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冷水机组壳管式换热器传热试验一般流程点击：2040 日期：[ 2014-04-26 22:00:45 ] |
| 冷水机组壳管式换热器传热试验一般流程 刘斌1),2) 王立新2) 1)(上海交通大学) 2)(特灵亚洲研发中心) 摘要：冷水机组所用的壳管式换热器传热试验一般可分为3个步骤:测试前准备、样机测试、数据处理及 设计改进。本文将按照这3个步骤详细介绍壳管式换热器的性能测试流程以及在测试中通常需要注意的 事项。 关键词：冷水机组;换热器;传热试验;试验流程 蒸发器和冷凝器作为水冷冷水机组中的主要换热单元,决定着机组的一系列重要性能参数。壳管式蒸发器和冷凝器以结构简单,造价较低,选材范围广,处理能力强,能适应高温高压的要求的优势,得到广泛应用[1]。机组所用换热器虽然主要起传热作用,但应当和整个机组的制冷循环综合起来考虑,如制冷剂充注量、冷凝器冷却水温等参数的选择,既会影响换热器的性能,也会影响整个冷水机组的性能和可靠性。所以,冷水机组所用换热器试验有别于一般的单独的换热器试验,其试验主要目的一般包括以下几点: ①制冷剂侧换热系数,包括蒸发、冷凝和过冷 (一般为管外); ②水侧换热系数和压降(一般为管内); ③机组制冷剂最佳充注量; ④系统回油设定; ⑤污垢测量; ⑥换热器非标工况运行性能等。 1 测试前准备 正式开始试验之前,制定一份详细而周密的试验计划是很必要的。通过计划可以合理安排试验时间,还能提高试验的质量。一般来说,在设计工作完成以后就可以着手制定试验计划。试验计划通常包括试验目的、试验内容、试验参数设定和要求、试验顺序和日程安排、操作指导等。另外, 要对试验过程中可能出现的失效模式进行预先分析,并准备可行的预备方案(如回收制冷剂会有哪些问题及如何避免这些问题)。负责试验的工程师及操作技工也应参与试验计划的制定,这样才能保证计划的正确性和可行性。 2 样机测试 为了得到更多的数据以方便性能分析,通常在样机上会安装一些额外的测量压力、温度、油浓度等传感器或者其他仪器。测试前应对这些传感器进行标定,以确保其准确度和精度满足测试要求。开机调试直至机组运行稳定后,方可进行正式的传热试验。下面介绍通常的试验步骤。 2.1 液位优化 该试验是针对采用满液式或者降膜式蒸发器的冷水机组。试验工况设定为设计的饱和温度、过冷液体温度以及水流量,即在保持系统性能微小波动的情况下进行液位优化。如液位初始设定值为0,则设定点为:-3c,-2c,-c,0,c,2c,3c。c 为根据蒸发器尺寸和液位传感器工作范围确定的液位变化量。设定点通常取5个。在液位变化时, 通过增加制冷剂充注量和调节进出水温度,保证所设定的性能参数在一定范围内波动(一般温度波动范围控制在±0.2℃之内)。液位的最终选择要综合考虑蒸发器的换热性能和制冷剂充注量。 2.2 充注量优化 试验前应先根据具体的机组实际配置估算制 冷剂充注量。充注量的估算通常应包括两器、油分、系统管道及其他容器内所含的液相和气相制冷剂。试验工况为设计的蒸发器出水温度和水流量、冷凝器进水温度和水流量。根据初始估算的充注量,设定点为其增加或减少一定量的制冷剂。调节量由冷量大小决定,根据经验可取计算充注量的3%~6%。注意此时的蒸发器液位应设定为 液位优化试验所得到的液位。随着充注量的变化,系统能效比和冷量也会产生变化。充注量的 选择要综合考虑系统性能和冷量。通常,根据试验数据得到的最佳充注量其实是一个范围,在选择的时候,要尽量使系统性能在最佳点的变动范围内保持稳定。 2.3 回油设定优化 该试验是针对采用满液式或者降膜式蒸发器的冷水机组。回油的原理是利用冷凝器的高压将蒸发器内的油和制冷剂混合物带回到压缩机。这 个过程包括高压回油和低压充注的时间。2个时间的设定对回油效果和压缩机的工作性能都有较大影响。本试验的工况和蒸发器液位优化的工况相同,通过调节进出水温度保证设定的性能参数在一定范围内波动。制冷剂充注量和蒸发器液位 采用上面2个优化试验的结果。设定点为不同的回a油时间组合,一般来说低压充注的时间要大于 或等于高压回油的时间设定,同时要注意过高的回油频率会影响压缩机的可靠性。根据不同组合下蒸发器内的油浓度大小确定回油时间的设定。 2.4 负荷变化测试 负荷变化测试是传热试验的核心内容,事实 上前面3个测试也是为这个试验作准备。通过这 个测试可以得到不同热流密度下的换热系数,从 而拟合出它们的关系曲线,并校核设计的正确与否。试验工况为设计的蒸发器出水温度和水流 量、冷凝器进水温度和水流量。具体工况设定可 参考ARI550/590的规定,试验过程中按照相应 标准调节负荷并保持工况稳定。按照ARI的规 定,负荷变化点为满负荷100%,75%,50%和 25%,一般的螺杆机组很难达到25%的负荷,可用最小负荷代替。