管排數對變頻空調系統翅片管蒸發器性能影響研究

劉金平,葉立平,祁元龍

(華南理工大學電力學院,廣州510640)

0 引言

蒸發器作為制冷裝置四大部件之一,其換熱效果直接影響制冷裝置的性能和運行的經濟性,若采用緊湊、高效的換熱器,不僅可使整個裝置的體積減小、重量減輕,而且由于裝置的功耗減小,使其能效比大為提高,因此,研究各種高效、緊湊的新型換熱器勢在必行。近年來,制冷裝置中的換熱器也由平直翅片發展成各種新型翅片,如:波紋板式,百葉窗式,穿孔翅片等。影響翅片管換熱器性能的因素有很多,包括:翅片間距,管排數,管徑,管間距,流路分布等,而由于國內外甚至國內各廠家生產技術水平的差異,造成對翅片管換熱器的主要影響因素也不一樣。換熱器的主要熱阻在空氣側,國內外學者對干濕工況下空氣側換熱特性以及壓降特性做了大量的研究,劉金平[1]等實驗研究了析濕工況下管排數對波紋翅片管換熱器空氣側換熱與壓降特性的影響,得出2排管的換熱因子要比1排管的換熱因子大約60%的結論;張圓明[2]等通過對7個帶親水層波紋翅片管換熱器進行實驗研究,分析了翅片間距,管排數,入口相對濕度對帶親水層對翅片管換熱器傳熱以及壓降的影響;C.C.Wang[3]對18臺波紋翅片管換熱器進行了實驗研究,結果顯示翅片間距對換熱性能影響可以忽略,在低雷諾數區域,管排數對換熱系數的影響不顯著,但在高雷諾數區由于渦流的產生換熱系數隨管排數的增多而增大,壓降因子與管排數無關;李斌[4]等在析濕工況下對6個正弦波紋管換熱器進行了實驗研究,得出對流換熱系數是干工況時的2.9～2.8倍,阻力系數是2.25～1.9倍的結論。然而研究的結論不盡相同,劉金平[1]等通過實驗得出2排管的換熱效果比1排管換熱效果好,而馬小魁[5]通過實驗得出3排比2排開縫翅片管換熱器的換熱因子大。并且多數學者對換熱器的研究拘泥于定頻壓縮機制冷系統,所得出的結論不適合于變頻系統。為研究管排數對某公司產翅片管換熱器在變頻制冷系統下的影響,本文針對該公司所生產翅片管蒸發器進行實驗研究。

1 實驗裝置

實驗研究在開式風洞臺上進行,實驗裝置如圖1所示,由開式空氣回路和制冷劑回路組成。開式空氣回路包括離心風機,空氣采樣器,整流器等組成,空氣采樣器用于采集蒸發器前后的空氣樣本,來流空氣的干濕球溫度由兩支經過標定的精度為±0.1℃的Pt100鉑電阻溫度傳感器測量,整流器用于平均入口來流空氣,從而可以忽略蒸發器迎面風速的不均勻性,蒸發器迎面風速由一臺3kW變頻離心風機控制。流經換熱器的風量由一個標準ISA1932噴嘴測量。噴嘴前后的壓差由一個量程為0～750Pa,精度為±0.75Pa的微差壓傳感器測量,從而得出通過噴嘴的空氣流量。

圖1 實驗系統示意圖

同樣的一個差壓傳感器置于換熱器前后,用于測量蒸發器前后壓差。制冷劑回路由被動調節變頻壓縮機提供循環動力;制冷劑進出蒸發器的壓力由兩個精度為0.15級的PM100壓力傳感器測量。制冷劑的進出口溫度由兩支T型熱電偶測量,銅管外壁溫度由21支T型熱電偶測量,所有使用的T型熱電偶均經過標定,其精度為±0.1℃。

實驗研究對象為某廠家生產的翅片管換熱器,由整體式鋁合金翅片和紫銅管組成。具體幾何尺寸見表1。

表1 樣本波紋翅片管換熱器幾何尺寸表

實驗條件為環境干球溫度29.4℃,濕球溫度26.3℃。實驗用制冷劑為R22。

2 實驗結果與討論

在上述實驗系統中對研究對象進行了換熱能力的實驗測量,實驗中,通過改變迎面風速和壓縮機運行頻率來考察2個不同排管數的蒸發器的換熱能力。

2.1 管排數對制冷量的影響

由圖2可以看出,翅片管蒸發器的換熱量隨著壓縮機運行頻率的上升而增加,在相同壓縮機運行頻率和相同迎面風速下,4排管換熱量大于2排管換熱量。當壓縮機的運行頻率達到50Hz時,換熱量隨著壓縮機頻率的上升變化緩慢。圖3反映的是平均單排管換熱量隨壓縮機頻率的變化,圖中可以看出,2排管換熱器的平均單管排換熱量明顯大于4排管的。圖2、圖3還反映出,在相同的壓縮機運行頻率下,換熱量隨著風速的增加而增大。選取換熱量最大時的頻率做分析,2排管以壓縮機運行頻率40Hz為例,迎面風速1m/s換熱量比迎面風速0.5m/s時增加 28.9%,而迎面風速為1.5m/s比1m/s增加3.2%,迎面風速2.0m/s比1.5m/s時增加2.7%。4排管以工頻50Hz為例,迎面風速1m/s換熱量比迎面風速0.5m/s時增加21.3%,而迎面風速為 1.5m/s比 1m/s增加 5.7%,迎面風速2.0m/s比1.5m/s時增加3.5%。

