冷水盘管的选型方法及性能分析.doc

冷水盘管的性能分析及选型上海通惠-开利空调设备有限公司 邵嵘摘 要： 本文从盘管制造的角度，分析了盘管结构参数的变化对其性能的影响，并借助于国外先进的选型程序量化分析了盘管在排数、回路、面积和长宽比变化时的性能变化规律，还进一步阐述了盘管的选型方法。关键词： 冷水盘管、性能分析、选型一、简介我们在空气调节系统中使用各种设备对空气进行热湿处理和净化处理，以满足空调房间的送风要求。其中表面式换热器（盘管）是一种被广泛使用的空气处理设备。根据使用工质的不同，盘管可分为空气加热盘管、冷水盘管和直接蒸发式盘管。空气加热盘管使用热水或蒸汽作为热媒；冷水盘管以冷水为冷媒；直接蒸发式盘管则使用制冷剂作为工质。由于在大中型空调系统中广泛使用水作为换热载体，所以在这里主要对冷水盘管进行讨论。冷水盘管处理空气只能实现等湿冷却或减湿冷却过程，所以常用来对空气进行降温及去湿处理。当盘管表面温度低于空气干球温度但尚高于其露点温度时，空气在冷却时不产生凝结水，这种过程称为等湿冷却或干工况；当盘管表面温度低于空气露点温度时，空气不但被冷却，而且其中所含水蒸汽也将部分凝结出来，这种过程称为减湿过程或湿工况。在湿工况下盘管不但发生热交换，还发生湿交换，因此比干工况有更大的换热能力。在空调系统中，作为冷却空气的盘管绝大多数都工作在湿工况下，此时仅由于温差而发生的换热量叫作显热，由于湿交换而发生的换热量叫作潜热，显热和潜热之和叫做全热即盘管的全部换热量或冷量。二、盘管的结构性能分析1. 盘管的组成从冷水盘管的结构上看，主要有以下几部分组成：水管和翅片组成的换热部分、支撑管子的端板、防止侧向漏风及保护翅片的侧板、连接管子形成回路的弯头以及进水联箱和回水联箱。通常一个盘管由好几排水管组成，从端板侧看为交叉排列。叉排能使流经空气扰动更加剧烈，换热效率更高。为了加强换热效果，通常在盘管的管子表面增加肋片以增大换热面积。根据肋片的形式盘管可分为绕片式盘管、轧片式盘管、串片式盘管等等。由于串片式盘管使用二次翻边翅片，有更好的换热效果，所以被广泛使用，特别是用于冷水盘管。冷水盘管的冷却水通常采用下进上出的方式，并且与空气通过盘管相反的方向流经盘管。这样盘管内外的水和空气形成逆流换热，温差更大，换热效果更佳。2. 盘管的换热计算人们通过各种方法以增加盘管的换热效果，下面将通过传热理论公式来分析影响换热量的主要因素。传热方程式一般型式为： Q传热量 W K传热系数 W/m2 F传热面积 m2 tm空气与冷媒之间的对数平均温差 F 盘管空气侧换热面积即端板和侧板之间盘管（包括翅片）的外表面积 对数平均温差 tmax进出盘管的水温差和流经盘管的空气温差两 者中的大者 tmin进出盘管的水温差和流经盘管的空气温差两 者中的小者 以外侧表面积为基准的传热系数 w外表面换热系数 W/m2 n内表面换热系数 W/m2 0肋表面全效率 管壁厚度 m 管壁导热系数 W/m2 肋化系数 析湿系数如果已知翅片的结构特征，又有w、n的经验公式，就可以计算传热系数。但在实际工作中，常常通过测定，将其整理成以下形式： Vy空气迎面风速 m/s 管内水流速 m/s A、B由试验得到的系数 m、n、p由试验得到的指数由以上公式分析，一个盘管的换热量与进出水温差、流经空气的温度、空气迎面风速、管内水流速这些外部工况有关，还与盘管的尺寸大小和翅片的结构特点等有关，而且这些因素之间还相互牵连和影响，很难单独考虑。