空冷式换热器
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部分负荷下的壳管式换热器性能研究点击：2045 日期：[ 2014-04-26 22:21:13 ] |
| 部分负荷下的壳管式换热器性能研究 刘 斌(特灵亚洲研发中心) 摘要：通过详细的计算数据对几种不同类型的壳管式换热器在不同条件下部分负荷时的性能做出分析和比较从中得出结论,并从冷水机组的长期运行费用方面对空调系统的设计提出建议。 关键词：壳管式 换热器 性能 部分负荷 空调机组在选型的时候都会留有一定的负荷余量,但在实际的应用中空调机组大部分时间都是在部分负荷下运行的。因此对于长期运行的机组更要关注机组在部分负荷时的效率,这对机组的长期运行费用非常重要。从ＮＰＬＶ(ｎｏｎ ｓｔａｎｄａｒｄｐａｒｔｌｏａｄｖａｌｕｅ,请参阅ＡＲＩ550/590有关章节)的计算公式也能看出,冷水机组在75%和50%负荷下的效率在ＮＰＬＶ的计算中占了将近90%的份额。作为冷水机组的关键部件———壳管式换热器对机组的效率至关重要,换热器在部分负荷时的性能是机组部分负荷效率的关键指标之一。下面就将单独对3种常见的换热器类型:干式蒸发器、满液式蒸发器、壳管式冷凝器通过模拟计算进行分析。 1 计算条件 在具体的分析之前先简单介绍一下计算模型和计算条件,这有利于对后面比较和分析的理解。 换热器模型是按照基本的传热方程Ｑ=ＫＦΔＴ[1]来建立的,其中Ｑ是总的换热负荷,Ｋ是总的换热系数,Ｆ是以管外径为基准的换热面积,ΔＴ在这里是对数平均温差。 在系统的负荷发生变化时,制冷循环里的各点都会发生相应的变化以达到系统的再次平衡。为了简化模型,在进行校核计算时,有些点将被假设不变,比如压缩机排气温度等。笔者旨在研究换热器在部分负荷时性能的变化趋势而不是精确的结果,因此这种假设是合理并可以接受的。计算换热器在部分负荷下的性能其实就是对于一个固定换热面积的换热器在负荷变化时进行校核,此时作为输出的结果通常都是换热器的饱和温度。在部分负荷下,制冷剂侧换热系数将随着负荷的变化随之变化,但对于水侧系统设计通常将面临2种选择,即变水流量和定水流量。对于变水流量系统,水侧的进出水温度保持不变,对于定水流量系统,水侧的入口或者出口温度只有一个保持不变。下文的分析都将包括这2种方案,并对其结果作出比较。 2 干式蒸发器部分负荷下的性能 在风冷机组和中低效的中小型冷水机组中,干式蒸发器是一种很常用的换热器形式。对于这种结构的换热器,制冷剂是在管内流动而水则在壳体内流动。它的优点是制冷剂充注量较少,具有一定的过热度,能自动回油,一般不需要单独的回油系统[2]。 图1实体曲线(横坐标为负荷变化,以下图横坐标同此说明)就是根据笔者所建的模型计算出的干式蒸发器在部分负荷时出口饱和温度的变化(此模型采用某型号直径为15.9ｍｍ管,制冷剂为Ｒ134ａ,负荷变化时过热度保持不变),水侧是定水流量系统。由图可见,当负荷约为50%的时候,蒸发器出口饱和温度开始低于设计的饱和温度,并且随着负荷的继续减少急剧下降。从这个结果可以很明显地看出在机组负荷低于50%的时候,换热器的性能降低将对系统效率产生负面影响。对于定水流量系统,水侧换热系数随着负荷的变化不会产生很明显的变化,但为什么在系统负荷降到50%左右的时候,蒸发器性能开始下降了呢?通过笔者的分析可能的原因有2个:第一,随着负荷的降低,蒸发器进水温度也随之降低,这样就有可能减少换热平均温差;第二,换热管内换热系数随着制冷剂质量流量的减少急剧下降。对于第一种原因只有改变水流量的设置即采用变流量系统,对于第二种原因是不是有什么办法进行改进呢?这将在下面介绍。 图1中虚线是采用变水量后的蒸发温度变化曲线,与实体曲线一样饱和温度在负荷低于50%的时候也是出现了明显地下降。再比较一下定水流量和变水流量计算出的结果就可以发现,采用变水流量后饱和温度还是得到了一定的改善,但还不足以产生质的变化。通过前面的分析,影响蒸发温度急剧下降还有第二种原因,即管子的因素。笔者采用同一型号的直径为12.7ｍｍ管重新进行了上述的计算。图2是分别采用定水流量和变水流量的计算结果。很显然,计算的结果完全改变了。