聯(lián)合冷卻在制冷空調(diào)工程中的研究及應(yīng)用

畢明華，方賢德，蘇慶勇，朱 輝，陳洪杰

（1.桂林航天工業(yè)學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.南京航空航天大學(xué)，南京 210016）

冷凝器是蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)的四大部件之一，作用是將蒸發(fā)器吸收的熱量以及壓縮機(jī)做功轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的熱量一同釋放給環(huán)境介質(zhì)，同時(shí)流經(jīng)冷凝器的高溫高壓制冷劑蒸汽凝結(jié)為液態(tài)，其換熱性能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行具有直接影響。根據(jù)冷卻介質(zhì)不同，制冷空調(diào)設(shè)備及工程中冷凝器常用的冷卻方式有空氣冷卻式、水冷卻式、水-空氣聯(lián)合冷卻式以及蒸發(fā)-冷凝式。空氣冷卻式冷凝器通常稱作風(fēng)冷冷凝器，以空氣作為環(huán)境介質(zhì)，運(yùn)行維護(hù)方便。但由于空氣導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容較小，往往換熱器體積較大，而且隨著季節(jié)變化，工作條件不夠穩(wěn)定，尤其在高溫的夏季冷凝溫度和壓力較高。水冷冷凝器換熱效果較好，可有效降低制冷壓縮機(jī)功耗，但水資源消耗大，對(duì)水質(zhì)有一定要求。聯(lián)合冷卻式冷凝器提高了對(duì)氣候、地域、工作時(shí)間及環(huán)境等影響因素的適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)了空氣能與水資源的優(yōu)勢互補(bǔ)，在國內(nèi)多種行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1]。加強(qiáng)對(duì)該類換熱器的研究開發(fā)，對(duì)相關(guān)行業(yè)節(jié)能減排及資源綜合利用具有重要意義。

本文分別從強(qiáng)化傳熱、新型換熱器開發(fā)、控制模式等方面，詳細(xì)闡述了聯(lián)合冷卻在制冷空調(diào)設(shè)備和工程中的應(yīng)用研究及技術(shù)特點(diǎn)。

1 傳熱強(qiáng)化研究

傳統(tǒng)的聯(lián)合冷卻主要使用蒸發(fā)式和淋激式冷凝器，該類冷凝器最大的優(yōu)點(diǎn)是耗水量較少。原理上與單一風(fēng)冷和單一水冷冷凝器通過顯熱吸收冷媒的熱量大不相同，工作時(shí)主要通過水蒸發(fā)的氣化潛熱吸收冷媒放出的熱量。冷卻水在冷凝器換熱管外形成水膜蒸發(fā)吸收冷媒冷凝熱，使管內(nèi)冷媒得到降溫和冷凝，節(jié)約水資源，并且冷卻效果優(yōu)于風(fēng)冷和水冷冷凝器[2-3]。近年來，科研人員一直在致力于聯(lián)合冷卻式冷凝器傳熱強(qiáng)化的研究。

1.1 蒸發(fā)式冷凝器

蒸發(fā)式冷凝器相當(dāng)于把蛇管形冷凝器和開式冷卻塔集成為一體，在國外率先得到大量使用，如今在國內(nèi)的應(yīng)用也越來越廣。影響蒸發(fā)式冷凝器換熱效率的主要因素有換熱管的布置形式、換熱管的形狀、空氣流速、淋水量的大小以及布水均勻性等。以下分別從強(qiáng)化換熱管傳熱、采用翅片管式換熱器主體以及采用親水導(dǎo)熱涂層三方面討論蒸發(fā)式冷凝器的傳熱強(qiáng)化研究和應(yīng)用。

1.1.1 強(qiáng)化換熱管傳熱

蒸發(fā)式冷凝器換熱管通常采用圓形光管，改進(jìn)換熱管管型是強(qiáng)化傳熱的有效途徑。鄭州大學(xué)尹凱杰等研究認(rèn)為，水膜熱阻及管內(nèi)冷凝熱阻二者是最可能經(jīng)強(qiáng)化傳熱加以控制和減小的熱阻[4]。水膜熱阻是由管外水膜厚度決定的，管內(nèi)冷凝熱阻取決于制冷劑冷凝液膜的厚度，這也為強(qiáng)化傳熱指出了方向。因此，隨著相關(guān)研究的不斷深入，人們開發(fā)出橢圓管、扭曲管、彈形管及溝槽管等強(qiáng)化傳熱管。

