熱虹吸油冷卻系統(tǒng)的性能分析和實驗驗證

江文彬, 江 斌, 張 銳, 張文成, 胡遠洋

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009;2.合肥安信瑞德精密制造有限公司,安徽 合肥 230061)

螺桿壓縮機運行過程中潤滑油溫度升高,過高的潤滑油溫度會造成潤滑油性能指標(biāo)衰減,潤滑作用減弱、密封性降低、冷卻效果不良,嚴(yán)重時會造成壓縮機過度磨損、工作壽命縮短或壓縮機損壞,因此必須對壓縮機排出的潤滑油進行冷卻,保持最佳的壓縮機供油溫度,這對提高制冷系統(tǒng)的可靠性和工作效率十分重要。相較于其他油冷卻方式,熱虹吸油冷卻系統(tǒng)因其可靠性、靈活性且無需驅(qū)動泵等特性而最適合應(yīng)用到螺桿制冷機組上。

熱虹吸油冷卻循環(huán)的原理與分離式熱管一致,參考國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于分離式熱管的研究對熱虹吸油冷卻系統(tǒng)進行相關(guān)分析。文獻[1]實驗研究了分離式熱管在不同高度差下的傳熱性能,冷凝器和蒸發(fā)器的高度差為1 m的分離式熱管比高度差為0.8 m的分離式熱管的傳熱能力高9.57%;文獻[2]的研究發(fā)現(xiàn)，隨著連接管長度的增加,循環(huán)阻力的增大使得制冷劑質(zhì)量流量減小,從而導(dǎo)致分離式熱管的制冷量下降,但蒸發(fā)器出口制冷劑的干度隨之增大;文獻[3]研究了上升管管徑對系統(tǒng)性能的影響,分離式熱管的換熱速率隨上升管直徑的增大而略有增加;文獻[4]研究了蒸發(fā)段通道管徑對系統(tǒng)流動穩(wěn)定性和蒸發(fā)段換熱系數(shù)的影響,結(jié)果表明,隨著通道管徑增加,流動穩(wěn)定性增強,蒸發(fā)段換熱系數(shù)隨著管徑和熱流密度的增大而增加;文獻[5]實驗對比了分別采用翅片管換熱器和微通道換熱器的分離式熱管,發(fā)現(xiàn)采用微通道換熱器系統(tǒng)工質(zhì)的充注量降低了51.9%,系統(tǒng)能效比(energy efficiency ratio,EER)提高了2.8%;文獻[6]的實驗結(jié)果表明，微通道分離式熱管制冷劑的最佳充液率范圍為88%～101%;文獻[7]研究發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中氨工質(zhì)的循環(huán)倍率為8.7,遠遠超出設(shè)計值,且兩相管的重力壓降是循環(huán)阻力的主要因素,占到1/2以上;文獻[8]發(fā)現(xiàn)油冷卻器采用順流方式,增大液位高度、降液管內(nèi)徑、回氣管內(nèi)徑均能降低熱阻,增大熱虹吸油冷卻系統(tǒng)的換熱量。

我國有很多的旅游景點，且還在陸續(xù)不斷地開發(fā)新的旅游資源。對于歷史悠久，較為著名的景點，我們?yōu)槠涔倬W(wǎng)建立虛擬旅游平臺；對于新開發(fā)的景區(qū)，利用公司網(wǎng)站以及3D虛擬景區(qū)免費試游等方式對其進行宣傳。隨著數(shù)字信息化的發(fā)展，越來越多的旅游網(wǎng)站會建立虛擬旅游，這種新型營銷形式會有一種雙贏的局面，在企業(yè)發(fā)展初期，景區(qū)會是我們的主要市場。

目前關(guān)于熱虹吸油冷卻循環(huán)的理論分析和實驗研究較少,本文將建立熱虹吸油冷卻系統(tǒng)的理論模型,分析結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)對其換熱性能的影響,并進行實驗驗證,為熱虹吸油冷卻系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化提供參考。

1 理論模型

1.1 系統(tǒng)介紹

熱虹吸油冷卻系統(tǒng)示意圖如圖1所示,熱虹吸油冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1所列。壓縮機排出的油氣混合物進入油分離器分離,分離后的高溫制冷劑進入冷凝器冷凝。冷凝器出口的液態(tài)制冷劑和油冷卻器返回的飽和制冷劑在熱虹吸罐內(nèi)混合,混合后的制冷劑分為2路：一路進入儲液器,往蒸發(fā)器供液;另一路制冷劑則進入油冷卻器內(nèi)吸熱部分蒸發(fā),然后經(jīng)過兩相管回到熱虹吸罐并分離,分離后的制冷劑氣體通過回氣管進入冷凝器前氣體管道,然后進入冷凝器冷凝。經(jīng)油分離器分離出的潤滑油進入油冷卻器冷卻,冷卻后的潤滑油回到壓縮機。熱虹吸油冷卻系統(tǒng)基于采用R404A制冷劑的制冷系統(tǒng)進行分析。