3. 影响盘管换热的结构变化既然上面讨论的因素很难单独分开分析，下面就从制造盘管的结构参数方面来研究他们对盘管换热的影响。1) 盘管迎风面积 指端板和侧板间空气流通的横截面积。在制造上来表示盘管的大小尺寸，直接影响盘管换热面积。迎风面积越大，换热量越大。2) 盘管排数 指顺着气流方向排列的管子数，一般排与排之间采用叉排形式。排数也直接影响盘管换热面积。排数越多，换热量越大，一般冷水盘管排数在48排之间。3) 片距 指翅片与翅片之间的距离，一般用每英寸多少片表示。片数同样也影响盘管换热面积。片数越多，换热量越大，一般冷水盘管排数在814片之间。4) 回路 指水管连接的方式或者说水流经盘管的方式。一般冷水盘管有半回路（HF）、全回路（FL）、双回路（DB）三种回路。回路直接影响盘管的管内水流速。5) 材料 考虑热传导率、材料延展性、可加工性和成本一般冷水盘管采用铜制水管和铝制翅片。在有抗腐蚀要求等一些特殊场合中，也会使用铜管铜翅片。6) 管径和翅片结构 对于一个盘管制造商，考虑模具、生产管理、成本等因素，很少在管径和翅片形状上提供多种选择。4. 各种盘管在空调机组中的应用冷水盘管被广泛用于制造各种空调机组，但并不是所有空调机组中的盘管都可以提供上述结构的变化。一般在柜式、吊顶式或单元式空调机组中只提供一种结构的盘管，即随着机组大小不同而选配适当迎风面积的盘管，最多还提供两种排数的选择。而在集中式空气处理机组或是组合式空调机组中，可以根据对空气处理的不同要求而改变盘管的结构参数。通常由系统中的风速风量来决定盘管的迎风面积，然后选择不同的排数、片距以及回路。三、盘管性能的数据统计和分析我们可以通过上面介绍的理论公式计算冷水盘管的换热量，也可以通过实验得到的经验公式来计算。但是从以上的分析我们可以发现，不管是理论公式还是经验公式，其中的参数都不能直接反映盘管结构参数的变化。在美国等先进国家，各公司都通过大量的实验来统计得出以结构变量为参数的经验公式，并用计算机进行编程。这样用户只须运行选型程序，改变盘管的结构参数和工况参数，就能马上得到所需的数据。下面我们将用一种逆向思维的方法，通过改变不同结构参数运行选型程序，统计绘制出盘管冷量等数据随结构参数变化而变化的曲线。这样既为选择盘管的结构参数提供了方向，也使我们以后改变盘管结构参数设计新的盘管有了理论依据。1. 为了有可比性，以混回风标准工况为运行工况： 干球温度：27 湿球温度：19.5 进水温度：7 出水温度：122. 由公式可知片距只影响换热面积，而且如片距改变相对也比较容易通过理论计算。为了减少数据量，现暂定片距为每英寸14片。3. 由于风速为连续变量，并且对盘管换热量有直接影响，所以选择风速作为统计曲线的X坐标。在空调系统中，风速一般在23m之间，因此分别计算2.0、2.25、2.5、2.75、3.0m/s五种风速。4. 对于常用的排数和回路组合分别绘制曲线，包括4排半回路、4排全回路、6排半回路、6排全回路、6排双回路、8排半回路、8排全回路、8排双回路。5. 选择不同大小迎风面积的机组计算单位面积全热的平均值、显热比全热的平均值、空气阻力的平均值作为Y坐标分别作三张图。6. 如图：从图中可以看出，随着风速的增加，单位面积冷量、显热与全热比、空气阻力都增加。