橢圓管相比于圓形光管，水膜分布和水面覆蓋面積得到了較大改善；扭曲管的螺旋狀表面使得水膜和氣流擾動(dòng)增加，提高了水膜與空氣的換熱效果；彈形管較之橢圓管與扭曲管，截面采用流線型設(shè)計(jì)，空氣掠過時(shí)形成的渦流較少，流場分布均勻，在壓力降及傳熱方面具有較大優(yōu)勢；換熱管內(nèi)開設(shè)溝槽，有效增加換熱面積，溝槽管豎直布置時(shí)還有利于管內(nèi)制冷劑冷凝液的排除[5-6]。

1.1.2 采用翅片管式換熱器主體

翅片管式換熱器是由基管和翅片加工組合而成，通常用作與空氣換熱的表冷器和加熱器。將翅片管式換熱器應(yīng)用于蒸發(fā)式冷卻，直接增加了換熱面積。學(xué)者朱宏達(dá)等建立了翅片管蒸發(fā)式冷凝器的局部穩(wěn)態(tài)湍流數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值模擬，經(jīng)過分析得出光管加載翅片有助于提高換熱性能[7]。研究發(fā)現(xiàn)，增加翅片的蒸發(fā)式冷凝器平均換熱系數(shù)比原冷凝器理論上能夠增加80%～100%。增加翅片后雖然翅片表面存在摩擦力，但翅片區(qū)域的平均出口風(fēng)速不減反增，相對(duì)壓損也減小。

學(xué)者王鐵軍等設(shè)計(jì)開發(fā)了采用翅片管蒸發(fā)式冷凝器的戶式空調(diào)機(jī)，并對(duì)翅片管蒸發(fā)式冷凝器的傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行了分析與計(jì)算，得出翅片管蒸發(fā)式冷凝器具有高效率、強(qiáng)化換熱以及節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)[8]。所設(shè)計(jì)的機(jī)組在標(biāo)準(zhǔn)空調(diào)工況下進(jìn)行了性能測試，且獲得了EER（能效比）為4.2的良好效果。效率得到提高主要是因?yàn)椴捎昧藝娏苷舭l(fā)式冷卻方式，通過潛熱為主并輔以顯熱的熱交換過程，冷凝溫度相比普通的家用風(fēng)冷式空調(diào)下降6～9℃，制冷壓縮機(jī)能耗顯著降低。

1.1.3 采用親水導(dǎo)熱涂層

蒸發(fā)式冷凝器工作時(shí)，應(yīng)盡量確保換熱管外表面濕潤均勻。針對(duì)換熱表面水膜分布均勻性問題，一些生產(chǎn)廠家會(huì)對(duì)管材進(jìn)行處理，使其表面涂覆一層親水性導(dǎo)熱涂料。該涂層對(duì)水有較好的親和力，可加強(qiáng)水分子擴(kuò)散，能夠使水膜均勻覆蓋在換熱管表面。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，可加快換熱表面冷卻水的向下流動(dòng)并減小水膜厚度，降低傳熱熱阻，加強(qiáng)水膜蒸發(fā)。

1.2 淋激式冷凝器

淋激式冷凝器又稱為大氣式冷凝器，它常見用于大、中型氨制冷劑系統(tǒng)中。工作原理與蒸發(fā)式冷凝器類似，但是不設(shè)置風(fēng)機(jī)，由冷卻水淋水降溫并結(jié)合大氣自然對(duì)流蒸發(fā)冷卻。

在產(chǎn)品創(chuàng)新和改革中，廣大技術(shù)人員、生產(chǎn)人員大膽革新和設(shè)計(jì)，提出了以垂直螺旋管作為換熱主體的淋激式冷凝器的方案[9]。具體方法是將螺旋盤管采用焊接與總管連接，形成冷凝管組，冷卻水在螺旋管外吸熱，高溫高壓氨氣于管內(nèi)冷凝。