表1 熱虹吸油冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 模型建立

2.1.2 下降管管徑的影響

對于熱虹吸油冷卻系統(tǒng),下降管內(nèi)液柱的靜壓頭與各部件的壓降平衡,整個循環(huán)的壓力變化為0,即

∮dp=0

(1)

單向流壓降按單向流壓降公式計算,兩相流摩擦壓降計算公式為:

(2)

從圖4b可以看出，當(dāng)管徑小于15mm,潤滑油出口溫度大于6 ℃,此時壓縮機會因油溫過高而停機;當(dāng)管徑大于30 mm,潤滑油出口溫度保持不變,因此下降管管徑控制在15～30 mm較為合適,且在3 mm時,油冷卻系統(tǒng)性能最佳。

兩相流的重力壓降計算公式為:

在申遺后時代背景下，花山巖畫的對外譯介無疑已經(jīng)成為其從民族非物質(zhì)文化遺產(chǎn)走向世界非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的必經(jīng)之路。欲在花山巖畫的對外譯介中取得良好的效果，就必須認(rèn)識到其中的重要性和必要性，并在對外譯介工作中上有所開拓和創(chuàng)新，整合已有的各種資源，通力合作，借助現(xiàn)代科技和藝術(shù)表演形式，并與新媒體充分互動合作，以對外譯介的最終目的為中心，根據(jù)不同的譯介媒體和模態(tài)選擇不同的譯介策略，建立起系統(tǒng)性的多方位對外譯介體系，即多媒體多模態(tài)的對外譯介體系，不斷拓展花山巖畫的價值空間，提高其在國際上的知名度，使其成為名副其實的世界非物質(zhì)文化遺產(chǎn)。

ΔPg,tp=ρgh

(3)

ρ=αρg+(1-α)ρl

(4)

(5)

其中:α為截面含氣率;x為制冷劑干度;ρ為制冷劑密度;u為運動黏度;g為重力加速度;h為高度差。

有時，我會在一個地方待上一整天，而不進行任何拍攝，只是傾聽和記錄故事。這種時候，我的工作已經(jīng)超越了單一的攝影。

評價主要以過程性評價和總結(jié)性評價為主，包括教師評價、學(xué)生互評和自評[23]。教師評價就是教師對全體學(xué)生課上表現(xiàn)進行評價，評估學(xué)生的問題解決能力、創(chuàng)新能力、參與度。具體可采用記錄過程表、隨堂測驗等方式。學(xué)生互評包括小組成員內(nèi)部評價和組間評價。學(xué)生根據(jù)實際情況填寫小組成員參與度評價表及對其他小組作品的評價表。自評主要是學(xué)生對自己在課程學(xué)習(xí)中的表現(xiàn)進行反思，正確認(rèn)識自己，在反思中尋求進步。

油冷卻器內(nèi)制冷劑側(cè)的壓降主要包括重力壓降、加速壓降、摩擦壓降3個部分,具體計算公式[9]如下:

ΔPe=ΔPelve+ΔPacce+ΔPfric

(6)

(7)

ΔPacce=G2(xo-xi)(1/ρg-1/ρl)

(8)

(9)

計算流程如圖2所示。

使用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，計量數(shù)據(jù)使用表示。組間差異比較采用單因素方差分析，兩兩比較方差齊時采用LSD檢驗法，方差不齊時采用Dunnett’s T3進行兩兩比較。

1.2.2 換熱模型

假定制冷劑只在油冷卻器內(nèi)換熱,在連接管內(nèi)不進行換熱,油冷卻器制冷劑側(cè)換熱系數(shù)計算公式[10]為:

Nutp=982β1.101We0.315Bo0.320ρ-0.224

(10)

其中:Nutp為流體努塞爾數(shù);β為油冷卻器V型角度;We為韋伯?dāng)?shù);Bo為沸騰數(shù)。

1.3 計算流程

其中:ΔPe為油冷卻器內(nèi)制冷劑側(cè)的壓降;ΔPelve為重力壓降;ΔPacce為加速壓降;ΔPfric為摩擦壓降;G為制冷劑質(zhì)量流速;ftp為摩擦因子;Lp為油冷卻器端口高度差;dh為油冷卻器當(dāng)量直徑。