无论是对于定水流量还是变水流量系统,饱和温度都随着负荷的降低而升高。为什么要采用小管径的蒸发管呢,原因有2个,首先小管径的蒸发管在同样的质量流量下换热性能要比大管径的好;其次,小管径的管内换热性能对由于质量流量减少而产生衰减的敏感度比大管径的低。因此采用小管径的干式蒸发器对系统部分负荷时的效率是非常有好处的。再比较不同水流量控制的计算结果,采用变水流量的饱和温度在部分负荷时要明显地比采用定水流量的饱和温度高。可见对于干式换热器,无论是大管径还是小管径,变水流量系统下的部分负荷性能都要优于定水流量。 3 满液式蒸发器 满液式蒸发器主要用于中高效的冷量较大的冷水机组中,其优势是换热系数高。由于近年来制冷系统的效率得到越来越多的重视,这种形式的换热器似乎有取代干式换热器的趋势。 图3是满液式蒸发器分别采用定水流量和变水流量系统在部分负荷时的性能。从图中不难看出,两者的饱和温度都随着负荷的降低而升高,并没有象干式蒸发器那样饱和温度在50%负荷以下产生突变,这是因为满液式换热器制冷剂侧的换热机制和干式换热器是有差别的,这也说明采用满液式换热器不仅能在满负荷时得到较高的效率,在部分负荷时换热器同样具有很好的换热性能。比较两者饱和温度的差别,在图3中可以清楚地看出两者的区别,与干式蒸发器相同,采用变水流量系统的满液式蒸发器在部分负荷时的饱和温度依然高于定水流量系统时的饱和温度,但差别相对来说缩小了。 为什么对于蒸发器变水流量系统在部分负荷时的性能总是比定水流量系统的好呢?笔者认为原因如下:首先变水流量系统能够维持蒸发器进水温度不变,这有利于蒸发温度的提高。而对于蒸发器在定水流量时通常都是控制出水温度的。当负荷减少时,进水温度降低,这无疑对蒸发温度的提高是不利的;其次当负荷下降到70%以下时,制冷剂侧的换热系数随着制冷剂流量的减少急剧下降而成为主要热阻。因此,即使采用定水流量系统,水侧的换热系数虽然在负荷变化时保持不变,但对总的传热系数影响越来越小,此时传热温差成为影响换热器性能的主导因素,这在设计中是需要注意的地方。 4 壳管式冷凝器 在大中型的冷水机组甚至是一些小型的冷水机组中,壳管式冷凝器都是最常用的冷凝器形式。在壳管式冷凝器中,制冷剂通常在管外冷凝,水在管内流动。为了提高系统效率和冷量,冷凝器底部还经常附带了单独的过冷器。下面的性能比较将同时包括冷凝温度和过冷度的比较。 从图4可以看出,对于定水流量,冷凝温度虽然产生一些波动,但总体趋势还是随着负荷的减少而降低的;对于变水流量,冷凝温度则随着负荷的减少而稳定地降低。对于过冷度(见图5),在定水流量情况下同样产生了波动,而且在负荷40%以下产生了明显的下降,这主要是受到冷凝温度波动的影响;而对于变水流量系统,过冷度则基本保持不变,这对系统的冷量是有好处的。虽然对于定水流量系统,在负荷较低时,过冷度急剧下降,但冷水机组通常都是在50%～90%这一负荷区域运行,而在此区域,定水流量下的过冷度并没有太大的变化,但冷凝温度却明显低于变水流量下的冷凝温度,无疑这对系统的效率是非常有好处的。为什么这两种水流量控制系统会对冷凝器的冷凝温度和过冷度产生这样不同的影响?其实道理同满液式蒸发器一样,主要是因为进出水温度不同导致不同的传热温差所造成的。通过以上的分析可见对于冷凝器,采用定水流量系统在部分负荷时的性能是优于采用变水流量系统的性能的。 5 结 论 通过对以上3种类型换热器在部分负荷时的模拟性能的分析和比较,得出以下结论:对于干式换热器,在负荷降低到一定程度,性能会产生突变。如果设计允许尽量采用小管径的换热管,对于蒸发器采用变水流量系统可以明显地提高系统在部分负荷时的效率,而且同时可以降低水泵的功耗。对于壳管式冷凝器,采用定水流量控制则对系统更有利。在做系统方案的设计时综合考虑这几点因素,是可以有效降低空调机组的长期运行费用的。 需要指出的是,以上分析只是基于理论的模拟计算,实际的性能变化最终还是要通过实验来验证的。 参考文献 [1] 杨世铭.传热学.2版.北京:高等教育出版社,1987. [2] 郑贤德.制冷原理与装置.北京:机械工业出版社,2003. |
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