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过冷段翅片管换热器的试验研究方法点击：1859 日期：[ 2014-04-26 22:13:55 ] |
| 过冷段翅片管换热器的试验研究方法 1)商萍君 2)董玉军 3)袁秀玲 3)黄东 1)(无锡职业技术学院) 2)(约克无锡空调冷冻设备有限公司) 3)(西安交通大学) 摘要：对过冷段翅片管换热器对空气源热泵冷热水机组系统性能的影响进行试验研究。过冷段翅片管换热器通过横向导热和强制对流换热可增大制冷剂液体过冷度,制热工况下,可使系统性能系数ＣＯＰ提高约19%,并有效降低翅片表面结霜。 关键词：过冷段翅片管换热器 性能系数 试验研究 目前,国内外许多公司纷纷建立技术研发中心,针对国内各地区的具体气候特点和地理环境,研究和开发适合其特点的空气源热泵冷热水机组的产品,以解决许多实际使用过程中出现的问题。其中,过冷段翅片管换热器与机组运行效率和经济性及除霜性能直接相关,具有明显的工程应用价值和经济效益,而国内外在这一领域研究还较少,笔者就此进行了一些试验研究和理论分析[1 4]。 1 试验装置 过冷段翅片管换热器位于Ｖ字形翅片管换热器的最底部,与左右两侧的翅片管换热器通过同一套翅片组连接在一起,有助于过冷段翅片管内制冷剂与Ｖ字形翅片管换热器内制冷剂通过翅片进行横向热传导。过冷段翅片管的作用是使从冷凝器出来的制冷剂液体进一步过冷,减小膨胀阀内制冷剂的蒸汽闪发,降低进入蒸发器的制冷剂干度,提高机组制冷量和制热量。过冷段翅片管位于Ｖ字形翅片管换热器底部,在制冷和制热模式下分别属于翅片管冷凝器和板式冷凝器的延伸。 过冷段翅片管换热器的试验测试是在西安交通大学的空气源热泵冷热水机组人工环境模拟试验室进行的。试验装置系统主要由制冷循环系统、水路循环系统、风道循环系统、环境模拟室,数据采集系统5个部分组成。其中制冷系统和水路循环系搭建在由100ｍｍ聚苯泡沫塑料搭建而成的模拟室内,风道系统构建在模拟室顶部通过4个风口来循环室内空气和引入的新风,调节室内温度。 此试验系统利用能量自平衡原理来维持室内空气温度和水箱水温度,即用制冷运行产生的冷量和制热运行产生的热量来模拟室内所要求的空气温度。通过全部和部分开启风道内的风机,改变上风阀的开度,改变出风阀的开度,从环境模拟室外引入新风,改变回风阀的开度以及改变水泵循环水量,改变水侧换热器冷冻水出口到水箱之间的旁通水量等措施来调节和维持模拟室内空气温度和水侧换热器进口水温。 分别在制冷和制热模式下对空气源热泵冷热水机组进行试验研究。当系统连续运行30分钟后,控制冷冻水出口水温和环境温度在±0.5℃范围波动时,可近似认为系统达到稳态运行工况,采集记录数据。采用铜 康铜热电偶,分别布置在装置各测点用于测量制冷剂温度和水温,采用Ｐｔ100型铂电阻和ＡＤＡＭ 3013型信号处理模块进行自动温度补偿,多功能数据采集卡、放大及多路选通道板和工业计算机完成热电偶温度数据的自动采集和处理。隔离式压力变送器、涡街流量计和温湿度传感器分别测量压力、水流量和空气干湿球温度,根据压力信号转换的电流信号引入到数据采集系统,可进行计算机自动数据采集。 2 试验结果分析 2.1 制冷工况下过冷段对系统性能的影响 吸气压力为550～630ｋＰａ,排气压力稳定于2.2～2.3ＭＰａ,低压侧冷冻水温度不断升高,室内温度保持稳定。随着冷冻水温升高,吸气压力升高,系统制冷剂质量流量增大;压比减小,压缩机单位耗功量降低,压缩机功率增大,制冷系统性能系数ＣＯＰ提高。排气压力略有波动,功率也有波动。 从图2可知,制冷工况下,由于压降型分液器大的压降作用,分液器前翅片管冷凝器出口液体过冷度将有所降低。从图3～5可以看到,分液器前后制冷剂液体过冷度、制冷量和冷凝负荷有较大幅度的降低,液体过冷度的减小使进入蒸发器的制冷剂干度增大,从而降低了蒸发器的制冷量。分液器出口处的过冷段翅片管的存在一定程度上降低了由于分液器大的压降作用而产生的制冷剂液体过冷度减小的幅度。