管排数对变频空调系统翅片管蒸发器性能影响研究

刘金平,叶立平,祁元龙

(华南理工大学电力学院,广州510640)

0 引言

蒸发器作为制冷装置四大部件之一,其换热效果直接影响制冷装置的性能和运行的经济性,若采用紧凑、高效的换热器,不仅可使整个装置的体积减小、重量减轻,而且由于装置的功耗减小,使其能效比大为提高,因此,研究各种高效、紧凑的新型换热器势在必行。近年来,制冷装置中的换热器也由平直翅片发展成各种新型翅片,如:波纹板式,百叶窗式,穿孔翅片等。影响翅片管换热器性能的因素有很多,包括:翅片间距,管排数,管径,管间距,流路分布等,而由于国内外甚至国内各厂家生产技术水平的差异,造成对翅片管换热器的主要影响因素也不一样。换热器的主要热阻在空气侧,国内外学者对干湿工况下空气侧换热特性以及压降特性做了大量的研究,刘金平[1]等实验研究了析湿工况下管排数对波纹翅片管换热器空气侧换热与压降特性的影响,得出2排管的换热因子要比1排管的换热因子大约60%的结论;张圆明[2]等通过对7个带亲水层波纹翅片管换热器进行实验研究,分析了翅片间距,管排数,入口相对湿度对带亲水层对翅片管换热器传热以及压降的影响;C.C.Wang[3]对18台波纹翅片管换热器进行了实验研究,结果显示翅片间距对换热性能影响可以忽略,在低雷诺数区域,管排数对换热系数的影响不显著,但在高雷诺数区由于涡流的产生换热系数随管排数的增多而增大,压降因子与管排数无关;李斌[4]等在析湿工况下对6个正弦波纹管换热器进行了实验研究,得出对流换热系数是干工况时的2.9～2.8倍,阻力系数是2.25～1.9倍的结论。然而研究的结论不尽相同,刘金平[1]等通过实验得出2排管的换热效果比1排管换热效果好,而马小魁[5]通过实验得出3排比2排开缝翅片管换热器的换热因子大。并且多数学者对换热器的研究拘泥于定频压缩机制冷系统,所得出的结论不适合于变频系统。为研究管排数对某公司产翅片管换热器在变频制冷系统下的影响,本文针对该公司所生产翅片管蒸发器进行实验研究。

1 实验装置

实验研究在开式风洞台上进行,实验装置如图1所示,由开式空气回路和制冷剂回路组成。开式空气回路包括离心风机,空气采样器,整流器等组成,空气采样器用于采集蒸发器前后的空气样本,来流空气的干湿球温度由两支经过标定的精度为±0.1℃的Pt100铂电阻温度传感器测量,整流器用于平均入口来流空气,从而可以忽略蒸发器迎面风速的不均匀性,蒸发器迎面风速由一台3kW变频离心风机控制。流经换热器的风量由一个标准ISA1932喷嘴测量。喷嘴前后的压差由一个量程为0～750Pa,精度为±0.75Pa的微差压传感器测量,从而得出通过喷嘴的空气流量。

图1 实验系统示意图

同样的一个差压传感器置于换热器前后,用于测量蒸发器前后压差。制冷剂回路由被动调节变频压缩机提供循环动力;制冷剂进出蒸发器的压力由两个精度为0.15级的PM100压力传感器测量。制冷剂的进出口温度由两支T型热电偶测量,铜管外壁温度由21支T型热电偶测量,所有使用的T型热电偶均经过标定,其精度为±0.1℃。

实验研究对象为某厂家生产的翅片管换热器,由整体式铝合金翅片和紫铜管组成。具体几何尺寸见表1。

表1 样本波纹翅片管换热器几何尺寸表

实验条件为环境干球温度29.4℃,湿球温度26.3℃。实验用制冷剂为R22。

2 实验结果与讨论

在上述实验系统中对研究对象进行了换热能力的实验测量,实验中,通过改变迎面风速和压缩机运行频率来考察2个不同排管数的蒸发器的换热能力。

2.1 管排数对制冷量的影响

由图2可以看出,翅片管蒸发器的换热量随着压缩机运行频率的上升而增加,在相同压缩机运行频率和相同迎面风速下,4排管换热量大于2排管换热量。当压缩机的运行频率达到50Hz时,换热量随着压缩机频率的上升变化缓慢。图3反映的是平均单排管换热量随压缩机频率的变化,图中可以看出,2排管换热器的平均单管排换热量明显大于4排管的。图2、图3还反映出,在相同的压缩机运行频率下,换热量随着风速的增加而增大。选取换热量最大时的频率做分析,2排管以压缩机运行频率40Hz为例,迎面风速1m/s换热量比迎面风速0.5m/s时增加 28.9%,而迎面风速为1.5m/s比1m/s增加3.2%,迎面风速2.0m/s比1.5m/s时增加2.7%。4排管以工频50Hz为例,迎面风速1m/s换热量比迎面风速0.5m/s时增加21.3%,而迎面风速为 1.5m/s比 1m/s增加 5.7%,迎面风速2.0m/s比1.5m/s时增加3.5%。