圖2 計算流程

模型的輸入?yún)?shù)包括系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和進口參數(shù);假設(shè)參數(shù)為冷凝回路質(zhì)量流量qmc、熱虹吸罐內(nèi)制冷劑溫度Ttt、冷卻回路制冷劑質(zhì)量流量qmo。根據(jù)動量守恒、能量守恒、質(zhì)量守恒對這些參數(shù)進行迭代求解,且壓力、焓值、質(zhì)量流量的收斂誤差為0.1 kPa、0.1 kJ/kg、0.001 kg/s。輸出參數(shù)為冷卻回路的制冷劑質(zhì)量流量、油冷卻系統(tǒng)的換熱量以及潤滑油出口溫度。

2 性能分析

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

基于建立的理論模型,針對結(jié)構(gòu)參數(shù)對熱虹吸油冷卻系統(tǒng)換熱性能的影響,采用固定變量法來進行分析,主要分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下系統(tǒng)的制冷劑質(zhì)量流量、換熱量、潤滑油出口溫度的變化。

在出租車上，思雨還想再同田詩研究一下回家之后的一些細(xì)節(jié)問題。可田詩根本就沒給他機會。田詩就發(fā)生在姐夫身上的長發(fā)絲事件，結(jié)合當(dāng)前的現(xiàn)實社會和成功男人等社會問題，展開了深入細(xì)致的剖析。實際上也是變相地給思雨敲敲警鐘上上課。雖然大家目前還沒有發(fā)現(xiàn)杜思雨有什么問題，但田詩想的是應(yīng)該讓姐夫思雨的壞思想萌芽胎死腹中，對他要警鐘長鳴。

對于扦插繁殖，采用一定生長激素處理插穗能夠輔助其生根發(fā)芽。生根粉能通過強化、調(diào)控植物內(nèi)源激素的含量和重要酶的活性，促進生物大分子的合成，誘導(dǎo)植物不定根或不定芽的形成，調(diào)節(jié)植物代謝強度等作用。IAA(吲哚-3-乙酸)是一種植物體內(nèi)普遍存在的內(nèi)源生長素，其基本作用在于不僅能促進生長，還具有抑制生長和器官建成的作用。NAA(萘乙酸)具有促進細(xì)胞分裂與擴大，誘導(dǎo)形成不定根，增加坐果，防止落果，改變雌、雄花比率等作用。研究表明，生根粉處理的小花清風(fēng)藤扦插繁殖成活率較高，其中，以生根粉150 mg/L的成活率最高，可作為小花清風(fēng)藤扦插生產(chǎn)過程中插穗處理的生長激素。

2.1.1 液位高度差的影響

實驗測量的參數(shù)主要包括冷凝器出口制冷劑溫度和壓力、油冷卻器進口制冷劑溫度和壓力、油冷卻器出口制冷劑溫度和壓力、油冷卻器進口潤滑油溫度、油冷卻器出口潤滑油溫度、制冷劑質(zhì)量流量、潤滑油流量。熱虹吸油冷卻系統(tǒng)的換熱量計算公式為:

液位高度差(熱虹吸罐液位與油冷卻器制冷劑進口的高度差)對熱虹吸油冷卻系統(tǒng)換熱性能的影響如圖3所示。

圖3 液位高度差的影響

從圖3a可以看出，高度差從1 m增加到5 m,換熱量從26.4 kW增長至37.0 kW,增長了40%,這主要是由于系統(tǒng)循環(huán)驅(qū)動力會隨著高度差的增大而增大,使得制冷劑質(zhì)量流量和換熱量也隨之增大。一方面,油冷卻器進口的制冷劑帶有一定的過冷度,質(zhì)量流量的增大會導(dǎo)致過冷換熱區(qū)域增大,兩相換熱區(qū)域減小;另一方面,制冷劑在油冷卻器內(nèi)的蒸發(fā)溫度隨著高度差的增加而升高,削弱了制冷劑和潤滑油的換熱。因此當(dāng)高度差大于5 m,雖然制冷劑質(zhì)量流量還有較大的增長,但換熱量的變化卻趨于平緩。

從圖3b可以看出，高度差為3～5 m時,油冷卻器潤滑油出口的溫度保持在55～60 ℃,該溫度范圍能保證螺桿制冷機組的穩(wěn)定運行。

1.2.1 壓降模型

一般存在于項目前期階段不完整，施工中形成的更多的矛盾，使施工方疲于應(yīng)付各種局部的矛盾，削弱了能源管理的質(zhì)量。還有就是負(fù)責(zé)人考慮到自己利益或者別的因素而對設(shè)計和監(jiān)管工作進行過多的干擾，也會對工程的進展以及質(zhì)量產(chǎn)生一些影響。

