制冷剂管路合并位置对冷凝器换热性能影响

2021-01-21刘阳荷周亚素赵敬德李后明

建筑热能通风空调 2020年12期

关键词：干度冷凝器制冷剂

刘阳荷周亚素赵敬德李后明

1 东华大学环境科学与工程学院

2 上海湿腾电器有限公司

0 引言

风冷式翅片管冷凝器在空调制冷等领域中广泛被应用，冷凝器换热性能的优劣对空调整体性能影响较大，综上所述，制冷系统的性能、能耗的研究是空调制冷行业关注的重要课题。

当换热面积相等时，不同结构的冷凝器换热效果也不尽相同。重力作用[1]、顺逆流布置[2-3]、流路数分配[4-5]、管路分合[6-7]等都会对冷凝器的换热性能产生影响。优化管路流程布置时，应综合考虑各因素，取得较高的换热量，使综合效果达到最佳[8-10]。

之前的研究虽然对比了不同结构冷凝器的性能，提出了对管路进行合并的建议，但并没有给出管路合并位置的一般结论。本文通过实验对比了制冷剂管路合并与否对冷凝器换热性能的影响，并利用coil-designer 软件对在不同位置合并制冷剂管路的冷凝器进行模拟计算。

1 实验系统介绍

对换热面积相同的两种翅片管式风冷冷凝器进行换热性能测试，对比换热量与COP，以分析制冷剂管路合并与否对冷凝器换热性能的影响，实验在焓差实验室进行。

1.1 实验原理

被测系统的室外机和室内机分别放置与焓差实验室的室外侧间和室内侧间，实验系统如图1 所示。

图1 实验系统

室内侧间和室外侧间均安装有空调调节机组、加热器、加湿器等设备，能够有效控制室内室外环境。室内模拟环境间控制精度为：干球温度0～50 ℃±0.2 ℃，室内侧相对湿度30%～95%，控制精度±0.2 ℃。室外模拟环境间控制精度为：干球温度-15～50 ℃±0.2 ℃。制冷量量程为6～40 kW，冷暖能力测试精度≤1%，风量600～6000 m3/h。

实验测试条件：工质R22，空气进口干球温度：35～37 ℃，空气进口湿球温度24 ℃，大气压力101325 Pa。冷凝器结构参数如表1 所示。

表1 冷凝器结构参数

1.2 实验测量装置

实验测量装置的选用以及精度如表2 所示。

表2 测量装置及精度

2 制冷剂管路合并对冷凝器换热性能影响的实验研究

利用实验对两种结构冷凝器进行性能研究，两种结构冷凝器如图2 所示，结构1 为不合并管路结构，结构2 为在管路9 合并管路的结构。

图2 冷凝器结构

实验测试不同室外温度下两种结构冷凝器换热量区别如图3 所示，随着室外温度升高，两种结构冷凝器的换热量均下降，室外温度上升1 ℃，换热量平均下降220.4 W。可知，制冷系统随着室外环境温度升高，运行变差。在室外温度分别为35、36、37 ℃时，结构2换热量分别比结构1 高1021.8 W、1008.0 W、1005.3 W，可见，随着室外温度升高，两种结构冷凝器在换热量上的差异逐渐减小。在不同室外温度下，结构2 换热量均高于结构1 换热量，可知，对于相同换热面积的两种冷凝器，合并制冷剂管路结构的换热量高于未合并制冷剂管路结构的换热量。

图3 不同结构冷凝器换热量区别

两种结构冷凝器COP 区别如图4 所示，随着室外温度升高，两种结构冷凝器的COP 均下降。因为室外温度升高后，冷凝温度上升，导致压缩机吸排气温度上升，压缩机运行变差，从而影响COP。在不同室外温度下，结构2 冷凝器COP 均高于结构1 冷凝器COP。

图4 不同结构冷凝器COP 区别

为了了解两种结构管路沿程温度，分别在铜管5、9、13 以及进出口布置温度测点，两种结构管路沿程温度变化如图5 所示。由图5 可见，结构2 沿程温度均低于结构1 沿程温度。

图5 不同结构管路沿程温度区别

结构2 冷凝器的换热量与COP 均高于结构1 冷凝器，且结构2 的管路沿程温度均低于结构1 的管路沿程温度。可见，在相同工况下，结构2 换热性能优于结构1。这主要是因为在冷凝器管路后半程，制冷剂液体逐渐增厚，制冷剂流速逐渐下降，换热效果会变差，在冷凝器管路后半程对管路进行合并后，管路截面积减小，制冷剂流速得到提高，制冷剂汽相对液相的扰动提升，从而换热效果得以提升，所以，对制冷剂管路进行合并处理以提高冷凝器换热性能。

3 制冷剂管路合并位置对冷凝器换热性能影响的模拟计算

利用coil-designer 软件对冷凝器结构进行模拟分析，先与实验结果进行对比，验证了模型可靠性，再对不同位置合并制冷剂管路的冷凝器进行模拟，从而分析在不同位置合并制冷剂管路对冷凝器换热性能的影响。

