房間空調(diào)器冷凝器對(duì)機(jī)組性能影響的研究

林偉雪 陳 慧 林泳濤

（1.珠海格力機(jī)電工程有限公司 珠海 519070；2.珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

國家新能效標(biāo)準(zhǔn)的正式實(shí)施對(duì)空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)提出更高的機(jī)組能效比要求，另一方面，高能效比的空調(diào)機(jī)組也是企業(yè)應(yīng)對(duì)激烈市場(chǎng)競爭的核心技術(shù)。提高空調(diào)器能效的常規(guī)方法是在采用強(qiáng)化換熱技術(shù)的同時(shí)增大了冷凝器和蒸發(fā)器的換熱面積，從而降低空調(diào)器的功率，提高機(jī)組能效比[1]。本文通過對(duì)不同參數(shù)規(guī)格的冷凝器方案進(jìn)行空調(diào)器能力及能效仿真計(jì)算，對(duì)增加換熱器面積的方法進(jìn)行評(píng)估，并研究冷凝器選型對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能的影響。

1 模擬算法原理

本文仿真計(jì)算基于AME制冷仿真軟件平臺(tái)。在對(duì)換熱器處理過程中，為提高仿真精度，將每根銅管作為計(jì)算單元分別控制流動(dòng)參數(shù)。基于此建模仿真思路的計(jì)算結(jié)果誤差在±5%以內(nèi)，模擬數(shù)據(jù)可靠且穩(wěn)定。

換熱器建模主要體現(xiàn)在：

在空氣側(cè)，迎風(fēng)側(cè)每根管路入口空氣的溫、濕度均相同，流速在管路的縱向上可實(shí)現(xiàn)一維非均勻分布。對(duì)后排管路來說，每根管的空氣流量是前排中2根距離最接近管路流量的各一半之和，入口狀態(tài)為2股空氣混合后的狀態(tài)參數(shù)[2]。

在制冷劑側(cè)，作如下假定：① 相與相之間無滑移；② 相與相之間熱力學(xué)平衡；③ 管內(nèi)為一維流動(dòng)方式；④不考慮重力影響。在模擬時(shí)，流量在各支路間的分配采用阻力相同的原則，在某個(gè)支路內(nèi)，計(jì)算按照管路布置與制冷劑的流動(dòng)順序進(jìn)行，前一根管制冷劑的出口參數(shù)是后一根管的入口參數(shù)。制冷劑在單相區(qū)的冷凝換熱采用Gnielinski公式，兩相區(qū)的冷凝換熱采用Shah公式。制冷劑在單相區(qū)的壓降采用Churchill公式，兩相區(qū)的壓降采用Mac Adams公式[3,4]。

2 模擬條件

本文主要通過仿真分析冷凝器對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能的影響，軟件建模方法為根據(jù)空調(diào)制冷系統(tǒng)物理元件進(jìn)行建模，保證內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器及內(nèi)機(jī)風(fēng)量，壓縮機(jī)排量及頻率，連接管結(jié)構(gòu)等參數(shù)保持一致，僅更改外機(jī)冷凝器及外機(jī)風(fēng)量，同時(shí)調(diào)整系統(tǒng)其它元器件參數(shù)，如電子膨脹閥開度、冷媒灌注量、流路設(shè)計(jì)等，使系統(tǒng)各參數(shù)匹配，保證變量下的系統(tǒng)性能最優(yōu)[5]。

為對(duì)比不同冷凝器下空調(diào)系統(tǒng)的能力及能效，1.5 P空調(diào)器系統(tǒng)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)組，替換外機(jī)冷凝器為3 P和5 P作為對(duì)比數(shù)據(jù)組，換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。

表1 換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 冷凝器尺寸規(guī)格對(duì)機(jī)組能力及能效的影響

為探究改變冷凝器換熱面積對(duì)機(jī)組能力及能效的影響，設(shè)置相同的外機(jī)風(fēng)量，改變冷凝器換熱面積。從表2仿真結(jié)果看出，當(dāng)冷凝器由1.5 P增大到3 P時(shí)，機(jī)組能效提升明顯，但繼續(xù)增大到5 P后，機(jī)組能力能效均無提升。

表2 不同冷凝器在相同風(fēng)量下對(duì)比

換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式：

式中：

h—換熱器表面對(duì)流換熱系數(shù)，單位：W/( m3*K)；

cp—空氣定壓比熱容，單位：J/kg/K；

λ—空氣導(dǎo)熱系數(shù)，單位：W/m/K；

ρ—空氣密度，單位：kg/m3；

u—換熱器表面最小流通處的空氣流速，單位： m/s；

μ—空氣粘度，單位：m2/s；

d—換熱器表面最小流通處的當(dāng)量直徑，單位：mm；

a、b、c—實(shí)驗(yàn)系數(shù)。

由換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式可知，3 P冷凝器增大到5 P規(guī)格，其能力及能效沒有提升主要有以下原因：在增大冷凝器的同時(shí)沒有進(jìn)一步增大風(fēng)量，導(dǎo)致冷凝器迎面風(fēng)速降低，從而減小空氣側(cè)翅片表面對(duì)流換熱系數(shù)[6]。相對(duì)3 P冷凝器而言，5 P冷凝器換熱面積的增大比例與換熱系數(shù)的減小比例接近，因此冷凝器換熱量差別不大。因此單純提高換熱面積無法明顯提升系統(tǒng)能力。