下降管管徑(熱虹吸罐至油冷卻器的連接管管徑)對熱虹吸油冷卻系統(tǒng)換熱性能的影響如圖4所示。

圖4 下降管管徑的影響

從圖4a可以看出，當(dāng)下降管管徑從15 mm增大至30 mm,制冷劑質(zhì)量流量增長了71.4%,系統(tǒng)換熱量從27.5 kW增長到34.6 kW,增長了25.8%。這是由于隨著管徑增大,下降管內(nèi)液柱提供的靜壓頭與各部件的壓降平衡被破壞,為了消除壓差,制冷劑質(zhì)量流量增大,使得換熱量也隨之增大;而當(dāng)管徑大于30 mm,雖然制冷劑的質(zhì)量流量有微小的增長,但制冷劑質(zhì)量流量的增大會使得油冷卻器內(nèi)過冷換熱面積增大,兩相換熱面積減小,因此換熱量保持不變。

2.1.3 兩相管管徑的影響

按照正交表L25(56)進行熱虹吸油冷卻系統(tǒng)換熱量的模擬計算,計算結(jié)果見表3所列,模擬計算的分析結(jié)果見表4所列。從表4可以看出，熱虹吸油冷卻系統(tǒng)的換熱量在26.28～36.7 kW內(nèi)變化,其中冷凝溫度起的作用占68.5%,潤滑油進口溫度起的作用占24.2%,而潤滑油的流量起的作用僅占7.0%。

圖5 兩相管管徑的影響

兩相管管徑的增大降低了管內(nèi)制冷劑的摩擦壓降,下降管內(nèi)液柱提供的靜壓頭與各部件壓降的平衡被打破,為了平衡壓差,制冷劑質(zhì)量流量增大,促進了油冷卻器的熱量傳輸,換熱量也隨之增大。從圖5a可以看出，當(dāng)兩相管管徑從20 mm增大至45 mm,制冷劑質(zhì)量流量增長了85.8%,系統(tǒng)換熱量從32.1 kW增長到38.7 kW,增長了20%。由于油冷卻器內(nèi)容積和換熱面積有限,當(dāng)兩相管管徑大于45 mm,制冷劑的質(zhì)量流量和換熱量均保持不變。從圖5b可以看出，當(dāng)兩相管管徑在20～50 mm的范圍內(nèi)變化時,潤滑油出口溫度始終低于60 ℃,說明在該范圍內(nèi)壓縮機始終能保持穩(wěn)定運行,且兩相管管徑為45 mm時,熱虹吸油冷卻系統(tǒng)的性能最佳。

2.2 運行參數(shù)的影響

基于建立的理論模型,采用正交分析法來分析不同運行參數(shù)對熱虹吸油冷卻系統(tǒng)換熱量的影響。運行參數(shù)包括螺桿制冷機組的冷凝溫度、潤滑油的流量、潤滑油的進口溫度(油分后),每個影響因素的水平數(shù)為5,具體取值見表2所列。

表2 因素和水平數(shù)

兩相管管徑(油冷卻器至熱虹吸罐的連接管管徑)對熱虹吸油冷卻系統(tǒng)換熱性能的影響如圖5所示。

熱虹吸油冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變,制冷劑在油冷卻器內(nèi)的蒸發(fā)溫度僅受冷凝溫度影響。油冷卻器的換熱面積一定時,換熱量由潤滑油與制冷劑的換熱溫差、制冷劑質(zhì)量流量、潤滑油的質(zhì)量流量共同決定,且溫差對換熱量的影響最大。冷凝溫度和潤滑油進口溫度的改變會同時影響換熱溫差和制冷劑質(zhì)量流量,因此冷凝溫度和潤滑油進口溫度是引起換熱量變化的主要因素;而潤滑油進口溫度的變化僅會影響制冷劑的質(zhì)量流量,因此潤滑油流量是引起換熱量變化的次要因素。

我們先后在浙江天目山、大盤山、臺州大神仙居、溫州雁蕩山、溫州烏巖嶺、溫州龍灣潭、天臺山、嵊泗列島和臺灣宜蘭縣、南投縣、新北市等地，采集到缺齒蓑蘚11個地理居群(圖1)的106份樣本。11個居群的地理信息詳見表1。從每個地理居群中隨機選取位于4～9個不同樹干上的蘚叢，各樹間的距離在50 m以上，以避免重復(fù)取樣。將各蘚叢中分出的枝條作為不同個體，放入裝有變色硅膠的封口袋中，帶回實驗室冷凍保存、備用。憑證標(biāo)本保存于上海師范大學(xué)標(biāo)本館(SHNU)。

