制冷劑充注量及布管方式對(duì)降膜式蒸發(fā)器性能影響的試驗(yàn)研究

胡東兵，岳清學(xué)，張營(yíng)，楊旭峰

（格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

隨著環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，制冷劑替代和減量延續(xù)技術(shù)已然成為當(dāng)前空調(diào)行業(yè)的重要關(guān)注點(diǎn)[1-2]。傳統(tǒng)滿液式蒸發(fā)器雖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，換熱性能穩(wěn)定，但存在著冷媒充注量大、機(jī)組回油困難等缺點(diǎn)，相比之下，水平管降膜蒸發(fā)器作為一種新型高效換熱設(shè)備，不僅具有較高的換熱性能，而且還具有制冷劑充注量少、傳熱溫差小、回油可靠等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。隨著新冷媒的推廣使用，大中型冷水機(jī)組中，較少冷媒充注量的降膜式蒸發(fā)器具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)，使其逐漸取代滿液式蒸發(fā)器。已有文獻(xiàn)對(duì)降膜式蒸發(fā)器進(jìn)行研究，但是大多集中在布液器參數(shù)、管外液膜分布、管間流型及管束排列的試驗(yàn)與仿真方面[6-15]，對(duì)整機(jī)進(jìn)行研究的報(bào)道較少。

本文通過(guò)機(jī)組測(cè)試，從換熱量、制冷劑充注量等方面對(duì)比滿液式機(jī)組和降膜式機(jī)組的性能，并探討降膜式蒸發(fā)器存在的一些問(wèn)題，為后續(xù)降膜式的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和推廣使用提供參考。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

測(cè)試所用的降膜式蒸發(fā)器與滿液式蒸發(fā)器，所采用的換熱管規(guī)格、型號(hào)、數(shù)量完全一樣。如圖1所示，兩臺(tái)蒸發(fā)器內(nèi)部管束布置及內(nèi)構(gòu)件有所不同，滿液式布管高度較低，最高排管位置約為殼體中心，管束采用左右對(duì)稱布置，冷媒進(jìn)口設(shè)置在殼體底部，出氣口在殼體頂部。降膜式蒸發(fā)器殼體內(nèi)部上端為布液器，布液器下方為換熱管束，管排跟布液器寬度保持一致，降膜區(qū)管束布置成長(zhǎng)方形，底部滿液區(qū)為圓弧形，進(jìn)液口及出氣口均在殼體頂部。

圖1 管束布置示意圖

1.2 測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試步驟

試驗(yàn)樣機(jī)在600 RT冷水機(jī)組測(cè)試臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，機(jī)組系統(tǒng)如圖2所示，其中降膜式進(jìn)液接管在蒸發(fā)器頂部，滿液式進(jìn)液接管在蒸發(fā)器底部。

測(cè)試步驟：

1）先測(cè)試滿液式蒸發(fā)器，機(jī)組充注量350 kg，按照既定試驗(yàn)方案測(cè)試機(jī)組名義制冷工況及部分負(fù)荷工況下性能參數(shù)，每個(gè)工況穩(wěn)定運(yùn)行2 h后保存測(cè)試數(shù)據(jù)；

2）滿液式各工況測(cè)試完成后，回收冷媒和潤(rùn)滑油，將機(jī)組蒸發(fā)器更換為降膜式蒸發(fā)器，并清洗系統(tǒng)，重新充注冷媒和潤(rùn)滑油，冷媒初始充注量230 kg；

3）蒸發(fā)器進(jìn)出水管采用上進(jìn)下出時(shí)，測(cè)試不同工況下機(jī)組的性能，每個(gè)工況穩(wěn)定運(yùn)行2 h后保存測(cè)試數(shù)據(jù)，每次增加10 kg冷媒，均按照先測(cè)試名義制冷工況，后測(cè)試部分負(fù)荷工況的順序進(jìn)行測(cè)試，直至冷媒增加后機(jī)組名義制冷工況下參數(shù)變化幅度明顯降低，則不再增加冷媒；

4）調(diào)換蒸發(fā)器進(jìn)出水管方式，改為下進(jìn)上出，測(cè)試不同工況下機(jī)組的性能，每個(gè)工況穩(wěn)定運(yùn)行2 h后保存測(cè)試數(shù)據(jù)，每次減少10 kg冷媒，直至冷媒減少后機(jī)組性能參數(shù)低于滿液式或者發(fā)現(xiàn)機(jī)組滿液區(qū)液位較低，換熱管存在“干燒”現(xiàn)象，則不再減少冷媒。