提升機(jī)組能效的另一關(guān)鍵措施為減小壓縮機(jī)功率，則需要降低空調(diào)系統(tǒng)冷凝壓力。表2中，當(dāng)冷凝器由1.5 P增大到3 P時(shí)，機(jī)組冷凝壓力降低明顯，繼續(xù)增大到5 P后，冷凝壓力降低不明顯，主要原因?yàn)椋涸龃罄淠骱蟮男箟盒Ч幻黠@。冷媒從排氣管進(jìn)入冷凝器，可以等效為進(jìn)入大空間的泄壓，當(dāng)增大換熱器后，冷凝器的管內(nèi)體積也增大，但是冷凝器的管內(nèi)空間不同于罐體的空腔，而是多組換熱管的組合，因此單純提高換熱體積無法明顯提升系統(tǒng)能效。

冷凝換熱對(duì)氣態(tài)冷媒的冷卻效果影響冷媒狀態(tài)變化的速度，冷卻效果越強(qiáng)，冷媒由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的速率越快，壓降效果越明顯。表2中熱流量為空氣與換熱器翅片表面間溫差Δt=1℃時(shí)的熱交換流量，表征傳熱過程強(qiáng)烈程度。1.5 P冷凝器增大為3 P冷凝器后，管外總換熱面積增大近3倍，由于迎面風(fēng)速的降低，翅片表面換熱系數(shù)減小1倍，其冷凝器的熱流量增大近1.5倍，冷媒在冷凝器內(nèi)由氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)的速率提升，高壓降低2.3 bar，降低效果明顯。3 P冷凝器進(jìn)一步增大為5 P冷凝器后，管外總換熱面積增大1.6倍，翅片表面換熱系數(shù)降低約0.5倍，其冷凝器換熱熱流量接近，即使管內(nèi)體積增大1倍，但高壓降低較少，機(jī)組能力能效變化較小。

綜上，考慮系統(tǒng)各參數(shù)耦合影響，應(yīng)以熱流量作為系統(tǒng)能力能效提升的綜合指標(biāo)。

3.2 過冷度對(duì)機(jī)組能力能效的影響

為保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，目前很多機(jī)組都會(huì)在冷凝器底部設(shè)置過冷管，保證系統(tǒng)在節(jié)流前保持一定的過冷度。過冷管在系統(tǒng)中有以下影響：

1）冷凝器底部由于受接水盤遮擋，空氣流量較小，換熱比較惡劣，增設(shè)過冷管可以提高管內(nèi)制冷劑流速，從而提高管內(nèi)制冷劑對(duì)流換熱系數(shù)，強(qiáng)化換熱效果，但隨之帶來的問題是管內(nèi)流動(dòng)阻力提升，導(dǎo)致系統(tǒng)高壓升高，功耗增大；

2）過冷管中流動(dòng)的基本上全部為液體制冷劑，其阻力要遠(yuǎn)小于高壓氣體，而流速升高后將會(huì)使制冷劑管內(nèi)換熱系數(shù)增大，提高換熱效果；

3）使用過冷管后其總的過冷度有可能會(huì)增大，過冷度增大可減小蒸發(fā)器進(jìn)口冷媒的干度，即可蒸發(fā)的液態(tài)冷媒增多，對(duì)提高制冷系統(tǒng)的性能會(huì)產(chǎn)生良好的影響；

4）保證冷媒介質(zhì)在進(jìn)入節(jié)流閥前的狀態(tài)為液態(tài)，避免兩相介質(zhì)進(jìn)入電子膨脹閥，導(dǎo)致膨脹閥的誤動(dòng)作，影響制冷系統(tǒng)的正常運(yùn)行[7]。

從以上過冷管對(duì)系統(tǒng)的影響分析可看出，設(shè)置過冷管對(duì)系統(tǒng)存在正反饋以及負(fù)反饋影響，因此需要對(duì)系統(tǒng)中的過冷度區(qū)間進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定合理的過冷度參數(shù)區(qū)間，保證系統(tǒng)性能最大化。

圖1為機(jī)組在不同過冷度下能效的仿真計(jì)算。由圖可知，以1.5 P蒸發(fā)器+1.5 P冷凝器作為低能效機(jī)組分析，其最佳能效對(duì)應(yīng)的過冷度范圍為1～8 ℃，超過該范圍后系統(tǒng)能效將迅速降低。以1.5 P蒸發(fā)器+3 P冷凝器作為高能效機(jī)組分析，其最佳能效對(duì)應(yīng)的過冷度范圍為1～6 ℃，超過該范圍后系統(tǒng)能效將迅速降低。此過冷度的區(qū)間可以作為其他機(jī)組的設(shè)計(jì)參考。

圖1 過冷度與能效變化曲線

系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需要注意過冷度的合理取值，加大過冷度可減小蒸發(fā)器進(jìn)口冷媒的干度，對(duì)能力提升是有利的，但過量地增加過冷度會(huì)使過冷段溫度更接近環(huán)境溫度，換熱溫差進(jìn)一步降低，從而降低冷凝器的有效利用率，進(jìn)而降低系統(tǒng)能力。

4 結(jié)論

利用AME制冷仿真軟件平臺(tái)探究了常規(guī)增加換熱器面積的方法在某種情況下無法提高機(jī)組能力及能效的原因，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究了影響機(jī)組能力能效提高的幾個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)：

1）相對(duì)于原來換熱量指標(biāo)，提出的熱流量作為機(jī)組系統(tǒng)能力能效提升的指標(biāo)能兼顧換熱量、風(fēng)量、換熱效率等因素的相互影響；

2）低能效機(jī)組最佳能效對(duì)應(yīng)的過冷度范圍為1～8 ℃，對(duì)應(yīng)的過冷管占比范圍為5～15%；

3）高能效機(jī)組最佳能效對(duì)應(yīng)的過冷度范圍為1～6 ℃，對(duì)應(yīng)的過冷管占比范圍為3～10%。