试验数据表明,从Ｖ字形冷凝器出口至分液器出口,系统性能系数ＣＯＰ降低0.44%～1.37%,分液器出口至过冷段翅片管出口,系统性能系数ＣＯＰ提高0.85%～2.61%。过冷段翅片管的存在补偿了分液器压降产生的过冷度和制冷量的降低,提高了系统性能系数。过冷段出口相对于分液器前,对应的系统性能系数增大了0.6%～1.0%。产生负值的原因可能是由于吸气压力高、制冷剂质量流量大,流经分液器的制冷剂液体压降大、过冷度降低幅度大,且由于压降大,过冷段翅片管内制冷剂和空气之间传热温差小,换热性能降低。 在制冷工况下,过冷段翅片管相当于附加的翅片管冷凝器换热面积。所不同的是,在冷凝器出口和过冷段翅片管之间有分液器,分液器的压降作用降低了这部分附加冷凝器换热面积与周围环境之间的传热温差和换热性能,降低了制冷剂液体过冷度;且由于过冷段翅片管内制冷剂的质量流量大,表面传热系数虽得到增强,但压力损失更大,传热温差和换热性能因此大幅降低,这就是冷凝器出口制冷剂液体过冷效果并不显著的原因。若将过冷段翅片管置于左右两侧翅片管冷凝器内作为冷凝器的部分支路,则制冷剂液体过冷效果会更优。 2.2 制热工况下过冷段对系统性能的影响 吸气压力为392～425ｋＰａ,排气压力保持稳定,即环境温度逐渐升高,热水温度保持稳定。随着环境温度升高,吸气压力升高,系统制冷剂质量流量增大;压比减小,压缩机单位耗功量降低,压缩机功率增大,制热量增大,制热系统性能系数ＣＯＰ提高。排气压力略有波动,功率也有波动。 制热工况下,分液器位于翅片管蒸发器前,用于向蒸发器各支路均匀供液,提高了系统运行性能。从板式蒸发器出口流出的高温高压制冷剂液体流经制热单向阀后,直接引入过冷段翅片管内,由于环境温度和蒸发器内制冷剂温度都远低于过冷段内制冷剂温度,因此无论是与空气之间的强制对流换热还是通过翅片的横向导热,传热温差都较大,换热性能优良。过冷段翅片管进口与环境之间的传热温差为35.9～39.8℃,过冷段进口和蒸发器进口之间的传热温差为49～52℃。由图6和图7可知,从板式冷凝器出口到过冷段翅片管出口,制冷剂液体过冷度增大27.41～29.53℃,单位质量制冷剂制热量增大35.93～38.02ｋＪ/ｋｇ,系统ＣＯＰ提高了18.11%～19.51%(见图9和图10)。过冷段翅片管相当于在蒸发器出口和冷凝器出口之间加装的回热器,提高了蒸发器吸热量和冷凝器散热量,同时又可以提高压缩机吸气温度和输气系数。空气源热泵机组制热运行时,蒸发器底部温度较低,易结霜,过冷段翅片管位于蒸发器底部,因此可以有效提高蒸发器底部翅片表面温度,降低霜层厚度,减少除霜次数和能耗,使空气源热泵机组在冬季较长时间稳定运行。 通过对制冷、制热工况下的过冷段翅片管的试验测试可知,过冷段翅片管对系统性能提高是有利的,尤其在冬季制热工况下,可以更有效地提高机组运行效率和运行稳定性。在夏季制冷工况下,可以适当提高冷凝器出口制冷剂液体过冷度和系统性能系数。 3 结 论 试验研究表明:在制冷工况下,过冷段翅片管对液体的过冷效果不显著,过冷度仅提高0.81～0.86℃,系统性能系数ＣＯＰ仅提高0.85%～2.61%。若将过冷段翅片管置于左右两侧翅片管冷凝器内作为冷凝器的部分支路,则制冷剂液体过冷效果会更优。在冬季制热工况下,由于强制对流换热和横向导热的传热温差较大,制冷剂液体过冷效果显著,过冷度可提高28.03～29.54℃,系统性能系数ＣＯＰ可提高18.11%～19.51%,过冷段翅片管能更有效地提高系统运行效率和运行稳定性,缓解翅片表面的结霜。 参考文献 [1] 吴业正.制冷原理与设备.西安:西安交通大学出版社,1997. [2] 彦启森.空气调节用制冷技术.2版.北京:中国建筑工业出版社,1985. [3] 埃克特ＥＲＧ.传热与传质分析.北京:科学出版社,1983:41 67. [4] 董玉军,胡跃明,包涛,等.风速对冷凝器换热能力的影响.制冷与空调,2004,4(3):28 31. |
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