玻璃纖維行業制冷機能效提升研究

何壽喜，吳宇明，李少華，宋長宇，沈檑瑤，童俊達，曹建強

（巨石集團有限公司，桐鄉 314500）

0 前言

玻璃纖維是一種性能優越的無機非金屬材料，英文名稱為glass fiber，主要成分二氧化硅、氧化鈣、氧化鎂、氧化鋁、氧化硼等，玻璃纖維單絲直徑從幾微米到二十幾微米，每束纖維原絲都由上百根甚至上千根單絲組成，通常作為復合材料中的增強材料，被廣泛應用于航空航天、能源、建筑、電力等領域［1］。玻璃纖維生產對環境溫濕度要求比較高，通常采用制冷空調來保證生產工藝恒溫恒濕，而制冷空調對能源消耗較大。針對制冷機運行消耗大量電能，需提升制冷機運行能效，降低運行成本等情況，探索一種節能運行方法，并把這種方法運用于制冷系統日常運行管理控制，進一步降低生產經營成本［2］。本文提出一種提高制冷機運行能效方法，并采用理論指導與實驗研究2種方法做具體分析。制冷系統包含制冷機及制冷配套設施，制冷機主要由壓縮機、蒸發器、冷凝器、節流裝置組成，其中蒸發器與冷凝器在制冷系統中作為冷熱交換設備，這2個交換設備的冷熱交換效率直接關系到制冷機的運行效率。有針對性地對制冷機冷熱交換性能進行分析研究并進行有效控制，使其發揮最佳效能，從而確保整個制冷系統的節能高效運行［3］。

1 換熱的理論分析

1.1 制冷原理

玻璃纖維生產需要空調控制一定的溫濕度［4］，從而確保產品質量，生產工藝性空調由大功率制冷機供冷。其中，制冷的四大部件為壓縮機、冷凝器、節流器、蒸發器。蒸發器是制冷的核心部位，來自生產車間空調換熱后的高溫水在制冷機蒸發器換熱銅管內與管外的低溫制冷劑進行冷熱交換，蒸發器管內的高溫水溫度降低，供應車間空調制冷，蒸發器管外的制冷劑被管內高溫水加熱后溫度升高汽化被制冷壓縮機吸入，完成一個制冷循環。圖1是制冷原理圖［5］。

圖1 制冷原理圖

1.2 傳熱系數

根據流體傳熱學原理，制冷機換熱器的傳熱系數計算公式為：

式中：

h0——管外流體換熱系數，W/（m2·K）；

hi——管內流體換熱系數，W/（m2·K）；

Rw——管壁導熱熱阻，K/W；

Ri——污垢熱阻［6］，K/W ；

A0——管子外表面積，m2；

Ai——管子內表面積，m2。

從計算公式（1）可以看出，制冷機換熱器的綜合換熱系數與管外流體換熱系數h0、管內流體換熱系數hi等成正比，通過提高換熱器的管外流體換熱系數h0、管內流體換熱系數hi等換熱參數，可提高制冷機換熱器的綜合換熱系數。

制冷機的管外介質為制冷劑，管外對流換熱系數、管壁傳熱系數是相同的，換熱性能不同點在于制冷機管內介質，即水側強化換熱。對于已經定型的制冷機及其配套設施，主要是從提高管內換熱系數著手，來提高制冷機換熱器換熱效率，從而提升制冷機運行能效。

通過提高制冷機換熱器管內換熱系數來提高綜合換熱系數是目前采用的主要措施。管內換熱系數計算公式見式（2）：

管內換熱系數：

雷諾數：

普朗特準則：

式中：

Cp——水的比熱容，J/（kg·℃）；

u——水的粘度，Pa·s；

λ——水的傳熱系數，W/㎡·K；

V——水流速度，m/s；

r——蒸發器銅管半徑，m；

di——蒸發器銅管內徑，m。

從管內換熱系數計算公式可以看出，制冷機換熱器管內流體換熱系數hi與雷諾數Re成正比，通過提高雷諾數，可提高制冷機換熱器的管內換熱系數［7］。

1.3 理論措施

制冷機蒸發換熱器是制冷的核心部位，其主要功能是制冷機吸收空調負荷側熱量，達到空調區域降溫目的。制冷機蒸發器換熱方式主要以對流換熱為主。由傳熱學可知，流體流過固體壁面所發生的熱量傳遞稱為對流換熱，對流換熱以牛頓冷卻公式為基本計算式，即

式中：

Q——冷（熱）量，J；

K——傳熱系數；

F——傳熱面積，m3;