可能的原因為:空氣流經換熱管時將產生渦流,在相同的壓縮機運行頻率下,當迎面風速較高時,由于渦流的存在,換熱器空氣側的空氣流動和溫度分布很容易變得不穩定,空氣能夠較好的混合,從而導致較高的換熱效果。此時管排數對空氣側換熱特性的影響便可忽略。而隨著迎面風速的降低,換熱器下游的湍流影響逐漸消失。隨著管排數的增加,換熱器空氣側的流動越趨于穩定。因此在較低風速的時候管排數對換熱的影響變得顯著。

從上述2圖還可以看出,當頻率較低時,制冷量隨著頻率的增大幾乎成線性增大,當頻率到達某一值時,制冷量的增加隨著頻率的增大趨于緩慢。這是因為隨著壓縮機頻率的增加,壓縮機轉速的增加導致輸氣量的增加,蒸發器壓力下降,單位質量制冷量減小,但在達到峰值以前,增大質量流量仍在傳熱中占主導地位,所以制冷量會逐漸增大。但是壓縮機頻率的進一步增加,蒸發溫度的下降會使單位質量制冷量進一步減小,這時單位質量制冷量的降低占主導地位,制冷量反而會下降,抑制了制冷量的進一步上升,這就是制冷量出現峰值的原因,在峰值過后,傳熱溫差占優勢,制冷量又開始下降。

2.2 管排數對傳熱系數及空氣側壓降的影響

由圖4可以看出,實驗所研究的2個蒸發器,其傳熱系數隨著壓縮機頻率的增加而不斷減小,當壓縮機在較高頻率運轉時,傳熱系數的大小趨于不變,并且迎面風速對傳熱系數的影響越來越小。在相同的迎面風速下,傳熱系數隨管排數的增加而減小。相同頻率時2排管傳熱系數均大于4排管傳熱系數。

圖5反映空氣側壓降隨迎面風速的上升而增加,4排管壓降明顯大于2排管的壓降,并隨著迎面風速的增加這個差別也增大。

析濕系數是一個無量綱數,其值等于空氣與換熱器總熱交換量與顯熱交換量的比值,析濕系數的大小一定程度上反映了換熱器上凝結水析出的多少。

這種趨勢可以做以下解析:蒸發溫度隨著壓縮機運行頻率的增加而不斷降低,當蒸發器的溫度低于空氣的露點溫度時會產生冷凝水,蒸發器溫度越低產生的冷凝水越多,在相同的壓縮機運行頻率時,蒸發器蒸發溫度隨著管排數的增加而降低。圖6可以看出實驗工況下析濕系數較大,產生較多的冷凝水。由于實驗用蒸發器不帶親水層,冷凝水不能很好的排出去,當冷凝水把整個換熱器覆蓋后,空氣與換熱器的對流換熱變成了水膜與換熱器的導熱,從而換熱器迎面風速對傳熱系數的影響很小,并且因為增加管排數后,管后渦流區的范圍會擴大,其對換熱的惡化作用將增強。如此大大的降低了蒸發器的換熱效果。這與文獻 [2]實驗研究結論相類似。從圖7可以看出,隨著壓縮機頻率的增加,2排管換熱溫差較4排管換熱溫差大,從而2排管換熱效果優于4排管換熱效果。同樣由于冷凝水的原因,造成空氣流經換熱器時更大的阻力。4排管由于蒸發壓力低于2排管,所凝結的冷凝水少于2排管,因此4排管換熱器空氣壓降較2排管小,并隨著壓縮機工作頻率的增加而更明顯。

3 結論

(1)管排數對蒸發器換熱量影響比較明顯,平均單位管排換熱量2排管優于4排管。

(2)蒸發器傳熱系數隨著壓縮機運行頻率的增加而降低,2排管傳熱系數大于4排管傳熱系數。

(3)析濕工況下,2排管換熱器空氣側壓降小于4排管空氣側壓降,并隨著壓縮機頻率的增加更明顯。

[1] 劉金平,戴紹碧,葉立平.析濕工況下波紋翅片管換熱器空氣側換熱與壓降特性 [J].化工學報,2009,60(10):2438-2445

[2] 張圓明,丁國良,馬小魁.帶親水層波紋翅片管換熱器空氣側特性的參數影響分析[J].制冷學報,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,康海軍,等.析濕正弦波紋翅片管束的熱質交換特性研究[J].西安交通大學學報,1996,30(8):57-62

[5] 馬小魁,丁國良,張圓明.帶親水層條縫型翅片管換熱器析濕工況空氣側換熱與壓降特性[J].高校化學工程學報,2007,21(4):575-580