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间歇运行对翅片管式蒸发器长效特性的影响点击：2052 日期：[ 2014-04-26 21:40:02 ] |
| 间歇运行对翅片管式蒸发器长效特性的影响 王 涛,浦 晖,丁国良 (上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海200240) 【摘 要】研究了翅片管式蒸发器在空调器长期运行中,由于间歇运行对于其换热和空气侧压降的影响。实验对象为一个铝翅片铜管换热器和一个铜管铜翅片换热器。实验表明,经过多次间歇运行后,蒸发器的换热系数明显下降,空气侧压降有所增大,铜翅片铜管换热器的长效换热特性强于铝翅片铜管换热器,两者的长效压降特性相当。 【关键词】蒸发器 换热 压降 间歇运行 0 前言 翅片管换热器作为蒸发器被广泛应用在空调系统中,其良好的换热和压降特性是保持空调系统高性能的关键。翅片管式蒸发器通常在初始运行阶段能够保持高效性,但在运行一段时间后便会出现制冷制热能力降低和压降增大的现象,即翅片管式蒸发器的长效换热和压降特性衰退。 造成蒸发器长效换热和压降性能衰退的原因包括管内侧和管外侧接触热阻的增大。由于管内制冷剂回路的封闭,管内制冷剂侧的热阻随着运行时间的变化相对来讲比较小,因此可以忽略。管外侧热热阻的变化主要是由于蒸发器长时间处于间歇运行的环境中,翅片与换热管之间的接触热阻在长期运行过程中的逐渐增大,以及翅片表面经过冷凝水腐蚀[1]和翅片表面污垢[2]等因素的变化引起。 本文的目的是采用实验的方法研究间歇运行次数对翅片管式蒸发器换热和压降特性的影响。实验中所用的蒸发器为一个铝翅片铜管换热器和一个铜翅片铜管换热器,因为铝翅片铜管换热器是最常见的蒸发器,而铜翅片铜管蒸发器也有应用。 1 实验方法 1.1 冷热工况确定及间歇运行快速实现方法 在空调器制冷运行时,蒸发器翅片表面温度一般在0~10℃之间,表面有水析出。停机后,蒸发器温度升高到室温,翅片表面水分蒸发变干。为了模拟长期运行特性,需要进行多次的间歇运行,必须减少达到每次间歇运行的时间。本实验中采用的方法,可使每次间歇运行的时间控制在约4min。1)转换到冷工况时,将蒸发器直接放在5℃的冷水浴中,这样可使蒸发器表面迅速全部湿润,翅片温度可控制到(5±0. 5)℃,所需要时间约1min。2)转换到热工况时,将蒸发器放在带有风扇的对流式暖风箱中。这样可使蒸发器表面迅速全干,使蒸发器温度均匀升高到(27±0. 5)℃,所需要时间约3min。 中国标准化研究院和国际铜业协会(ICA)负责的调查显示,中国用户的平均年运行小时总数为842. 9h[3],分布在(19~39)℃环境温度范围内,每年开停机1214. 4次。 本研究中,准备做4800次间歇运行实验,每300次运行后进行一次换热器的性能测试。4800次间歇运行实验,大致可以代表空调器四年的运行情况。由于实际空调器本身的特性不同,所处的运行工况与使用者的习惯不同,达到4800间歇运行的时间会小于四年或者长于四年。 1.2 换热和压降性能测试 蒸发器空气侧特性实验装置示意图如图1所示。 实验系统包括三部分:空气侧回路系统、水回路系统和数据采集处理系统。实验装置由封闭式空气回路和冷却水回路组成。其中空气回路由风机、喷嘴室、加热器、加湿器、混合室和试验段等组成。冷却水回路由换热器、恒温槽、水泵和电磁流量计等组成。换热器入口空气的干球温度和相对湿度的控制精度分别为±0. 05 K和±1. 4%。入口水温的控制精度为±0. 1 K。喷嘴室用来测量空气流量,依据ASHRAE 41. 2标准设计。两个压差传感器分别用来测量空气通过喷嘴和换热器的压降。采用温湿度传感器测量换热器出入口空气的干球温度和相对湿度。电磁流量计用来测量水回路的流量。两个K型热电偶用来测量出入口水温,六个K型热电偶被布置在换热器管外表面用来测量壁温,经过标定后,精度为±0. 1 K。实验换热器的管内侧入口和出口水温温差不小于2 K,其目的是控制管内侧热阻小于总热阻的20%[4]。 由于单次间歇运行后对换热器换热和压降的影响很小,在实验台的误差范围内,所以需要经过若干次间歇运行后在进行特性测试。本实验分别在每300次间歇运行,分别对铜、铝翅片管蒸发器性能进行测试,考察蒸发器换热和压降性能的变化情况。在实验中,将管内流体的流速定为1. 0m/s,则可以认为管内热阻不变。所以,蒸发器长效性的变化主要是由翅片侧和管翅间接触面积的变化引起。 实验在湿工况下进行,分别对一个铜翅片换热器和一个铝翅片换热器进行测试,共进行136个换热性能测试实验。实验工况如下: (1)空气的入口干球温度: 27℃; (2)空气入口相对湿度: 50%; (3)入口风速: 0. 5 m/s, 1. 0 m/s, 1. 5 m/s, 2. 