汽液分离冷凝器对制冷性能影响的实验研究 邓立生.doc

中国工程热物理学会 工程热力学与能源利用学术会议论文 编号：111170汽液分离冷凝器对制冷性能影响的实验研究邓立生，陈颖*，华楠，陈二雄(广东工业大学材料与能源学院， 广州 510006)(*Tel: E-mail:)摘要：汽液分离式冷凝器（LSC）是一种带汽液分离隔板的平行流换热器，它可在冷凝过程中及时排出冷凝液。本文在焓差室中对比研究了采用汽液分离前后冷凝器对制冷系统性能的影响。室内空气的干/湿球温度保持在27/19，室外空气干球温度的变化范围为2941，分别考察了冷凝器压降和壁温、系统冷凝热、制冷量及能效比（EER）的变化规律。发现，较之无分离装置的常规冷凝器（OC），LSC的压降减少了78.3105.3%，系统的制冷量和EER分别提高了6.7810.21%和6.527.16%。关键词：汽液分离，冷凝器；压降；制冷性能0 前言扁管平行流冷凝器因结构紧凑、换热系数高而被广泛应用在汽车空调系统中近20年。近年来受材料成本提升和制冷剂限制等原因的制约，平行流换热器被许多研究者推荐为家用空调系统的一种选择1,2。目前平行流换热器普遍采用小管径换热管，单位体积的换热面积远远大于目前常用的管翅式换热器，更加紧凑的结构有很多好处，如占地面积小，换热能力高等，但也会因迎风面积减小导致更大的空气侧阻力和噪音。因此，扁管翅片式换热器很难直接用于家用空调系统中。同时多通道的平行流换热器目前存在流量分配不均的问题，故此许多研究都集中在如何避免因汽液相密度差异造成的分配不均问题。Byun和Kim 3研究了质量流速以及进出口位置对制冷剂R410A在竖直联箱流量分配的影响，发现流速的增加以及适合的进出口位置会使得流量分配均匀，能够降低换热器的热力性能损失。Marchitto et al.4通过实验研究了空气-水在水平联箱内的流量分配，发现运行工况对联箱内的流量分配影响很大，并指出很难设计一个联箱来满足一定的运行工况范围。Ahmad et al.5也研究了运行工况以及联箱几何结构对流量分配的影响，发现随着进口干度的提高可以很好的减少流量不均匀分配。最近Peng et al.6,7一种新型冷凝器的设计思想。这种冷凝器通过在联箱内设置特殊设计的汽液分离隔板装置，及时排出冷凝液，提高进入下一个流程的制冷剂干度，从而达到强化传热和均匀分配的目的。本文实现了他们的思想，设计和制造出两个管内外换热面积相同、结构相似的平行流冷凝器，一个普通的平行流换热器设计，而另一个在联箱的隔板上增设汽液分离装置。本文重点考察汽液分离冷凝方式对制冷系统性能影响，探索汽液分离对冷凝器乃至制冷系统的作用。1 汽液分离式冷凝器结构及其系统组成基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.U0934006)图1.汽液分离式冷凝器结构图 (单位:mm)图1为汽液分离式冷凝器的结构示意图。汽液分离式冷凝器的管内侧被分为两个区域，冷凝区和过冷区。冷凝区为图1中两个联箱所包含的区域，冷凝区分设计为5个流程，且每根管子的换热能力相当，按流程的先后顺序5个流程的换热管数目分别是 5、3、2、1、1。在联箱共布置了4个具有汽液分离作用的隔板，即在隔板上开了不同孔径的小孔组合（0.51mm）。当制冷剂每经过一个流程后进入联箱后，由于汽液两相不同的密度和流动特性，冷凝液会聚集隔板上面，特别设计的小孔只允许一部分冷凝液通过，而使得剩余的冷凝液在隔板上形成一层液膜阻止制冷剂的蒸汽通过，蒸汽的流向偏转进入下一个流程继续冷凝。经过这样的不断汽液分离，不断高干度下的冷凝过程，制冷剂获得较高的冷凝换热系数。从联箱底部流出的尚未完全冷凝下来的制冷剂，进入蛇形管的过冷区，一直被冷凝到具有一定的过冷度。本文选取了具有相同管程结构、但无排液小孔隔板的平行流冷凝器（OC）为对比基础。被测试的制冷系统由为压缩机、冷凝器、蒸发器、毛细管等部件组成，详细参数见表1.11.4。表1.1 冷凝器结构参数 表1.2 压缩机详细参数冷凝器类型翅片管式压缩机类型全封闭式转子压缩机管外直径(mm)7型号2P15S225ANT冷凝器长度(mm)490生产商松下万宝冷凝器高度(mm)450额定功率785W冷凝器宽度(mm)13翅片类型开缝翅片间距(mm)1.6翅片高度(mm)1.2翅片厚度(mm)0.115联箱管内直径(mm)10表1.3 蒸发器结构参数 表1.4 毛细管结构参数蒸发器类型翅片管式毛细管参数管内直径(mm)6.3管外直径(mm)3.0管外直径(mm)7管内直径(mm)1.4翅片类型开缝长度(mm)700翅片换热面积(m2)3.862 实验装置和方法图2 焓差法实验装置图焓差实验室的装置如图2所示。