低制冷剂充注量的风冷冷凝器性能研究

2022-06-09潘大红孙义豪王亚林万匡禹

建筑热能通风空调 2022年4期

潘大红孙义豪* 王亚林万匡禹

1 浙江大学建筑设计研究院有限公司

2 华东勘测设计研究院有限公司

0 引言

制冷技术在当今的话题更多是节能和环保[1]。有数据显示，发达国家中暖通空调能耗占建筑总能耗的65%，以建筑能耗占总能耗的35%的比例来计算，暖通空调能耗占总能耗比例高达22.75%[2]。然而，空调制冷剂氟利昂对臭氧层的破坏十分严重[3]，迫使人们也不得不考虑如何更加清洁环保地使用空调。

许多学者对此进行了积极探索[4-5]。其中，刘金平团队根据液相积存原理[6]设计出降膜冷凝器。张发勇等使用降膜冷凝器对 R22 充注量为550 g、650 g、750 g 分别进行了对比实验得出：在较少影响系统性能的前提下，R 22 充注量由1050 g 减少到650 g，降低了38.1%[7]。为进一步探寻 R22 在上述实验中最佳充注量，本实验重新设置了四个不同组别，每组实验 R22 充注量分别为550g、590g、625g、660g。同时为了验证该降膜冷凝器对其他类型的制冷剂是否同样具有减充效果[8]，本次实验用 R290[9-10]新增了四组对比实验，其充注量分别为200 g、230 g、250 g、285 g。

1 实验介绍

1.1 实验装置

本实验是在某品牌家用空调1 匹机的基础上进行改造进而实施的，因此实验器材为原制冷机组（标准机），以及采用竖直管降膜冷凝器[11]的改良机。标准机主要铭牌参数见表1。

表1 标准机主要铭牌参数

降膜冷凝器与标准机冷凝器的外形结构相同，其主要结构特点有以下几点[12-13]：①将原来的横管结构改变成竖直管，利用重力迫使液态制冷剂下降从而改善流动，减少了液膜的厚度，降低制冷剂侧的热阻。②在竖直管冷凝器的进口处设置了两根并列的U 形管，使过热制冷剂蒸气在流经冷凝器有更大的流量和流速，强化换热并减少了过热段的长度占比。③在竖直管降膜冷凝器的出口处焊接了一根毛细管，汇聚下来的液态制冷剂在此处形成“液封”，防止气态制冷剂未经换热便节流，提高了传热效果。④降膜冷凝器采用管径比原来更细的铜管，从而减小了管壁热阻。

制冷剂在降膜冷凝器中的流动路线为：经过压缩机压缩之后的高温高压气态制冷剂从压缩机的排气口排出，进入降膜冷凝器。由于实验用降膜冷凝器设计了两排平行的管路，故高温高压气态制冷剂进入降膜冷凝器后会被分配到前后平行的两条支路，各支路中的制冷剂要先通过一个U 形管换热，由过热状态向冷凝状态过渡，之后被分配到并联的竖直管(每条支路有32 根)，在竖直管内进行冷凝放热过程，由两相态开始转变为液态，最后经下端液管汇合经液封装置流至节流装置（本实验用的是电磁膨胀阀）。

1.2 实验步骤

1）搭建实验台：将本实验设计的竖直管降膜冷凝器替代原先的冷凝器安装到某家用空调机组中，并将冷凝器进出口分别焊接到压缩机出口和节流装置上。检漏方法是[14]，冲入一定量的制冷剂后观察压力传感器，1～2 小时之后压力无较大变化则气密性能良好。检漏完毕之后在各温度测点接上T 型热电偶，用锡箔纸包裹，并用电工胶布缠住。

2）抽真空[15]：将真空泵用橡胶软管连接双表阀的1号口，3号口连接压缩机充灌口，2 号口堵死。各接口接好后先打开真空泵，然后打开双表阀两侧的手阀，当表压达到-0.8bar 以下时，继续抽10 分钟左右，尽可能减少水分和不凝性气体对实验结果的影响。抽真空结束后，先关闭手阀在关闭真空泵，以防止气体被负压吸进充灌口。