0m/s; (4)水侧入口温度: 5℃。 1.3 实验换热器 实验中采用两个波纹翅片管换热器,其中一个为附带亲水层的铝翅片铜管换热器,另一个为铜翅片铜管蒸发器,翅片表面不带亲水层。实验前对铜翅片表面采用Boehmite方法处理,将换热器放在82℃热水中20分钟,然后将换热器放在冷水中,取出后将换热器风干。经过上述方法处理后,铜翅片表面亲水性会提高(16~26)%[5]。换热器详细的结构如图2所示,几何尺寸如表1所示。 2 数据分析方法 2.1 换热量Q的计算 在湿工况下,换热器的换热量由式(1)~(3)计算。 式中 Q-换热量; m-质量流量; i-比焓; T-温度; Cp-比热; 下标a、w、in和out分别表示空气、水、进口和出口(下文中未特别注明,意义同)。 根据ASHRAE 33-78的要求,数据处理过程中只有满足|Q-Qw|/Q≤0. 05的数据才确认为有效实验数据。 2.2 空气侧换热系数ηoho的计算 换热器空气侧换热系数ηoho由总换热系数中分离得到。换热器的传热计算式如下。 管内换热系数hi,根据Gnielinski关联式,由式(7)~式(9)计算 2.3 不确定性分析 实验参数的不确定性分析如表2所示。 3 实验结果分析 3.1 间歇运行次数对换热系数的影响 图3和图4分别描述了间歇运行次数对铜、铝翅片管蒸发器换热系数的影响。图中横坐标N为间歇运行次数。从图中可以看出,铜、铝翅片换热器空气侧换热系数随间歇运行次数的增大逐渐减小。这主要是因为:翅片管蒸发器是由铜翅片或铝翅片与换热管涨接而成。对于铝翅片管蒸发器,铜和铝具有不同的膨胀率,所以在空调运行时,翅片和换热管之间的间隙会增大。在若干次的间歇运行后,材料的疲劳强度降低会引起换热管和翅片的热胀冷缩能力下降,管翅间的接触面积逐渐减小,接触热阻逐渐增大,导致总体上换热系数随间歇运行次数的增加而减小。对于铜翅片管蒸发器,由于翅片和换热管具有相同的材料,所以初始的间歇运行对换热系数产生影响较小,但是随着间歇运行次数的增加,反复的间歇运行会使翅片和换热管的疲劳强度降低,从而增大接触热阻并使蒸发器的换热性能下降。 另外,从图中可以看出,随着入口风速的增加,间歇运行次数对换热系数的影响逐渐减小。当入口风速为0. 5m/s, 1. 0m/s, 1. 5m/s和2. 0 m/s时,铝翅片管蒸发器的换热系数分别减小36. 3%、24. 2%、18.5%和9. 9%。铜翅片管蒸发器的换热系数分别减小19. 8%, 15. 1%, 11. 9%和7. 3%。这主要是因为:在风速较高时,蒸发器的析湿能力较强,有部分冷凝水填充在翅片和换热管的空隙中,减小了接触热阻。所以,间歇运行次数对大风速的影响要大于对小风速的影响。 对比铜、铝翅片换热器的换热和压降特性,可以更直观地分析在间歇运行环境中铜翅片换热器和铝翅片换热器变化情况。虽然两种换热器结构参数不同,但是,可以定性分析两种换热器随间歇运行次数增加的下降趋势。从图3和图4可以知道,随着间歇运行次数的增加,铝翅片蒸发器的换热系数的下降趋势比铜翅片蒸发器快。即,铜翅片换热器长效换热特性要优于铝翅片换热器。 3.2 间歇运行次数对空气侧压降的影响 图5和图6分别描述了间歇运行次数对铜、铝翅片管蒸发器空气侧压降的影响。从图中可知,随着间歇运行次数的增加,换热器空气侧压降逐渐增大。但是随着间歇运行次数的增加,增大趋势有所减缓。经过4800次间歇运行后,铝翅片蒸发器压降最大增大7. 0%,铜翅片蒸发器压降最大增大9. 7%。虽然间歇运行对翅片表面不会产生影响,但是在实验中间歇运行循环同时伴随着翅片表面的干湿循环,反复的干湿循环会对附带亲水层和不带亲水层的翅片表面特性产生影响[1]。 从图5和图6可以看出,随着间歇运行次数的增加,铝翅片和铜翅片换热器的压降增大趋势相当。当风速为0. 5m/s时,初始时刻铝翅片换热器的压降比铜翅片换热器的压降大20. 6%,这主要是因为铝翅片的间距比铜翅片的间距要小。经过4800次间歇运行后,铝翅片换热器的压降比铜翅片换热器的压降大18.5%。可见,间歇运行次数增加对两种换热器的压降影响相差不多。 4 结论 (1)铜、铝翅片换热器空气侧换热系数随间歇运行次数的增大逐渐减小。当入口风速为(0. 5~2. 0)m/s时,铝翅片管蒸发器的换热系数减小(9. 9~36.3)%,铜翅片管蒸发器的换热系数减小(7. 3~19.8)%。 (2)间歇运行次数对铜、铝翅片蒸发器的空气侧压降影响相当。经过4800次间歇运行后,铝翅片蒸发器压降最大增大7. 0%,铜翅片蒸发器压降最大增大9. 7%;(3)在间歇运行的环境中,铜翅片铜管换热器的长效换热特性强于铝翅片铜管换热器,两者的长效压降特性相当。 参考文献：略 |
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