实验系统主要包括：空气处理机组、加热器、加湿器、室内外侧空气干湿球测温装置(Pt100铂电阻温度传感器)、以及风洞及室内风量测量装置。在压缩机进出口各布2个测压点和测温点，在冷凝器出口布置1个测压点和1个测温点。系统的输入功率是通过电量表3433B来测量的。此外，在冷凝器每根换热管的左右两端的管壁上布置一系列T型热电偶。实验测量参数的精度如表2所示。经过误差分析方法8计算所得制冷量的误差是2%、EER的误差是2.08%。表2 测量参数和精度测量参数精度温度0.1 K制冷剂压力0.5%功率0.5%风量0.1%本文的实验方法为，先按照GB/T 7725-2004规定的标准制冷工况 (室内干湿球温度为27/19，室外干湿球温度为35/24) 下，调整制冷剂的充注量和毛细管的长度，使得系统的EER值达到最佳值。而后，保持室内空气的温度不变，逐一改变室外侧干球温度2941进行系统实验。制冷剂经过毛细管可认为是一个等焓过程，所以系统的质量流量由下式获得其中，为制冷量，和为蒸发器进出口制冷剂比焓。3 实验结果和讨论 图3 质量流量随室外温度(to)的变化 图4 吸气和排气压力随室外温度变化如图3所示，随着室外温度的变化，两个系统的质量流量均变化不大。在室外温度2941中，LSC的质量流量要比OC高4.5%10.7%。这说明在相同充注量下，LSC系统比OC系统有更多的制冷剂参与循环。系统的吸、排气压力随温度的变化如图4所示。随着室外温度的提高，系统的吸气压力几乎没有改变，而系统的排气压力呈现明显的上升趋势。这是由于环境温度的上升使得系统的冷凝温度也跟着上升，从而导致排气压力的增加。对于LSC跟OC两个系统来说，排气压力十分接近。但在41的时候，LSC系统的排气压力稍微要比OC高一些。由此可见：冷凝器的流程数是影响制冷剂吸、排气压力变化的主要原因。两个冷凝器的管程数设计一样，冷凝器的流量差别不大，LSC系统仅在高温时流量高于OC系统，故排气压力也出现略微的抬升，但幅度十分有限。 图5 过冷度随室外温度的变化 图6 冷凝器制冷剂压降随室外温度的变化两个系统的过冷度随室外温度的升高而降低，如图5所示。这是主要由两方面造成的。一方面，室外温度的升高使得制冷剂与空气的传热温差减小。另一方面，由于室外温度的升高，使得冷凝温度升高，饱和蒸汽的比容下降，在质量流量基本保持不变的情况下，制冷剂的蒸汽速度的下降，导致冷凝传热系数下降；同时，因冷凝温度升高造成的液膜导热系数下降也会削弱冷凝传热9。这两个因素造成了冷凝器的换热能力下降，过冷度减小。在实验范围内，两个系统的过冷度相差很小，但LSC系统的过冷度略低，且下降的速率略小。这一方面由于LSC系统的质量流量要比OC系统略大，另外，我们推测：由于OC中形成的冷凝液膜较厚，其导热系数对冷凝换热能力的影响较大，液膜导热系数随着冷凝温度的升高而降低，从而使得冷凝传热系数下降。冷凝器中制冷剂压降随室外温度的变化规律如图6所示。随着室外温度的升高,两个冷凝器的压降变化很小。对比两个冷凝器，发现LSC的压降比是OC的小78.3%105.3%。从图3可知，LSC的质量流量要比LSC大，但压降却明显减小。这说明：LSC内的制冷剂通过汽液分离后可获得更加均匀的流量分配，减少了由此导致的压力损失。图7.管壁温度分布(to=39) 图8 冷凝换热量随室外温度的变化 图9 耗功随室外温度的变化下面我们来看看冷凝器壁温的变化趋势，图7为在室外温度39，第1流程到第5流程，冷凝换热管壁温度分布图。在第1流程，LSC和OC的流量分配都不均匀。当制冷剂进入第2流程后，LSC中几根换热管的进口管壁最大温差为0.1，OC的管壁最大温差则为0.7。同样，在第3流程，LSC换热管的进口管壁温差为0.2，OC的管壁温差为0.8。这说明了在汽液两相态的制冷剂经过汽液分离之后，进入下一个流程的流量分配更加均匀。当制冷剂进入第4和第5流程时，尽管只有单个管并不存在流量分配问题，但LSC的管壁温度变化较小。从冷凝过程的整体上来看，以第2程开始记， LSC的温度波动范围为0.3，而OC的温度波动为0.6。由此可见：通过汽液分离可以使得整个冷凝过程变得接近等温冷凝过程。图8是两个系统的冷凝换热量随着室外温度的变化规律。随着室外温度的升高，系统的冷凝换热量呈下降的趋势。这主要是由制冷剂和空气的传热温差的降低以及冷凝传热系数的降低，导致冷凝换热量的下降。在相同室外温度下，LSC的换热量要比OC高5.388.27%。因为LSC中制冷剂经气液分离后，在整个冷凝过程中均可保持一个较高的干度，提高了换热器的冷凝传热系数。