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玻璃纤维行业制冷机能效提升研究

2021-12-30何寿喜吴宇明李少华宋长宇沈檑瑶童俊达曹建强

玻璃纤维 2021年6期
关键词:水流量制冷机传热系数

何寿喜,吴宇明,李少华,宋长宇,沈檑瑶,童俊达,曹建强

(巨石集团有限公司,桐乡 314500)

0 前言

玻璃纤维是一种性能优越的无机非金属材料,英文名称为glass fiber,主要成分二氧化硅、氧化钙、氧化镁、氧化铝、氧化硼等,玻璃纤维单丝直径从几微米到二十几微米,每束纤维原丝都由上百根甚至上千根单丝组成,通常作为复合材料中的增强材料,被广泛应用于航空航天、能源、建筑、电力等领域[1]。玻璃纤维生产对环境温湿度要求比较高,通常采用制冷空调来保证生产工艺恒温恒湿,而制冷空调对能源消耗较大。针对制冷机运行消耗大量电能,需提升制冷机运行能效,降低运行成本等情况,探索一种节能运行方法,并把这种方法运用于制冷系统日常运行管理控制,进一步降低生产经营成本[2]。本文提出一种提高制冷机运行能效方法,并采用理论指导与实验研究2种方法做具体分析。制冷系统包含制冷机及制冷配套设施,制冷机主要由压缩机、蒸发器、冷凝器、节流装置组成,其中蒸发器与冷凝器在制冷系统中作为冷热交换设备,这2个交换设备的冷热交换效率直接关系到制冷机的运行效率。有针对性地对制冷机冷热交换性能进行分析研究并进行有效控制,使其发挥最佳效能,从而确保整个制冷系统的节能高效运行[3]。

1 换热的理论分析

1.1 制冷原理

玻璃纤维生产需要空调控制一定的温湿度[4],从而确保产品质量,生产工艺性空调由大功率制冷机供冷。其中,制冷的四大部件为压缩机、冷凝器、节流器、蒸发器。蒸发器是制冷的核心部位,来自生产车间空调换热后的高温水在制冷机蒸发器换热铜管内与管外的低温制冷剂进行冷热交换,蒸发器管内的高温水温度降低,供应车间空调制冷,蒸发器管外的制冷剂被管内高温水加热后温度升高汽化被制冷压缩机吸入,完成一个制冷循环。图1是制冷原理图[5]。

图1 制冷原理图

1.2 传热系数

根据流体传热学原理,制冷机换热器的传热系数计算公式为:

式中:

h0——管外流体换热系数,W/(m2·K);

hi——管内流体换热系数,W/(m2·K);

Rw——管壁导热热阻,K/W;

Ri——污垢热阻[6],K/W ;

A0——管子外表面积,m2;

Ai——管子内表面积,m2。

从计算公式(1)可以看出,制冷机换热器的综合换热系数与管外流体换热系数h0、管内流体换热系数hi等成正比,通过提高换热器的管外流体换热系数h0、管内流体换热系数hi等换热参数,可提高制冷机换热器的综合换热系数。

制冷机的管外介质为制冷剂,管外对流换热系数、管壁传热系数是相同的,换热性能不同点在于制冷机管内介质,即水侧强化换热。对于已经定型的制冷机及其配套设施,主要是从提高管内换热系数着手,来提高制冷机换热器换热效率,从而提升制冷机运行能效。

通过提高制冷机换热器管内换热系数来提高综合换热系数是目前采用的主要措施。管内换热系数计算公式见式(2):

管内换热系数:

雷诺数:

普朗特准则:

式中:

Cp——水的比热容,J/(kg·℃);

u——水的粘度,Pa·s;

λ——水的传热系数,W/㎡·K;

V——水流速度,m/s;

r——蒸发器铜管半径,m;

di——蒸发器铜管内径,m。

从管内换热系数计算公式可以看出,制冷机换热器管内流体换热系数hi与雷诺数Re成正比,通过提高雷诺数,可提高制冷机换热器的管内换热系数[7]。

1.3 理论措施

制冷机蒸发换热器是制冷的核心部位,其主要功能是制冷机吸收空调负荷侧热量,达到空调区域降温目的。制冷机蒸发器换热方式主要以对流换热为主。由传热学可知,流体流过固体壁面所发生的热量传递称为对流换热,对流换热以牛顿冷却公式为基本计算式,即

