常運(yùn)行管理控制，進(jìn)一步降低生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本［2］。本文提出一種提高制冷機(jī)運(yùn)行能效方法，并采用理論指導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)研究2種方法做具體分析。制冷系統(tǒng)包含制冷機(jī)及制冷配套設(shè)施，制冷機(jī)主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流裝置組成，其中蒸發(fā)器與冷凝器在制冷系統(tǒng)中作為冷熱交換設(shè)備，這2個(gè)交換設(shè)備的冷熱交換效率直接關(guān)系到制冷機(jī)的運(yùn)行效率。有針對(duì)性地對(duì)制冷機(jī)冷熱交換性能進(jìn)行分析研究并進(jìn)行有效控制，使其發(fā)揮最佳效能，從而確保整個(gè)制冷系統(tǒng)的節(jié)能高效運(yùn)行［3］。

1 換熱的理論分析

1.1 制冷原理

玻璃纖維生產(chǎn)需要空調(diào)控制一定的溫濕度［4］，從而確保產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)工藝性空調(diào)由大功率制冷機(jī)供冷。其中，制冷的四大部件為壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流器、蒸發(fā)器。蒸發(fā)器是制冷的核心部位，來(lái)自生產(chǎn)車(chē)間空調(diào)換熱后的高溫水在制冷機(jī)蒸發(fā)器換熱銅管內(nèi)與管外的低溫制冷劑進(jìn)行冷熱交換，蒸發(fā)器管內(nèi)的高溫水溫度降低，供應(yīng)車(chē)間空調(diào)制冷，蒸發(fā)器管外的制冷劑被管內(nèi)高溫水加熱后溫度升高汽化被制冷壓縮機(jī)吸入，完成一個(gè)制冷循環(huán)。圖1是制冷原理圖［5］。

圖1 制冷原理圖

1.2 傳熱系數(shù)

根據(jù)流體傳熱學(xué)原理，制冷機(jī)換熱器的傳熱系數(shù)計(jì)算公式為：

式中：

h0——管外流體換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

hi——管內(nèi)流體換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

Rw——管壁導(dǎo)熱熱阻，K/W；

Ri——污垢熱阻［6］，K/W ；

A0——管子外表面積，m2；

Ai——管子內(nèi)表面積，m2。

從計(jì)算公式（1）可以看出，制冷機(jī)換熱器的綜合換熱系數(shù)與管外流體換熱系數(shù)h0、管內(nèi)流體換熱系數(shù)hi等成正比，通過(guò)提高換熱器的管外流體換熱系數(shù)h0、管內(nèi)流體換熱系數(shù)hi等換熱參數(shù)，可提高制冷機(jī)換熱器的綜合換熱系數(shù)。

制冷機(jī)的管外介質(zhì)為制冷劑，管外對(duì)流換熱系數(shù)、管壁傳熱系數(shù)是相同的，換熱性能不同點(diǎn)在于制冷機(jī)管內(nèi)介質(zhì)，即水側(cè)強(qiáng)化換熱。對(duì)于已經(jīng)定型的制冷機(jī)及其配套設(shè)施，主要是從提高管內(nèi)換熱系數(shù)著手，來(lái)提高制冷機(jī)換熱器換熱效率，從而提升制冷機(jī)運(yùn)行能效。

通過(guò)提高制冷機(jī)換熱器管內(nèi)換熱系數(shù)來(lái)提高綜合換熱系數(shù)是目前采用的主要措施。管內(nèi)換熱系數(shù)計(jì)算公式見(jiàn)式（2）：

管內(nèi)換熱系數(shù)：

雷諾數(shù)：

普朗特準(zhǔn)則：

式中：

Cp——水的比熱容，J/（kg·℃）；

u——水的粘度，Pa·s；

λ——水的傳熱系數(shù)，W/㎡·K；

V——水流速度，m/s；

r——蒸發(fā)器銅管半徑，m；

di——蒸發(fā)器銅管內(nèi)徑，m。

從管內(nèi)換熱系數(shù)計(jì)算公式可以看出，制冷機(jī)換熱器管內(nèi)流體換熱系數(shù)hi與雷諾數(shù)Re成正比，通過(guò)提高雷諾數(shù)，可提高制冷機(jī)換熱器的管內(nèi)換熱系數(shù)［7］。

1.3 理論措施

制冷機(jī)蒸發(fā)換熱器是制冷的核心部位，其主要功能是制冷機(jī)吸收空調(diào)負(fù)荷側(cè)熱量，達(dá)到空調(diào)區(qū)域降溫目的。制冷機(jī)蒸發(fā)器換熱方式主要以對(duì)流換熱為主。由傳熱學(xué)可知，流體流過(guò)固體壁面所發(fā)生的熱量傳遞稱(chēng)為對(duì)流換熱，對(duì)流換熱以牛頓冷卻公式為基本計(jì)算式，即

式中：

Q——冷（熱）量，J；

K——傳熱系數(shù)；

F——傳熱面積，m3;

Δt——換熱溫差，℃。

由牛頓冷卻公式可知，當(dāng)確定某一臺(tái)換熱設(shè)備作為測(cè)試研究對(duì)象，制冷主機(jī)已經(jīng)選定，其換熱器的傳熱面積F已經(jīng)確定，唯有傳熱系數(shù)K會(huì)隨著制冷機(jī)的運(yùn)行工況調(diào)整變化而改變。順應(yīng)制冷機(jī)換熱器換熱效率變化規(guī)律，來(lái)調(diào)整制冷機(jī)運(yùn)行工況從而提高傳熱系數(shù)，最終提高制冷機(jī)運(yùn)行能效，降低運(yùn)行成本。本文以提高制冷機(jī)換熱器的傳熱系數(shù)K作為研究目標(biāo)開(kāi)展測(cè)試研究［8］。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 原理

