不同类型蒸发器单环路变流量冷冻水系统性能模拟分析

1、不同类型蒸发器单环路变流量冷冻水系统性能模拟分析许光映浙江海洋学院工程学院浙江舟山316004（xugy）摘要：考虑空调相对负荷与相对水流量变化的非线性关系，针对满液式和直接蒸发式蒸发器传热的不同特点，利用传热学有关理论，分别建立了相对综合传热系数与相对水流量和两侧热阻比率关系式，引入系统综合能效系数作为技术评价指标，模拟结果表明：一次泵变流量运行时，蒸发器内蒸发温度稍有下降，COP下降不明显，强化水侧换热系数有利于蒸发温度稳定，新安装机组随着运行时间积累，蒸发温度稳定性越来越差；变流量带来综合能效系数scop呈明显上升，且水泵机组功率占压缩机机组功率越大，综合能效系数上升越多。关键词：变流量

2、，蒸发器，能效系数，单环路1引言在空调水系统设计中，调节末端冷冻水流量，目前最广泛采用是一/二冷冻水双环路系统，一次泵与冷水机组对应，以恒速运行保证恒定流量水流过，二次泵采用高压泵，调速运行以适应制冷需要。这种系统能够保证恒定冷冻水流过冷水机组，运行可靠性得以保证，但在部分负荷时冷水机组效率降低，一次泵也没有变速调节，泵耗不能随着空调系统负荷变化而调节，造成整个系统综合能效系数也下降。为此托马斯B哈特曼1建议去掉一/二次冷冻水系统中的旁通管，采用单环路变流量冷冻水系统，对冷水机组、冷冻水泵和冷却水泵同时实行变速调节，以跟踪空调制冷负荷变化，本文就是以此为背景，对单环路变流量冷冻水系统主要性能进

3、行模拟分析。在冷水机组蒸发器的设计中，通常采用壳管式蒸发器。根据需冷量大小，蒸发器一般分别采用满液式和非满液式（直接蒸发式）两种，满液式蒸发器中制冷剂在壳但U吸热蒸发，水在管但U被冷却。负荷调节是通过控制节流装置开度控制液面高度维持在要求的水平，直接蒸发式蒸发器水在壳阳U流动，制冷剂在管但U吸热蒸发，负荷调节是通过蒸发器出口过热度的变化控制节流装置的开度，一般用于中小型机组。在单环路变流量冷冻水系统中，假设供回水温度是严格控制在7c/12C,制冷负荷调节是通过调节水泵转速调节冷冻水流量。流量变化时，对这两种蒸发器，水分别在管但U、壳但U流动，按照传热学有关理论，其换热规律是不一样的。制冷剂在管

4、th壳吸热蒸发，换热规律也遵守不同规律，进而对蒸发温度、机组cop影响也不一样。有必要从理论上对此问题进行模拟分析。2相对传热系数K与相对流量中的关系2.1传热系数K的表达式Di,外径为Do的在蒸发器中，无论制冷剂是在管内蒸发还是在管外蒸发，对于内径为换热管，其传热系数K的一般表达式为2rI o Ho”包乐区卜，色'九（Dm） IDJ HilDj468式中K为总传热系数，Hi,Ho为管内、管外液膜的传热系数，rjo为管内、管外表面上的污垢传热系数，Dm为管平均直径。在管壁厚很薄时，9«工，工，-Do&1,20ft：1,HiHoDmDi虽然在设计换热器时，必需考虑ri,

5、ro,这是由于机组经过一段时间的运行管内外要结垢，污垢影响从量上来因此本文的传热系数（1）而垢的热阻与内外表面对流或沸腾换热热阻相当2,本文主要理论探讨表面还没有结垢新制造的蒸发器的变流量运行情况。故忽略ri,ro,至于运行一段时间后，看，只是表明各部分热阻份额，通过调整管内外换热比例系数来实现。表达式为1_11KFHT2.2直接蒸发式蒸发器的K与P的关系直接蒸发式蒸发器中，制冷剂在管内蒸发，冷冻水在管外被冷却，假定管束呈三角形排列，其管外换热系数可根据肖特公式30.60.33,0.142=0.16'DGb伫）也）kNJI"（九1式中Gb为通过管束部分的质量流速，Do为壳外径