3）制冷剂充注：抽真空后将双表阀1 号口软管换成新的软管，并连接雪种罐。充注制冷剂要求雪种罐始终置于电子秤上。充注时打开双表阀两侧的手阀，待制冷剂充注速度变慢后，需要启动压缩机来降低充注口压力使得充注能够继续进行。当充注量接近设定值后，需要慢慢关闭双表阀的手阀，直到达到设定的充注量。

4）数据采集：制冷剂充注结束后，启动焓差室系统开始进行实验。当室内外空气干湿球温度达到试验工况，并且波动不超过±0.2℃的30 min 内所采集到的数据为所需要的数据。在数据采集结束之前使用红外热像仪对室外机冷凝器翅片表面温度进行热成像摄取。改良机需要增加充注量时，只需在开机状态下加注制冷剂即可。

2 传热系数计算及对比分析

2.1 传热系数模型的建立

2.1.1 制冷剂侧

制冷剂侧的传热系数计算采用努赛尔膜状凝结换热理论[16]。

标准机横管结构的换热系数计算公式为：

改良机竖直管结构的换热系数计算公式为：

式中：λl——液膜导热系数，W/(m2·K)；g——重力加速度，m/s2；r——汽化潜热，kJ/kg；ρ1——液膜密度，kg/m3；η1——液体动力粘度，Pa·s；ts——液膜平均温度，K；tw——壁面平均温度，K；x——横管总长度，m；l——竖管总长度，m。

其中：除了汽化潜热r按照ts为定性温度以外，其余物性参数均以(ts+tw)/2 为定性温度。

2.1.2 空气侧

空气侧的传热系数计算公式采用 A.A.果戈林提出的公式计算[17]：

式中：λ——空气平均导热系数，W/(m2·K)；de——空气通道断面的当量直径，m；Re——雷诺数；L——沿气流方向肋片长度，m；η1——液体动力粘度，Pa·s。

m、n为指数：

C1为与气流状况有关的系数：

C2为与结构尺寸有关的系数：

考虑到该冷凝器采用的是肋管，因此空气侧的换热系数要考虑肋效率，修正后，当量换热系数计算公式如下：Ap——肋片间基管外总表面积，m2；A——肋管总外表

式中：ηf——肋片效率；Af——肋片总表面积，m2；面积，m2。

2.2 实验数据分析

标准工况下进行的9 组实验数据见表2，由表2 实验数据可知：

表2 实验数据汇总

对于制冷剂R22，改良机的功率始终低于标准机，在充灌量为550 g 下功率为标准机的97.6%，制冷量达到标准机的81.96%。在充灌量增加到590 g 下功率达到760 W，相比550 g 充注量无明显变化，制冷量增加到2133 W，相当于标准机的85.5%。在625 g 和660 g 情况下，功率仍无明显变化，制冷量分别为2127 W 和2104 W，由此可知，最佳充注量在590 g 左右，超过590 g 后制冷量稍微有所降低。

对于制冷剂 R290，在充注量为200 g 下，功率为标准机的83.9%，制冷量为标准机的66%。随着充注量增加到230 g，功率也相应增到653 W，占标准机的84%，制冷量增加到标准机的68.5%，当充注量达到250 g 时，功率上升到713 W，占标准机的91.76%，制冷量达到1786 W，为标准机的71.58%，继续增加充灌量到285 g 时，功率相应增加到726 W，制冷量相比充灌量250 g 有所降低，约降低4.5%。

将以上数据总结为：

1）本实验用的降膜冷凝器相比标准机冷凝器，在不减少传热性能前提下，减少制冷剂充注量效果明显。

2）本实验所用制冷剂 R290 和 R22 相比，制冷剂减冲效果进一步提高，R 290 充注量在230 g 左右时传热性能最佳。但是COP 降低很多，实验效果并不理想，有进一步改进实验再进行比较的必要。

标准工况下9 组实验的温度数据见表3，并将表3 数据整理绘制各组温度参数柱状图（图1）。

表3 实验装置温度数据

图1 各组温度数据柱状图

通过分析图1 可得出如下结论：

1）改良机充注 R22 的充灌量为550 g 时，冷凝器进口温度与标准机大致相当，随着充注量的增加，冷凝器进口温度有所降低，当充注量达到660 g 时，冷凝温度下降明显，相比550 g 时降低了10.8%。这主要是因为增加充注量后，压缩机是定频压缩，排气压力无明显变化，因此排气温度降低，导致冷凝温度降低。冷凝温度的这种变化趋势，在充注 R290 的改良机上也表现出来。