表3 正交分析方法的模擬計算結(jié)果

表4 模擬計算結(jié)果的方差分析

3 實驗及驗證

熱虹吸油冷卻系統(tǒng)的實驗臺如圖6所示,實驗工況見表5所列。

以往的文獻，對船舶作業(yè)的風(fēng)險進行很有成效的量化研究。文獻[1]通過對新加坡海峽交通實態(tài)進行調(diào)查的基礎(chǔ)上，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析方法，在確定組合權(quán)重的基礎(chǔ)上，獲得與實際情況相一致的不同航段的交通環(huán)境風(fēng)險排序。文獻[2]結(jié)合廣州港水域船舶航行安全的實際情況，確定可能導(dǎo)致事故的高風(fēng)險區(qū)，明確解決航行安全問題。文獻[3]從人、船舶和環(huán)境分析大型散貨船夜間進出天津港的風(fēng)險，提出安全保障措施及建議。但這些研究僅突出分析船舶作業(yè)的總體風(fēng)險，不能表現(xiàn)船舶作業(yè)過程的風(fēng)險變化。

Q=VoCoDo(Tino-Touto)

(11)

其中:Q為換熱量;Vo為潤滑油流量，單位m3/s;Co為潤滑油比熱,單位kJ/(kg·℃);Do為潤滑油密度,單位kg/m3;Tino為潤滑油進口溫度;Touto為潤滑油出口溫度。

1.壓縮機 2.油分離器 3.冷凝器 4.熱虹吸罐 5.儲液器 6.流量計 7.油冷卻器 8.油混合閥 9.膨脹閥10.蒸發(fā)器 11.氣液分離器圖6 實驗系統(tǒng)示意圖

表5 實驗工況

系統(tǒng)模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的相對誤差如圖7所示。

由圖7可知，制冷劑質(zhì)量流量的相對誤差小于7%,換熱量的相對誤差小于5%,說明使用該數(shù)值理論模型來研究結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)對熱虹吸油冷卻系統(tǒng)性能的影響是合理的。

圖7 模擬值和實驗值的相對誤差

在5種實驗工況下,壓縮機的排氣溫度均為8 ℃,這是因為一旦螺桿壓縮機的排氣溫度超過8 ℃,潤滑油流量會增大,從而將排氣溫度降低至8 ℃,所以不考慮通過實驗來驗證潤滑油進口溫度對換熱量的影響。

鞣酸與蛋白質(zhì)結(jié)合成具有收斂作用的鞣酸蛋白質(zhì)，使腸蠕動減慢，從而延長糞便在腸道內(nèi)停留的時間。不但易造成便秘，而且還增加了有毒物質(zhì)和致癌物質(zhì)被人體吸收的可能性，所以餐后不可立即飲茶，特別不要立即喝濃茶。

實驗測得的換熱量和制冷劑質(zhì)量流量如圖8所示。從圖8可以看出,雖然工況1的制冷劑質(zhì)量流量不是最大的,但換熱量最大,這是因為該工況下冷凝溫度最低,使得油冷卻器內(nèi)制冷劑的蒸發(fā)溫度也最低,制冷劑與潤滑油的換熱溫差最大,所以換熱量最高。分別對比工況2與工況3、工況4與工況5發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冷凝溫度相同時,油冷卻系統(tǒng)的換熱量取決于潤滑油流量,潤滑油流量越大,制冷劑質(zhì)量流量越大,因此換熱量也越大。

圖8 5種工況實驗值

4 結(jié) 論

本文對螺桿制冷機組的熱虹吸油冷卻系統(tǒng)傳熱和流動的理論和實驗進行研究，得出如下結(jié)論:

(1) 循環(huán)驅(qū)動力會隨著高度差的增大而增大,使得制冷劑質(zhì)量流量和換熱量也隨之增大。液位高度差從1 m增大至5 m,換熱量增長了40.0%。

(2) 系統(tǒng)循環(huán)阻力隨著下降管和兩相管管徑的增大而下降,使得制冷劑質(zhì)量流量增大,換熱量也隨之增大。隨著下降管和兩相管的管徑增大,換熱量分別增長了25.8%、20.0%。

(3) 冷凝溫度、潤滑油進口溫度、潤滑油流量對換熱量的貢獻率分別為68.5%、24.2%、7.0%,因此冷凝溫度和潤滑油進口溫度是引起換熱量變化的主要因素,潤滑油流量是引起換熱量變化的次要因素。