6、，k为液体导热系数，Nw为平均温度流体粘度系数，Nw为流体在壁温时粘度系数。令e=瞿，从上式不难得出W匚=-0.6o管内沸腾换热系数采用戴维斯和戴维弟式H i = 0.06 旦 Di0.87"l40.28在上式中，变化量最大的是冷媒蒸发量 Gg,其它量变化不大，从文献5可以看出，即使蒸发压力有波 动，但单位质量流速制冷量变化几乎不变，蒸发释伶重Q=Ggq,在额定工况时，Q=Ggq,相对图1.直接蒸发式蒸发器的K随©变化(3)量变化形式为q=G7,因而G7=*0.4595o结合修得ggHi_.0.3997*Hi*设Hi=%Ho（%>1）。将（2）、（3）代入（1）且结合

7、考虑K，则(4)将其随参变量入1、。变化用图2表示，随着进入蒸发器水流减少，综合传热系数减少入i从上到下分别等于0.6,1,1.5,2时，综合传热系数有差别，但相差不明显。4为2.2满液式蒸发器的K与4的关系0.14(5)n 1.H o = m(At),式中m、n为与虽然在变冷冻水流量时，蒸发满液式蒸发器中，制冷剂在管外蒸发，冷冻水在管内被冷却，内但U换热系数表达式Hi DiQ80.33DiGc=0.0231.b.'b当管内冷冻水流量从W*变为W时，质量流速从G*变为0.8Hi*Hi制冷剂在管外沸腾蒸发，据文献3表8-2，表面换热系数为Ho是(1)、式,11+* *Ho Hi制冷剂种类

8、有关的常数，At为加热表面与沸腾液体的温差,况所对应的传热系数为两式相除得将其随参变量入2、 等于0.5,1,2,4在入结合112,08 14变化用图3表示，入一定时，随着进入蒸发器水流减少，管但U对流传热系数减小，导致热阻压力蒸发温度有可能发生变化，但从实际运行来看变化幅度并不太大，因此可以考虑增加，综合传热系数减少。同一水流量时，入2越大，表示壳但U换热系数越大，管但U换热系数越小，相当于新机组随着运行，污垢系数增加，使管但U换热系数减小，综合传热系数呈下降。因此机组运行一段时间后要及时清洗，以保持综合传热系数稳定。将其随参变量入2、4变化用图2表示。图中曲线表明，综合传热系数减少；但是其

9、变化与两但U传热系数比率关系不大，由于管外但U水流下降，换热减弱，管内但U换热也同时减弱,且其幅度与比率关系不大。3蒸发温度Te与。的关系3.1 冷负荷变化与冷水量变化的关系末端负荷相对变化与供水量相对变在采用供回水温差恒定对一次泵水泵变频调速控制而言,化之间一般不呈线性关系，令Q=_Q_,文献5将其拟合为Q*6=y4595(7)3.2 蒸发温度Te与相对流量。的关系Th-TgQ*由、=KA&Tm及ATm，得出=ATm,这里Th=12C,Tg=7C,Te=5C,.而lnTh匚eKTg-Te.-Tm=log3.5log,'12Te；尸J，在（1,6)区间ATm=0.2722Te8

10、.64),因而得出Q/K=-0.2722（Te-8.84）,对于直接蒸发式蒸发器，结合（4）、（7）Te=8.64-3.6737.0.0598._0.0905111(8)将（8）用图3所见曲线表示，曲线表明，入1一定时，流过壳但U水量减小时，壳但U换热系数减小，管内冷媒蒸发量也减少，管内换热系数下降，整个换热过程热阻增加，因而蒸发压力也下降，但下降幅度不大，理论曲线表明不大于0.5C,这主要是流过壳但U水量减小，同时进入管内整发冷媒质量流速也减小，出蒸发器冷媒蒸气流速也下降，综合效果是比蒸发压力下降不大。但如果是长期运行冷水机组，管/U、壳但U热阻增加，图3.直接蒸发式蒸发温度随流量变化相当于