式中:

Q——冷(热)量,J;

K——传热系数;

F——传热面积,m3;

Δt——换热温差,℃。

由牛顿冷却公式可知,当确定某一台换热设备作为测试研究对象,制冷主机已经选定,其换热器的传热面积F已经确定,唯有传热系数K会随着制冷机的运行工况调整变化而改变。顺应制冷机换热器换热效率变化规律,来调整制冷机运行工况从而提高传热系数,最终提高制冷机运行能效,降低运行成本。本文以提高制冷机换热器的传热系数K作为研究目标开展测试研究[8]。

2 实验方案

2.1 原理

不断探索与发掘制冷系统节能潜能,并从运行策略及精细化管控上找创新亮点。在一年气温最高的7、8月份,对玻璃纤维生产基地某个制冷站的离心式制冷机运行研究分析。通过对某台制冷机流量超声波流量计测试发现,虽然所有制冷机在满负荷运行(大温差但小流量),每一台制冷机的冷媒水流量均未达到设计流量。从传热角度分析,蒸发器的换热效率还可以继续提升,即通过提高流经制冷机蒸发器的冷媒水流量(流速)来提高蒸发器管内换热系数,从而提高蒸发器的换热效率,在制冷机消耗相同电耗换取更多的冷量,最大限度提高制冷机COP值,从而降低运行成本。流体传热学中传热系数K与管内换热系数hi成正比,管内换热系数与雷诺数Re成正比,雷诺数Re与流体在一定范围内的流量(流速)成正比。

2.2 条件

水流量的专用测试仪器,超声波电磁流量计1台,检测制冷机蒸发器水流量,蒸发器供水泵自带施耐德变频器调节水流量,通过变频器调节制冷机蒸发器水流量,蒸发器水流量的变化由超声波流量计检测并读取。制冷机显示屏读取制冷机输入功率P及蒸发器进出水温度t0、t1,通过传热量公式Q=cm(t0-t1),计算制冷机能效比COP=Q/P,即制冷量与压缩机输入功率的比值[9]。

2.3 过程

从表1制冷机组运行能效测试表明显看出,随着蒸发器水流量的变大,机组能效COP值也变大,机组COP的变化,直接体现了制冷机组运行能效,即消耗相同功耗所制取的制冷量越大,制冷机效率越高。图1为制冷机组运行能效变化趋势[4]。

表1 制冷机组运行能效对比测试表

图1 制冷机组运行能效变化趋势图[2]

2.3.1 速度场分析

深入研究蒸发器水流量变化对机组能效改变的根本原因。由流体力学与传热学可知,管内强制对流换热,流体在管内的流速对于介质的传热影响较大,流速越大,换热效果越好。图2为不同流速的流体在管内的速度场分布。

图2 速度场分布

通过对制冷机蒸发器水流量的测试,由于液体具有粘性特性,水流量越大则管内水流速越大,水流量越小则管壁水流速越小,V2大于V1,流速大的换热管壁的水流速近似于管中心流速,流速小的换热管壁的水流速明显小于管中心流速,换热不充分。

2.3.2 温度场分析

流体力学与传热学中讲述的热边界层,在对流换热条件下,主流与壁面之间存在着温度差,温度在壁面的法线方向上发生变化,温度变化与速度变化具有相似性,温度场的变化会随着速度场变化而变化,两者变化趋势是相似的。图3为不同流速的流体在管内温度场分布。[10]

图3 温度场分布

通过对制冷机蒸发器水流量的测试,由于液体具有粘性特性,水流量越大则管内水流速越大,水流量越小则管壁水流速越小,V2大于V1,V2流速状态下的温度场t2分布比t1均匀,主流与壁面温度差较小,换热比较充分,反之,则换热不充分。

3 结论

综上所述,通过理论分析与实验测试,作为制冷机换热的核心部位——蒸发器换热直接关系到制冷机的运行能效,运行能效的高低是考量一台制冷机组是否处于高效运行的重要指标,制冷机高效运行是节能的重要因素。通过实际测试分析,提高蒸发器流体(水)流量即提高蒸发器管内流体(水)流速,可以使管内流体的温度场(主流与壁面)之间的分布更加均匀,使得制冷机换热核心部位——蒸发器管内(水)外(制冷剂)之间进行强制对流换热更加充分,制冷机运行能效提升,制冷系统运行成本下降。

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