盘管排数越多，单位面积冷量越大；相同排数半回路冷量最大，全回路次之，双回路最小。盘管排数越多，空气阻力越大，回路对空气阻力影响相对较小。7. 从理论上分析，单位面积全热应该与迎风面积和盘管的形状无关，但实际上由于盘管边界的影响情况并不是如此。统计总结盘管面积与形状对全热的影响是最重要的，因为在盘管的结构参数中变化最大的就是面积与形状，而为空调机组设计新盘管变化的也主要是面积与形状。下面以盘管迎风面积为X坐标，盘管长宽比为Y坐标，单位面积冷量不同风速的平均值为Z坐标，绘制各种面积大小和形状盘管的三维曲线。而针对不同排数和回路组合，在坐标系中分别绘制曲线。8. 如图：将三维曲线投影到X-Z平面，得出单位面积冷量随盘管迎风面积增大的变化曲线。从图中可以看出，冷水盘管的单位面积冷量随盘管迎风面积增大而增大。迎风面积小的盘管变化明显，这是因为盘管越小，受边界的影响越大；当迎风面积足够大时，其影响就很小，几乎成了一条水平线。将三维曲线投影到Y-Z平面，得出单位面积冷量随盘管长宽比增大的变化曲线。从图中可以看出，相对于迎风面积大小，盘管的长宽比对单位面积冷量的影响要小得多。在长宽比12之间，盘管单位面积冷量还是随长宽比的增大而有所增加。四、盘管的选择在集中式空气处理机组或组合式空调机组中，用户可以选择各种结构参数的盘管，也许同时有几种盘管都能满足处理空气的要求。因此，在选择盘管的结构参数时需要综合考虑空气处理要求、盘管的成本、系统运行管理费用等多方面的因素，平衡利弊，才能选出相对最适合最经济的方案。在盘管的各结构参数中对成本影响从大到小依次是：迎风面积、排数、片距、回路。下面就从这四个方面来进行讨论。1. 迎风面积一般我们通过空调系统所需风量以及流经盘管的迎面风速来决定盘管的迎风面积。对于某个空调系统，风量已经确定，我们只需选择合适的风速即可。从前面的统计曲线中我们已经知道，随着风速的增加，盘管冷量也增加。通常，迎面风速的选择范围在23m/s之间。由以往的经验，2.5m/s是一个各方面都比较适合的迎面风速，所以一般以此为选择标准。如果以较高的盘管迎面风速来确定迎风面积，可以得到相对外形更小的盘管和更紧凑的机组，系统成本也就更低。但当风速大于2.5m/s时，空调机组中必须加装挡水器，以防止空气将冷水盘管在湿工况下的凝结水带入系统及风道中。另外，过高的风速也会增加整个空气系统包括盘管的阻力，这样就需要提高风机的全压，使系统的功率消耗和运行费用都增加。2. 排数冷水盘管一般为4、6、8排，排数越多冷量越大，潜热即去湿能力也越大。在选型时，只要能满足处理空气的冷量要求，应尽量减少盘管排数。这样不仅盘管本身成本下降，而且空气阻力也下降了，同时也减少了风机的功率损耗。3. 片距冷水盘管的片距一般为每英寸8、10、12、14片。片数越多，冷量越大，空气阻力也越大。因此，与排数一样，只要能满足处理空气的冷量要求，应尽量减少盘管的翅片数。4. 回路冷水盘管的回路有半回路HF、全回路FL、双回路DB。从冷量曲线中可以看出，在相同工况条件下，半回路冷量最大，全回路冷量居中，双回路冷量最小。但是，由于回路不同，管内水流速不同，致使不同回路水压降差别很大。和冷量相对应半回路水压降最大，全回路水压降次之，双回路水压降最小。如果水压降过大，会使水路系统阻力大大增加，从而需要加大水泵功率，增加系统运行费用。严重的会使水系统难以达到平衡来满足盘管进出水温度要求。