不斷探索與發(fā)掘制冷系統(tǒng)節(jié)能潛能，并從運(yùn)行策略及精細(xì)化管控上找創(chuàng)新亮點(diǎn)。在一年氣溫最高的7、8月份，對(duì)玻璃纖維生產(chǎn)基地某個(gè)制冷站的離心式制冷機(jī)運(yùn)行研究分析。通過(guò)對(duì)某臺(tái)制冷機(jī)流量超聲波流量計(jì)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，雖然所有制冷機(jī)在滿負(fù)荷運(yùn)行（大溫差但小流量），每一臺(tái)制冷機(jī)的冷媒水流量均未達(dá)到設(shè)計(jì)流量。從傳熱角度分析，蒸發(fā)器的換熱效率還可以繼續(xù)提升，即通過(guò)提高流經(jīng)制冷機(jī)蒸發(fā)器的冷媒水流量（流速）來(lái)提高蒸發(fā)器管內(nèi)換熱系數(shù)，從而提高蒸發(fā)器的換熱效率，在制冷機(jī)消耗相同電耗換取更多的冷量，最大限度提高制冷機(jī)COP值，從而降低運(yùn)行成本。流體傳熱學(xué)中傳熱系數(shù)K與管內(nèi)換熱系數(shù)hi成正比，管內(nèi)換熱系數(shù)與雷諾數(shù)Re成正比，雷諾數(shù)Re與流體在一定范圍內(nèi)的流量（流速）成正比。

2.2 條件

水流量的專(zhuān)用測(cè)試儀器，超聲波電磁流量計(jì)1臺(tái)，檢測(cè)制冷機(jī)蒸發(fā)器水流量，蒸發(fā)器供水泵自帶施耐德變頻器調(diào)節(jié)水流量，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)制冷機(jī)蒸發(fā)器水流量，蒸發(fā)器水流量的變化由超聲波流量計(jì)檢測(cè)并讀取。制冷機(jī)顯示屏讀取制冷機(jī)輸入功率P及蒸發(fā)器進(jìn)出水溫度t0、t1，通過(guò)傳熱量公式Q=cm（t0-t1），計(jì)算制冷機(jī)能效比COP=Q/P，即制冷量與壓縮機(jī)輸入功率的比值［9］。

2.3 過(guò)程

從表1制冷機(jī)組運(yùn)行能效測(cè)試表明顯看出，隨著蒸發(fā)器水流量的變大，機(jī)組能效COP值也變大，機(jī)組COP的變化，直接體現(xiàn)了制冷機(jī)組運(yùn)行能效，即消耗相同功耗所制取的制冷量越大，制冷機(jī)效率越高。圖1為制冷機(jī)組運(yùn)行能效變化趨勢(shì)［4］。

表1 制冷機(jī)組運(yùn)行能效對(duì)比測(cè)試表

圖1 制冷機(jī)組運(yùn)行能效變化趨勢(shì)圖[2]

2.3.1 速度場(chǎng)分析

深入研究蒸發(fā)器水流量變化對(duì)機(jī)組能效改變的根本原因。由流體力學(xué)與傳熱學(xué)可知，管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱，流體在管內(nèi)的流速對(duì)于介質(zhì)的傳熱影響較大，流速越大，換熱效果越好。圖2為不同流速的流體在管內(nèi)的速度場(chǎng)分布。

圖2 速度場(chǎng)分布

通過(guò)對(duì)制冷機(jī)蒸發(fā)器水流量的測(cè)試，由于液體具有粘性特性，水流量越大則管內(nèi)水流速越大，水流量越小則管壁水流速越小，V2大于V1，流速大的換熱管壁的水流速近似于管中心流速，流速小的換熱管壁的水流速明顯小于管中心流速，換熱不充分。

2.3.2 溫度場(chǎng)分析

流體力學(xué)與傳熱學(xué)中講述的熱邊界層，在對(duì)流換熱條件下，主流與壁面之間存在著溫度差，溫度在壁面的法線方向上發(fā)生變化，溫度變化與速度變化具有相似性，溫度場(chǎng)的變化會(huì)隨著速度場(chǎng)變化而變化，兩者變化趨勢(shì)是相似的。圖3為不同流速的流體在管內(nèi)溫度場(chǎng)分布。［10］

圖3 溫度場(chǎng)分布

通過(guò)對(duì)制冷機(jī)蒸發(fā)器水流量的測(cè)試，由于液體具有粘性特性，水流量越大則管內(nèi)水流速越大，水流量越小則管壁水流速越小，V2大于V1，V2流速狀態(tài)下的溫度場(chǎng)t2分布比t1均勻，主流與壁面溫度差較小，換熱比較充分，反之，則換熱不充分。

3 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試，作為制冷機(jī)換熱的核心部位——蒸發(fā)器換熱直接關(guān)系到制冷機(jī)的運(yùn)行能效，運(yùn)行能效的高低是考量一臺(tái)制冷機(jī)組是否處于高效運(yùn)行的重要指標(biāo)，制冷機(jī)高效運(yùn)行是節(jié)能的重要因素。通過(guò)實(shí)際測(cè)試分析，提高蒸發(fā)器流體（水）流量即提高蒸發(fā)器管內(nèi)流體（水）流速，可以使管內(nèi)流體的溫度場(chǎng)（主流與壁面）之間的分布更加均勻，使得制冷機(jī)換熱核心部位——蒸發(fā)器管內(nèi)（水）外（制冷劑）之間進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱更加充分，制冷機(jī)運(yùn)行能效提升，制冷系統(tǒng)運(yùn)行成本下降。