圖2 系統(tǒng)原理示意圖

1.3 測(cè)試工況及允差

名義工況下參數(shù)設(shè)定均按照如下要求執(zhí)行：蒸發(fā)器額定水流量（m3/h）按照0.172x名義制冷量（kW）設(shè)定，出水溫度設(shè)定為7 ℃；冷凝器器額定水流量按照0.215x名義制冷量設(shè)定，進(jìn)水設(shè)定為30 ℃。

參數(shù)允差應(yīng)符合以下要求：

1）機(jī)組的水溫偏差±0.1 ℃；

2）冷凍水流量及冷卻水流量應(yīng)在額定流量的±5%以內(nèi)；

3）機(jī)組應(yīng)在額定頻率、額定電壓下運(yùn)行，其頻率偏差值不應(yīng)大于0.5 Hz、電壓偏差在±5%以內(nèi)。

1.4 數(shù)據(jù)導(dǎo)出及不確定度分析

總換熱系數(shù)按如下公式計(jì)算：

式中：

Q——換熱量，kW；

A——換熱面積，以換熱管外表面積為基準(zhǔn)，m2；

do——換熱管名義外徑，m；

L——換熱管有效長(zhǎng)度，m；

N——換熱管數(shù)量；

ΔTm——對(duì)數(shù)平均溫差，℃；

Tin——冷凍水進(jìn)水溫度，℃；

Tout——冷凍水出水溫度，℃；

To——蒸發(fā)溫度，℃。

根據(jù)文獻(xiàn)[16]，直接測(cè)量參數(shù)可表示為：

式中：

Xi,meas為測(cè)量值，δx為測(cè)量不確定度，其相對(duì)不確定度即為Xi/δx；

由測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算間接得到參數(shù)R的絕對(duì)不確定度為：

相對(duì)不確定度為：

式中：

X1,X2,……,Xn為n個(gè)獨(dú)立測(cè)量值為，即參數(shù)R=f(X1,X2,……,Xn)；

W1,W2,……,Wn為X1,X2,……,Xn對(duì)應(yīng)不確定度。

表1 參數(shù)的不確定度

2 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

為對(duì)比滿液式蒸發(fā)器機(jī)組和降膜式蒸發(fā)器機(jī)組的差異，選擇名義制冷工況下機(jī)組制冷量、性能系數(shù)、蒸發(fā)溫度進(jìn)行分析。

2.1 滿液式機(jī)組測(cè)試數(shù)據(jù)

滿液式機(jī)組冷媒充注量350 kg，機(jī)組名義制冷工況下數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 滿液式機(jī)組名義制冷工況下數(shù)據(jù)

2.2 降膜式機(jī)組測(cè)試數(shù)據(jù)

將測(cè)試機(jī)組滿液式蒸發(fā)器更換為降膜式蒸發(fā)器，按原滿液式機(jī)組相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行布置并測(cè)試。

對(duì)于滿液式機(jī)組而言，其冷媒液位較高，換熱管浸泡于冷媒中進(jìn)行蒸發(fā)換熱，進(jìn)出水管方式對(duì)換熱影響較小。而降膜式蒸發(fā)器則由于布管位置較高且冷媒充注量較少，只有底部少量換熱管處于冷媒液位以下，即滿液區(qū)，因此蒸發(fā)器進(jìn)出水管方式會(huì)對(duì)換熱產(chǎn)生較大的影響。試驗(yàn)分別測(cè)試了進(jìn)出水管采用上進(jìn)下出和下進(jìn)上出兩種方式下的機(jī)組性能。

2.2.1 蒸發(fā)器進(jìn)出水管采用上進(jìn)下出的方式

降膜式機(jī)組初始冷媒充注量230 kg，在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行2 h后保存機(jī)組數(shù)據(jù)。后續(xù)每次增加10 kg冷媒，運(yùn)行穩(wěn)定2 h后保存數(shù)據(jù)，機(jī)組制冷量增加幅度明顯降低時(shí)不再增加冷媒。不同冷媒充注量下的名義制冷工況下制冷量、性能系數(shù)以及蒸發(fā)溫度變化如圖3所示。以圖3中滿液式數(shù)據(jù)均表示冷媒充注量為350 kg時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)。