螺旋管分為上下三層，可把上游冷凝后的氨液由中間的集管及時(shí)導(dǎo)出，同時(shí)管外冷卻水以膜狀流下被空氣蒸發(fā)冷卻。和水平管蒸發(fā)式冷凝器比較，其增加了單位體積的換熱管面積，冷媒冷凝后排液通暢。和立式殼管式冷凝器比較，因省去了殼體和管板，其顯著減少了材料消耗和制造工時(shí)。材料的消耗降低40%，制造工時(shí)可減少約30%。換熱管外的冷卻水除了向下淋激以外，還伴有螺旋形的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，更有利于水膜均勻分布。經(jīng)測試，新型螺旋管淋激式冷凝器的單位熱負(fù)荷和傳熱系數(shù)都比一般水平圓管淋激式冷凝器高。

2 新型換熱器開發(fā)

傳統(tǒng)的聯(lián)合冷卻由于高效率地利用了蒸發(fā)式冷卻換熱方式，效率較高。但該類冷凝器在氣候較為干燥的地區(qū)才能發(fā)揮出良好的性能，體現(xiàn)出節(jié)能優(yōu)勢。此外，冷卻水淋在換熱管外側(cè)蒸發(fā)吸熱，極易造成管外腐蝕和結(jié)垢，運(yùn)行維護(hù)比管內(nèi)冷卻困難，工作量大。一些新型換熱器的開發(fā)，增加了換熱管內(nèi)側(cè)的冷卻換熱，不僅提高了傳熱量，還使得機(jī)組能夠更加適應(yīng)不同工作時(shí)期環(huán)境條件的變化。

2.1 套管蒸發(fā)式冷凝器開發(fā)研究

馬瑞華等人設(shè)計(jì)了一種新型套管蒸發(fā)式冷凝器，簡單來說是指在原蒸發(fā)式冷凝器的水平換熱管中多插入一支內(nèi)套管[10]。該換熱器的外管外表面與空氣和冷卻水膜進(jìn)行傳熱傳質(zhì)，外管內(nèi)表面與冷媒接觸進(jìn)行冷凝換熱。內(nèi)套管通冷卻水，使得冷媒增加了在管內(nèi)一側(cè)與冷卻水進(jìn)行換熱，因而改善了機(jī)組性能。另外，他們還分析了循環(huán)水量、送風(fēng)量、熱流密度對(duì)冷凝器換熱系數(shù)的影響，并得出該類冷凝器最小配水量與最小配風(fēng)量的要求，為套管蒸發(fā)式冷凝器的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

2.2 翅片-套管式復(fù)合換熱器的開發(fā)研究

周光輝等開發(fā)了翅片-套管式三介質(zhì)復(fù)合換熱器并在試驗(yàn)中將其應(yīng)用于雙熱源系統(tǒng)[11]。該換熱器由同心圓內(nèi)外套管以及表面肋片構(gòu)成，如圖1所示，相當(dāng)于翅片管換熱器與套管式熱交換器的集成。制冷系統(tǒng)的冷凝器使用該熱交換器，可以實(shí)現(xiàn)冷媒向兩種高溫?zé)嵩赐结尫艧崃浚@對(duì)雙冷卻系統(tǒng)的開發(fā)和推廣具有重要影響。但該類換熱器由于內(nèi)外套管的連接處外套管為圓管彎曲部分，焊縫不規(guī)則不對(duì)稱，應(yīng)力集中易變形，焊接的質(zhì)量不易保證，要批量化生產(chǎn)還需要在工藝方面改進(jìn)。

圖1 翅片-套管式復(fù)合換熱器

復(fù)合換熱器雙冷卻系統(tǒng)的開發(fā)，提高了制冷系統(tǒng)冷凝器工作的靈活性。相比切換式雙冷卻系統(tǒng)，復(fù)合換熱器雙冷卻制冷系統(tǒng)高壓一側(cè)只需配置一臺(tái)復(fù)合換熱器作為冷凝器，冷媒可同時(shí)與水和空氣進(jìn)行換熱，如圖2所示。運(yùn)行時(shí)壓縮機(jī)不需要停機(jī)來切換高溫?zé)嵩磦?cè)不同的冷凝器，僅通過風(fēng)機(jī)和水泵的啟停控制，就能實(shí)現(xiàn)冷凝器不同冷卻方式的轉(zhuǎn)換以及系統(tǒng)的持續(xù)制冷。