Δt——換熱溫差，℃。

由牛頓冷卻公式可知，當確定某一臺換熱設備作為測試研究對象，制冷主機已經選定，其換熱器的傳熱面積F已經確定，唯有傳熱系數K會隨著制冷機的運行工況調整變化而改變。順應制冷機換熱器換熱效率變化規律，來調整制冷機運行工況從而提高傳熱系數，最終提高制冷機運行能效，降低運行成本。本文以提高制冷機換熱器的傳熱系數K作為研究目標開展測試研究［8］。

2 實驗方案

2.1 原理

不斷探索與發掘制冷系統節能潛能，并從運行策略及精細化管控上找創新亮點。在一年氣溫最高的7、8月份，對玻璃纖維生產基地某個制冷站的離心式制冷機運行研究分析。通過對某臺制冷機流量超聲波流量計測試發現，雖然所有制冷機在滿負荷運行（大溫差但小流量），每一臺制冷機的冷媒水流量均未達到設計流量。從傳熱角度分析，蒸發器的換熱效率還可以繼續提升，即通過提高流經制冷機蒸發器的冷媒水流量（流速）來提高蒸發器管內換熱系數，從而提高蒸發器的換熱效率，在制冷機消耗相同電耗換取更多的冷量，最大限度提高制冷機COP值，從而降低運行成本。流體傳熱學中傳熱系數K與管內換熱系數hi成正比，管內換熱系數與雷諾數Re成正比，雷諾數Re與流體在一定范圍內的流量（流速）成正比。

2.2 條件

水流量的專用測試儀器，超聲波電磁流量計1臺，檢測制冷機蒸發器水流量，蒸發器供水泵自帶施耐德變頻器調節水流量，通過變頻器調節制冷機蒸發器水流量，蒸發器水流量的變化由超聲波流量計檢測并讀取。制冷機顯示屏讀取制冷機輸入功率P及蒸發器進出水溫度t0、t1，通過傳熱量公式Q=cm（t0-t1），計算制冷機能效比COP=Q/P，即制冷量與壓縮機輸入功率的比值［9］。

2.3 過程

從表1制冷機組運行能效測試表明顯看出，隨著蒸發器水流量的變大，機組能效COP值也變大，機組COP的變化，直接體現了制冷機組運行能效，即消耗相同功耗所制取的制冷量越大，制冷機效率越高。圖1為制冷機組運行能效變化趨勢［4］。

表1 制冷機組運行能效對比測試表

圖1 制冷機組運行能效變化趨勢圖[2]

2.3.1 速度場分析

深入研究蒸發器水流量變化對機組能效改變的根本原因。由流體力學與傳熱學可知，管內強制對流換熱，流體在管內的流速對于介質的傳熱影響較大，流速越大，換熱效果越好。圖2為不同流速的流體在管內的速度場分布。

圖2 速度場分布

通過對制冷機蒸發器水流量的測試，由于液體具有粘性特性，水流量越大則管內水流速越大，水流量越小則管壁水流速越小，V2大于V1，流速大的換熱管壁的水流速近似于管中心流速，流速小的換熱管壁的水流速明顯小于管中心流速，換熱不充分。

2.3.2 溫度場分析

流體力學與傳熱學中講述的熱邊界層，在對流換熱條件下，主流與壁面之間存在著溫度差，溫度在壁面的法線方向上發生變化，溫度變化與速度變化具有相似性，溫度場的變化會隨著速度場變化而變化，兩者變化趨勢是相似的。圖3為不同流速的流體在管內溫度場分布。［10］

圖3 溫度場分布

通過對制冷機蒸發器水流量的測試，由于液體具有粘性特性，水流量越大則管內水流速越大，水流量越小則管壁水流速越小，V2大于V1，V2流速狀態下的溫度場t2分布比t1均勻，主流與壁面溫度差較小，換熱比較充分，反之，則換熱不充分。

3 結論

綜上所述，通過理論分析與實驗測試，作為制冷機換熱的核心部位——蒸發器換熱直接關系到制冷機的運行能效，運行能效的高低是考量一臺制冷機組是否處于高效運行的重要指標，制冷機高效運行是節能的重要因素。通過實際測試分析，提高蒸發器流體（水）流量即提高蒸發器管內流體（水）流速，可以使管內流體的溫度場（主流與壁面）之間的分布更加均勻，使得制冷機換熱核心部位——蒸發器管內（水）外（制冷劑）之間進行強制對流換熱更加充分，制冷機運行能效提升，制冷系統運行成本下降。