可能的原因为:空气流经换热管时将产生涡流,在相同的压缩机运行频率下,当迎面风速较高时,由于涡流的存在,换热器空气侧的空气流动和温度分布很容易变得不稳定,空气能够较好的混合,从而导致较高的换热效果。此时管排数对空气侧换热特性的影响便可忽略。而随着迎面风速的降低,换热器下游的湍流影响逐渐消失。随着管排数的增加,换热器空气侧的流动越趋于稳定。因此在较低风速的时候管排数对换热的影响变得显著。

从上述2图还可以看出,当频率较低时,制冷量随着频率的增大几乎成线性增大,当频率到达某一值时,制冷量的增加随着频率的增大趋于缓慢。这是因为随着压缩机频率的增加,压缩机转速的增加导致输气量的增加,蒸发器压力下降,单位质量制冷量减小,但在达到峰值以前,增大质量流量仍在传热中占主导地位,所以制冷量会逐渐增大。但是压缩机频率的进一步增加,蒸发温度的下降会使单位质量制冷量进一步减小,这时单位质量制冷量的降低占主导地位,制冷量反而会下降,抑制了制冷量的进一步上升,这就是制冷量出现峰值的原因,在峰值过后,传热温差占优势,制冷量又开始下降。

2.2 管排数对传热系数及空气侧压降的影响

由图4可以看出,实验所研究的2个蒸发器,其传热系数随着压缩机频率的增加而不断减小,当压缩机在较高频率运转时,传热系数的大小趋于不变,并且迎面风速对传热系数的影响越来越小。在相同的迎面风速下,传热系数随管排数的增加而减小。相同频率时2排管传热系数均大于4排管传热系数。

图5反映空气侧压降随迎面风速的上升而增加,4排管压降明显大于2排管的压降,并随着迎面风速的增加这个差别也增大。

析湿系数是一个无量纲数,其值等于空气与换热器总热交换量与显热交换量的比值,析湿系数的大小一定程度上反映了换热器上凝结水析出的多少。

这种趋势可以做以下解析:蒸发温度随着压缩机运行频率的增加而不断降低,当蒸发器的温度低于空气的露点温度时会产生冷凝水,蒸发器温度越低产生的冷凝水越多,在相同的压缩机运行频率时,蒸发器蒸发温度随着管排数的增加而降低。图6可以看出实验工况下析湿系数较大,产生较多的冷凝水。由于实验用蒸发器不带亲水层,冷凝水不能很好的排出去,当冷凝水把整个换热器覆盖后,空气与换热器的对流换热变成了水膜与换热器的导热,从而换热器迎面风速对传热系数的影响很小,并且因为增加管排数后,管后涡流区的范围会扩大,其对换热的恶化作用将增强。如此大大的降低了蒸发器的换热效果。这与文献 [2]实验研究结论相类似。从图7可以看出,随着压缩机频率的增加,2排管换热温差较4排管换热温差大,从而2排管换热效果优于4排管换热效果。同样由于冷凝水的原因,造成空气流经换热器时更大的阻力。4排管由于蒸发压力低于2排管,所凝结的冷凝水少于2排管,因此4排管换热器空气压降较2排管小,并随着压缩机工作频率的增加而更明显。

3 结论

(1)管排数对蒸发器换热量影响比较明显,平均单位管排换热量2排管优于4排管。

(2)蒸发器传热系数随着压缩机运行频率的增加而降低,2排管传热系数大于4排管传热系数。

(3)析湿工况下,2排管换热器空气侧压降小于4排管空气侧压降,并随着压缩机频率的增加更明显。

[1] 刘金平,戴绍碧,叶立平.析湿工况下波纹翅片管换热器空气侧换热与压降特性 [J].化工学报,2009,60(10):2438-2445

[2] 张圆明,丁国良,马小魁.带亲水层波纹翅片管换热器空气侧特性的参数影响分析[J].制冷学报,2007,28(2):16-21

[3] Wang C C,Fu W L,Chang C T.Heat transfer and friction characteristics of typical wavy fin-and-tube heat exchangers.Experimental Thermal and Fluid Science,1997,14(2):174-186

[4] 李斌,李惠珍,康海军,等.析湿正弦波纹翅片管束的热质交换特性研究[J].西安交通大学学报,1996,30(8):57-62

[5] 马小魁,丁国良,张圆明.带亲水层条缝型翅片管换热器析湿工况空气侧换热与压降特性[J].高校化学工程学报,2007,21(4):575-580