圖2 復(fù)合換熱器雙冷卻系統(tǒng)

2.3 多工質(zhì)板式復(fù)合換熱器的開發(fā)研究

針對(duì)復(fù)合換熱器雙冷卻系統(tǒng)和太陽能輔助熱泵雙熱源系統(tǒng)，桂林航天工業(yè)學(xué)院申請(qǐng)了多工質(zhì)板式換熱器的專利，開發(fā)出使用多工質(zhì)板（翅）式換熱器的雙冷卻系統(tǒng)并進(jìn)行了樣機(jī)的試制，如圖3所示[12]。該換熱器冷媒通道的兩側(cè)分別可以通過冷卻水與冷卻空氣，與交叉排列的翅片管式熱交換器相比，空氣一側(cè)的換熱面得到充分利用，實(shí)際運(yùn)行效率更高。此外，空氣阻力有所降低，可對(duì)空氣進(jìn)行大溫差、大流量冷卻處理。

圖3 雙冷卻系統(tǒng)室外機(jī)組

3 控制模式探討

采用復(fù)合換熱器的雙冷卻機(jī)組有單一空氣冷卻、空氣-水復(fù)合冷卻以及單一水冷卻三種運(yùn)行模式，使得制冷空調(diào)機(jī)組的冷卻運(yùn)行方式的選擇更為靈活。

3.1 單一空氣冷卻模式

空氣作為機(jī)組的環(huán)境介質(zhì)，使用安全，控制方便。因此，當(dāng)空氣溫度相對(duì)較低或者水源冷卻水量和水質(zhì)不能滿足要求時(shí)，優(yōu)先采用單一空氣冷卻模式。此模式運(yùn)行時(shí)換熱器配套風(fēng)機(jī)開啟而水泵關(guān)閉停止向冷凝器提供冷卻水。

3.2 空氣-水復(fù)合冷卻模式

當(dāng)空氣溫度相對(duì)較高而引起冷凝溫度和壓力偏高時(shí)，可加入水冷卻，即采用空氣-水復(fù)合冷卻模式。在空氣-水復(fù)合冷卻模式下，風(fēng)機(jī)和水泵同時(shí)開啟，制冷空調(diào)系統(tǒng)的冷凝溫度會(huì)同時(shí)受冷卻水和空氣兩種介質(zhì)溫度的影響，獲得優(yōu)良的冷卻效果。該模式也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組冷凝熱進(jìn)行部分熱回收，或者作為風(fēng)冷與水冷之間延時(shí)切換的中間模式。

3.3 單一水冷卻模式

當(dāng)室外空氣溫度較高而使得風(fēng)冷卻基本不起作用，且機(jī)組工作期間能夠提供充足水源時(shí)，可以選用單一水冷卻模式。該模式運(yùn)行要保證冷卻水的質(zhì)量和水量充足，此時(shí)風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)而冷卻水泵投入運(yùn)行。對(duì)于應(yīng)用多臺(tái)小型機(jī)組的分散式系統(tǒng)，可采用集中冷卻的方式。此外，該模式可以對(duì)系統(tǒng)冷凝熱進(jìn)行全熱回收。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的蒸發(fā)式冷凝器和淋激式冷凝器，換熱效果均高于普通的風(fēng)冷冷凝器和水冷冷凝器，但通常適用于大、中型制冷空調(diào)系統(tǒng)，而且運(yùn)行維護(hù)較為復(fù)雜。復(fù)合換熱器的開發(fā)和設(shè)計(jì)，提高了制冷系統(tǒng)冷凝器運(yùn)行的靈活性，也可用于小型機(jī)組。這種新型的換熱器使得系統(tǒng)構(gòu)成更為精簡，合理地實(shí)現(xiàn)了空氣能和水資源的綜合利用和優(yōu)勢互補(bǔ)，為冷卻方式的確定提供了更大的選擇空間。此外，系統(tǒng)逆循環(huán)運(yùn)行時(shí)，復(fù)合換熱器也可以作為蒸發(fā)器來工作[13]。