图1给出了常见的蒸发器和冷凝器测试数据和数据拟合曲线,仅供参考。 2.5 变工况测试 变工况测试主要是指改变饱和温度和改变水流量。通过对这些工况点的改变来测试换热器和系统的性能及其可靠性。对于改变饱和温度的测 试,可通过调整蒸发器出水温度和冷凝器进水温 度来实现,在设定具体工况时,可将水温度分为低、标准和高3档,根据需要也可以取更多。不同的蒸发温度和冷凝温度组合可以考察不同的系统 运行状态,如高蒸发温度可以考察系统是否吸气带液。表1列举了改变饱和温度工况的一个例子。 对于改变水流量,设定时要注意最小水流量和最大水流量对应的管内水流速度,太低会加剧结垢的形成,太高则会加强对内管的腐蚀。根据经验,一般最低值为0.9m/s,最高值为3.4m/s。改变水流量试验可以考察换热器在不同水流量下 的性能表现以及校核水侧压降的设计计算。 2.6 污垢检查 污垢检查试验用于监测试验过程中管内污垢的形成情况。此项试验在机组测试过程中,每天试验开始后都需要进行,每次试验的工况点相同。 试验工况建议在标准工况下使冷水机组满负荷运行。污垢系数的具体计算见第3节。 2.7 测试注意事项 以上介绍的6项测试为常见的传热测试项目。当然,在实际试验中,还可以根据需要增加其他测试项目。为了保证试验的顺利进行和所采集数据的准确性,在试验过程中通常还需要特别注意以下事项: ①机组运行之前,不允许管内有水,防止结垢; ②每天开机后要用流速不低于3.6m/s的清 水冲刷换热管至少半个小时以上,这样可以降低水垢对性能的影响; ③采集数据前要保证机组稳态运行半小时以 上,数据的稳定与否可以根据设定的数据波动值判断,每组数据至少为10个点的平均值,从而减少 测量值随机误差对最终数据处理的影响; ④回收制冷剂时,要保持水路的水泵在运行状态,以防换热管冻裂; ⑤测试时需实时监视一些关键参数的变化特别是在一些变工况的试验点,一旦有异常可及时修正试验计划。 3 数据处理及设计改进 3.1 数据处理 数据处理主要是指根据采集的数据,校核换热器壳侧或制冷剂侧的传热系数以及计算管内侧的压降。通常对于一种管型,供应商会提供单管的管内外侧传热系数曲线,但是管束的传热性能和单管相比,会由于不同的管束设计而产生较大的差别[2],这也是为什么要作传热试验的主要原因 之一。由于水侧(通常是管内侧)是单相流,所以笔者一般假设管内侧的传热系数可以按照供应商提供的系数或者方法来计算,对于纯铜管也可以忽略管壁和翅片导热热阻(也可考虑导热热阻,但对结果影响非常小)。这样,根据试验数据,可以很容易计算出管外传热系数。下面以一个简单的例子说明计算过程。 1)总换热量 Q=mcp(t1-t2) (1) 式中:Q为换热量;m为质量流量;cp为水的比热容;t1为进口水温;t2为出口水温。 2)总传热系数 Uo=Q/(AΔtm) (2) 式中:Uo为总传热系数;A为传热面积;Δtm为对数平均温差。 从而按下式算出管外传热系数: 式中:hi为管内传热系数计算值;Ao和Ai分别为单位长度的名义管外和管内表面积。 试验结束后,根据污垢检查试验点,进行污垢系数计算,假设第1次试验结果污垢热阻为0,通过下式可以算出试验结束时的管内污垢系数: 式中:U1和Un分别为第1次试验和第n次试验点的总传热系数计算值。 3.2 数据误差分析 误差是试验测量值(包括间接测量值)与真值 (客观存在的准确值)的差别。在试验中,由于测量仪表、测量方法、周围环境和人的观察等方面的原因,试验数据总存在一些误差。在整理这些数据时,首先应对试验数据的可靠性进行客观的评定。测试误差按来源通常分为系统误差、随机误差及过失误差[3],其中过失误差可以消除。随机误差可以通过多次测量减弱其影响,系统误差对最终的结果精确度具有决定性影响。对于壳管式换热器,制冷剂侧换热系数误差分析通常可按下列公式进行计算: 3.3 设计改进 数据处理结束后,根据计算出来的传热系数和其他需要的性能测试或计算值,以及在试验过程中观察到的结果,可以对最初的设计假设进行调整,并对整个设计进行改进,比如增加或减少换热管个数、加长或缩短换热管长度、改变流程数及其他可能的设计调整等。 4 结束语 换热器传热测试的主要目的是通过试验来确定换热器的传热性能,并通过试验结果分析对换热器设计进行改进,笔者详细介绍了壳管式换热器传热测试的一般流程,数据处理方法和测试中需要注意的问题,希望能给设计人员提供借鉴和启发。 参考文献 [1] 史美中,王中铮.换热器原理与设计.南京:东南大学 出版社,2003:5-6. [2] 钱颂文.换热器设计手册.北京:化学工业出版社, 2002:68-115. [3] 黄俊钦.测试误差分析与数学模型.北京:国防工业 出版社,1985. |
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