11、入1很大的情况，蒸发压力将远不如新安装的冷水机组。假设冷水机组采用冷媒是R22,冷凝温度取40C,*额7E状态烝发温度Te=5C,这里把制冷循环作理想处理，认为压缩机进口为饱和状态，冷凝器出口为饱和状态，且将压缩机进口状态始与蒸发温度关系用近似方程h=404.96+0.34Te表示。相对能效系数用rcop表示，则rcop=0.161h-249.2432-249.2将其变化曲线用图4表示。从上到下入1=0.6,1,2,4,从图中可以看图4.直接蒸发式蒸发器rcop随流量变化际运行中由于压缩过程不可逆因素影响,出，能效基本上没有下降，虽然这只是理论结果，实实际能效可能有所下降，但不必因蒸发器中冷冻

12、水流量下降而担心机组实际工作效率大幅下降。对于满液式蒸发器，结合（6）、（7）。4595.,.3Te=8.64-3.6737212(9)将蒸发温度方程（9）用图5曲线表示，相对能效系数用图6曲线表示。从图5可以看出，在入2一定时，且入2大于1,即冷媒但U沸腾丁Ie换热系数大于管内但U水的对流换热系数时，蒸发温度随冷冻水流量减小而下降。虽然由于水但U换热系数减小，整个换热过程热阻增加，同时其中冷媒质量流速下降，蒸发量下降，但热阻增加幅度要大于相对冷负荷减小幅度，因而蒸发温度下降。但在入2小于1,即管内换热系数大于图5.满液式蒸发器蒸发温度随流量变化scop =N compQevNcp Nfp(9

13、)Nfp为冷冻水泵功耗；根据有关理论0.4595 k Ncomp = Ncomp)八 .0.4595 - *QevQev ,N frp H3N*frp，Ncp =#3785 nCp，假定 Ncp =N；rp，令 Nfp =r Zomp,r表示水泵额定功耗占压壳但U沸腾换热系数时，蒸发温度不降反升，这种情况虽然很难实现，但却启示我们，强化管内换热有利于在变流量时稳定蒸发温度，提机组能效系数。从图6（入2从上到下等于0.6,1,2,4）,看出能效基本上没有下降。4相对综合能效系数rcop变化一次泵变速运行时，理想情况下，冷冻水泵相对耗功与相对流量三次方成正比，因而呈很快下降，蒸发器蒸发量也下降，压

14、缩机功耗也呈现下降，当然冷凝器热负荷也下降，为了描述整个系统能效利用情况，这里引入包括系统水泵功耗在内的综合能效系数，其定义为式中Ncomp为压缩机功耗，Ncp为冷却水泵图6.满液式蒸发器rcop随流量变化图7.相对综合能效系数rsp变化缩额定功耗的比率，则相对综合能效系数为scop12rrsp=2.5405.A0.919（10）scop1'r?：'将（10）式用曲线表示如图7所示。当r一定时，流量相对变化越小，即水系统末端负荷越小时，节能越明显，且r越大，即水泵额定功率占压缩机功额定功率越大，综合能效系数也越大；综合前面论述，采用单环路变流量系统时，制冷系统的能效没有明显下降，但整个系统的能效却有明显提升，因而单环路变流量系统能够保证在小流量时蒸发器是安全的，同时整个系统又是节能的。4结论1）两类蒸发器在变流量时，综合传热系数均呈下降变化。2）两类蒸发器在变流量时，蒸发温度有所下降，但提高冷冻水但U传热系数或防止壁面结垢有利于蒸发温度稳定。3）变流量运行制冷系统能效系数下降不明显，但综合能效系数却有明显提高。系统节能主要体现在水泵节能潜力。4）单环路系