2）4 组充注R22 改良机的冷凝器出口温度、节流温度、蒸发器进口温度、蒸发器出口温度均无明显变化，且均高于标准机的测试数据。而4 组充注R290 改良机的上述温度数据，除了蒸发器出口温度变化不定以外，其余均呈现出温度随充注量增加而上升趋势。

2.3 计算数据分析

空气侧的传热系数计算见表4：

表4 空气侧换气系数计算表

本实验是在标准焓差实验室中进行，9 组实验的工况均为标准工况，空调机组为定频机组，风机转速保持不变，均为2.5 m/s，因此其空气侧的空气流速相同。标准机的冷凝器由于换热管及翅片结构均有所差异，且换热管的管壁较厚，翅片效率相对较低，导致其空气侧的换热系数要低于改良机的降膜冷凝器。

制冷剂侧是按照式（1）、（2）来求解的。由于实际试验过程中，换热管壁面温度难以测量，因此对上述公式的求解采用了优化求解如下式：

式中：q1——制冷剂液膜到壁面的热流密度，W/m2；q2——换热管壁面到空气的热流密度，W/m2；αa——空气侧换热系数，W/(m2·K)；α1——制冷剂侧换热系数，W/(m·2K)。

先假定一个壁面温度，然后按照用制冷剂物性数据表查出的制冷剂物性参数利用式（1）、（2）算出一个换热系数值，该值显然不是准确值。然后需把这个求出来的换热系数值和假定的壁面温度代入式（10），若等式不成立则需要重新假定一个壁面温度值，直至等式成立。

控制壁面温度值的精确度为±0.1%，得出该壁面温度之后，再将其代入式（1）或（2），即可求出所需要的换热系数值。

各组实验最终计算出的换热系数见表5，对其数据进行分析可知：对于充注相同制冷剂的标准机和改良机来说，四组不同充灌量的改良机的整体换热系数要高于标准机，尤其是改良机在充注量为590 g 时，综合换热系数最大，换热性能最佳，这也与上述表2 的实验数据得出的结论相符合。

表5 计算换热系数汇总表

充注R290 的机组计算换热系数相较于充注 R22 的机组要偏低。其中，R 22 换热性能最佳的充注量为590 g，R 290 换热性能最佳的充注量为230 g。考虑到 R22 和R290 的充注量不同，且 R290 换热性能最佳充注量为 R22 的38.98%，减充效果显著，且换热系数相差不多，但是制冷量很低。

3 热像图研究

本实验旨在研究低制冷剂充注量的风冷冷凝器性能。因此在标准工况下数据采集完毕之前需要对其冷凝器的翅片进行热像图摄取[18]，以分析两种类型风冷冷凝器的传热性能。本实验的传热效果图见图2。

图2 热成像效果图

实验中对标准机和充注 R290 的改良机进行了热像图的采集，标准工况下，翅片表面温度3D 图像[19]如图3：

图3 翅片表面温度3D 图

对3D 热像图分析可知：

1）相同制冷工况下，降膜冷凝器表面温度波动较大，且分布相对不均匀，这主要是由于充注量减少导致的接触不均引起的，随着充灌量的增加这种情况逐渐有所改善。

2）相比于标准机冷凝器，竖直管降膜冷凝器表面的“泛红”区域明显增加，这代表着在空气侧参数相同的情况下，降膜冷凝器有着更大的传热温差，从而提高了换热效果，实现了降低充注量而不影响换热系数的目的。

3）改良机的3D 热像图的“泛红”区域明显在左端呈现一个 U 形，随着充注量的增加，“泛红”区域逐渐向右延伸。这是由于竖直管降膜冷凝器入口采用U 形管设计，有效降低了过热段长度占比，因此这部分翅片表面温度颇高，在热像图中形成了 U 形“泛红区域”。

4）上述四组充注 R290 的降膜冷凝器表面平均温度较低，且分布不均，并不利于换热。分析可能是以下原因：①竖直管降膜冷凝器加工品质较差，铜管与翅片之间的连接不够紧密[20]。② R290 相较于R22 来说质量流量较低，故直接用原空调系统时，换热效果比较差，需针对R290 的特性对实验系统进行改良设计。