同时，在LSC中制冷剂的流量分配更加趋向均匀，降低了由于流量分配不均匀对冷凝换热能力的弱化。系统的功耗由压缩机、风机和控制电路板的功耗组成，其中后二者的随室外温度变化不大，主要是压缩机的功耗随室外温度变化，如图9所示。随着室外温度的上升，排气压力增加，压缩机的功耗随着压缩比的增加而增加。在室外温度29的时候，两个系统的功耗相当。随着室外温度的进一步提升，LSC系统的功耗增加变快。因为两个系统的压缩比随室外温度变化的差别很小，功耗的增加源于LSC系统的质量流量增大，所以LSC系统的功耗随着室外温度升高的增大速率加大。直到室外温度41时，LSC系统的功耗比OC系统增加了2.8%。 图10 制冷量随室外温度的变化 图11 EER随室外温度的变化图10表示了制冷量随室外温度的变化趋势。随着室外温度的升高，两个系统的制冷量都呈下降趋势。当室外温度升高时，使得冷凝温度升高，冷凝换热量减少，降低了冷凝器出口过冷度，使得节流后的制冷剂进入蒸发器的干度增大，导致制冷量下降。LSC系统的制冷量要比OC系统大6.7810.21%，这主要是循环的制冷剂流量增大所致。EER随室外温度的变化规律如图11所示。随着室外温度的升高，系统的EER呈线性下降。这是由于冷凝温度的升高使得系统制冷量下降以及功耗增加，导致系统的EER下降。从图中，可以看出LSC系统的EER比OC系统的要提升了6.527.16%。由于LSC系统的冷凝换热量比OC系统的要高，而两个系统的耗功相当，所以LSC系统的EER比OC系统的高。4 结 论 本文针对汽液分离式冷凝器的分离作用进行了对比研究，将常规的平行流冷凝器在设置汽液分离装置前后分别应用于同一制冷系统中，考察它们在不同室外干球温度2941范围内系统性能的变化特征，得到以下结论：(1)在实验工况范围内，制冷剂在汽液分离式冷凝器中的压降要比常规冷凝器小78.3105.3%。(2)与常规冷凝器系统相比，应用汽液分离式冷凝制冷系统的制冷量和EER分别提高了6.7810.21%和6.527.16%。(3) 汽液分离装置应用在普通平行流冷凝器中，不但可以通过增加冷凝过程制冷剂的干度提高换热能力，同时还能有效地实现流量均匀分配，降低冷凝器的流动阻力。参考文献1 Chang Yong Park, Pega Hrnjak，Experimental and numerical study on microchannel and round-tube condensers in a R410A residential air-conditioning systemJ. International Journal of Refrigeration 2008,31(5): 8228312 Primal Fernando, Bjorn Palm, Tim Ameel, Per Lundqvist, Eric Granryd, A minichannel aluminium tube heat exchanger Part III Condenser performance with propaneJ. International Journal of Refrigeration 2008, 31(4): 6967083 H.W. Byun, N.H. Kim. Refrigerant distribution in a parallel flow heat exchanger having vertical headers and heated horizontal tubesJ. Experimental Thermal and Fluid Science, 2011, In press4 A. Marchitto, F. Devia, M. Fossa, G. Guglielmini, C. Schenone. Experiments on two-phase flow distribution inside parallel channels of compact heat exchangersJ. International Journal of Multiphase Flow, 2008, 34(2):128-1445 Mohammad Ahmad, Georges Berthoud, Pierre Mercier. General characteristics of two-phase flow distribution in a compact heat exchangerJ. Internal Journal of Heat and Mass Transf