3.1 模拟结果验证

利用coil-designer 软件对结构2 冷凝器在室外温度35～39 ℃下5 种工况进行模拟，以验证模型可靠性。模拟换热量与实验测试换热量对比如图6 所示，可见，在不同工况下，模拟换热量和实测换热量基本吻合，相对误差均在10%内。

图6 模拟换热量与实验换热量对比

模拟管路沿程温度与实验测试管路沿程温度如图7 所示，其中测点1～7 分别位于编号为1、5、9、58、13、62、64 的铜管，模拟管路沿程温度和实测管路沿程温度最大仅相差3.57 ℃，相对误差均在10%内。可见，模拟结果与实验结果符合，模型可靠。

图7 模拟管路沿程温度与实验结果对比

3.2 制冷剂管路合并位置对冷凝器换热性能的影响

利用coil-designer 软件对实验测试中的结构2 进行进一步模拟，在制冷剂管路不同位置进行合并，以探究在不同位置合并制冷剂管路对冷凝器换热性能的影响。

换热量、压降随制冷剂管路合并位置变化如图8所示，随着合并位置往下，压降逐渐降低，合并点10 前压降下降趋势较大，合并点10 后压降下降趋势逐渐减小，在不同合并位置压降最大相差31.65 kPa。随着合并位置往下，换热量呈“凸”型变化，冷凝器换热量先增大后减小，在管13 处合并管路换热量最大，在不同合并位置换热量最大相差204 W。

图8 换热量、压降随制冷剂管路合并点变化

由图9 可见，干度随合并位置往下基本呈直线下降趋势，可以从干度、换热量曲线看出，在管路13 处即干度约为0.2 处合并管路，换热量最大。综合考虑换热量、压降，在管路12-14 位置，即干度为0.1-0.3 的位置合并管路换热效果较好。

图9 换热量、干度随制冷剂管路合并点变化

冷凝器换热主要有分为三个过程：过热蒸汽状态、两相区、过冷液态。对于过热段，蒸汽与空气温差较大，蒸汽流速也较高，换热效果较好。对于两相区，随着冷凝液不断增加，凝结液膜不断增厚。对于过冷段，由于此时换热温差是三个阶段中最小的，因此制冷剂流速时影响换热的主要因素。如果制冷剂流速较低，单位截面积的制冷剂流量就小，换热效果较差。管路合并的位置如果过于靠前，在相变区域内提高了制冷剂流速，制冷剂换热不充分，压降大，换热效果不好。在制冷剂流速时影响换热效果的主要因素阶段合并管路，即两相区向过冷段过渡的区域，能够使制冷剂流速加快，从而增强换热。

3.3 制冷剂管路合并位置的优化分析

根据上述结论，在管路12、13、14 处进行制冷剂管路合并换热效果较好，于是对这三种结构在不同工况下进行进一步模拟分析。

由图10 可见，随着室外温度的升高，三种结构的换热量均呈下降趋势，温度越高，下降的幅度越大。在不同室外温度下，于管14 合并管路的结构换热量均最低，于管12 合并管路的结构换热量居中，于管13 合并管路的结构换热量最大。

图10 换热量随室外温度变化

于管12、14 合并的换热量与于管13 合并的换热量差值如图11、12 所示，在管12 与13 进行合并的结构换热量相差不大，平均相差11.6 W，在管13 与14进行合并的结构平均换热量相差80.3 W。

图11 于管12 合并与于管13 合并换热量差值

图12 于管14 合并与于管13 合并换热量差值

三种结构在室外温度为35 ℃工况下的管路沿程温度变化如图13 所示。可见，在管13 合并管路的结构管路沿程温度低于另外两种结构。

图13 三种结构沿程温度对比

三种结构在不同室外温度下的压降如图14 所示。可见，随着室外温度的升高，三种结构的压降都呈上升趋势，于管12 合并管路的压降最高，于管13 合并管路居中，于管14 合并管路最低。于管12 合并管路结构压降比于管13 合并管路结构平均高2.1 kPa，于管13 合并管路结构压降比于管14 合并管路结构平均高2.0 kPa。

图14 压降随室外温度变化

对比在管12 与13 进行管路合并结构的换热量与压降，在管13 进行合并的结构换热量比在管12 进行合并的结构换热量最大仅高20.1 W，且于管12 合并结构的压降比于管13 合并结构的压降高。对比在管13 与14 进行管路合并结构的换热量与压降，在管13 进行合并的结构换热量比在管14 进行合并的结构换热量最大高出116.9 W，但于管13 合并结构的压降比于管14 合并结构的压降高。综合考虑换热量、压降，于管13、14 合并管路，即在干度0.1-0.2 位置合并管路，换热效果较好，过早合并管路压降过大，过晚合并管路换热量较小。