由圖3可知，隨著冷媒充注量增加，降膜式機(jī)組制冷量升高，但增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸緩慢，且在充注量280 kg以后制冷量不再顯著增加。機(jī)組制冷量在冷媒充注量250 kg時(shí)開(kāi)始超過(guò)滿液式，此時(shí)機(jī)組性能系數(shù)略低于滿液式（見(jiàn)圖4），若不考慮蒸發(fā)溫度，在機(jī)組制冷量與性能系數(shù)與滿液式相當(dāng)時(shí)，降膜式采用上進(jìn)可減少約100 kg冷媒，相比滿液式冷媒充注量可降低28.6%。由圖4可以看出，性能系數(shù)趨勢(shì)與制冷量相同，且在冷媒充注量260 kg時(shí)，降膜式性能系數(shù)開(kāi)始超過(guò)滿液式。由圖5可以看出，隨著充注量增加，蒸發(fā)溫度呈階段性增加，降膜式蒸發(fā)溫度由5.2 ℃升高到5.6 ℃，在冷媒充注量280 kg前降膜式蒸發(fā)溫度低于滿液式機(jī)組，但在280 kg后蒸發(fā)溫度與滿液式持平。

圖3 降膜式（上進(jìn)）不同冷媒充注量下制冷量變化

2.2.2 蒸發(fā)器進(jìn)出水管采用下進(jìn)上出的方式

更換進(jìn)出水管方式前機(jī)組冷媒充注量為300 kg，更換進(jìn)出水管后先測(cè)試300 kg充注量下機(jī)組性能，后續(xù)每次減少10 kg，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行2 h后保存數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果如圖4～圖8所示。

結(jié)合圖4、5、6、7，降膜式機(jī)組進(jìn)出水管采用下進(jìn)上出與采用上進(jìn)下出規(guī)律相似，充注量越多，機(jī)組制冷量以及性能系數(shù)均提高，但增加趨勢(shì)逐漸緩慢（在冷媒達(dá)到270 kg時(shí)，制冷量及性能系數(shù)提高幅度較小）。由圖6、7可以看出，在采用下進(jìn)上出方式，充注量230 kg時(shí)，降膜式機(jī)組制冷量超過(guò)滿液式，且此時(shí)機(jī)組性能系數(shù)與滿液式相當(dāng)，此時(shí)機(jī)組相比于滿液式機(jī)組冷媒可減少約34%充注量。由圖8可以看出，隨著冷媒的增加，蒸發(fā)溫度呈現(xiàn)階段性增加，蒸發(fā)溫度由5.2 ℃逐漸提升到5.9 ℃。在充注量250 kg時(shí)，機(jī)組蒸發(fā)溫度與滿液式機(jī)組的蒸發(fā)溫度5.6 ℃持平，且在充注量為300 kg時(shí)，蒸發(fā)溫度達(dá)到5.9 ℃。

圖4 降膜式（上進(jìn)）不同冷媒充注量下機(jī)組性能系數(shù)變化

圖5 降膜式（上進(jìn)）不同冷媒充注量下蒸發(fā)溫度變化

圖6 降膜式（下進(jìn)）不同冷媒充注量下制冷量變化

圖7 降膜式（下進(jìn)）不同冷媒充注量下機(jī)組性能系數(shù)變化

圖8 降膜式（上進(jìn)）不同冷媒充注量下蒸發(fā)溫度變化

2.2.3 兩種進(jìn)出水方式數(shù)據(jù)對(duì)比及分析

由圖9可知，降膜式機(jī)組在相同充注量下，進(jìn)出水管采用下進(jìn)上出的方式時(shí)，機(jī)組制冷量均高出采用上進(jìn)下出時(shí)20 kW左右。圖10對(duì)比不同冷媒充注量下?lián)Q熱系數(shù)及蒸發(fā)溫度的變化圖9、10表明采用下進(jìn)時(shí)蒸發(fā)器的整體換熱性能較好。

圖10 上進(jìn)和下進(jìn)不同冷媒充注量換熱系數(shù)及蒸發(fā)溫度對(duì)比

3 結(jié)論

對(duì)降膜式蒸發(fā)器機(jī)組和滿液式蒸發(fā)器機(jī)組分別進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)數(shù)據(jù)及分析可得到如下結(jié)論：

1）降膜式機(jī)組性能與冷媒充注量有關(guān)，隨著冷媒充注量增加，降膜式蒸發(fā)器機(jī)組的制冷量、性能系數(shù)及蒸發(fā)溫度逐漸提升，但提升趨勢(shì)逐漸緩慢，其中蒸發(fā)溫度只有在冷媒充注量增大到一定量時(shí)才變化；

2）降膜式蒸發(fā)器機(jī)組性能與蒸發(fā)器冷凍水進(jìn)出接管方式有關(guān)，冷凍水進(jìn)出水管采用下進(jìn)上出的方式機(jī)組性能優(yōu)于上進(jìn)下出；

3）與滿液式機(jī)組相比，同等能力下，降膜式蒸發(fā)器機(jī)組冷媒充注量較少；在蒸發(fā)器冷凍水上進(jìn)時(shí)，冷媒充注量可減少28%；冷凍水下進(jìn)時(shí)，冷媒充注量可減少34%。