1、不同類型蒸發器單環路變流量冷凍水系統性能模擬分析許光映浙江海洋學院工程學院浙江舟山316004（xugy）摘要：考慮空調相對負荷與相對水流量變化的非線性關系，針對滿液式和直接蒸發式蒸發器傳熱的不同特點，利用傳熱學有關理論，分別建立了相對綜合傳熱系數與相對水流量和兩側熱阻比率關系式，引入系統綜合能效系數作為技術評價指標，模擬結果表明：一次泵變流量運行時，蒸發器內蒸發溫度稍有下降，COP下降不明顯，強化水側換熱系數有利于蒸發溫度穩定，新安裝機組隨著運行時間積累，蒸發溫度穩定性越來越差；變流量帶來綜合能效系數scop呈明顯上升，且水泵機組功率占壓縮機機組功率越大，綜合能效系數上升越多。關鍵詞：變流量

2、，蒸發器，能效系數，單環路1引言在空調水系統設計中，調節末端冷凍水流量，目前最廣泛采用是一/二冷凍水雙環路系統，一次泵與冷水機組對應，以恒速運行保證恒定流量水流過，二次泵采用高壓泵，調速運行以適應制冷需要。這種系統能夠保證恒定冷凍水流過冷水機組，運行可靠性得以保證，但在部分負荷時冷水機組效率降低，一次泵也沒有變速調節，泵耗不能隨著空調系統負荷變化而調節，造成整個系統綜合能效系數也下降。為此托馬斯B哈特曼1建議去掉一/二次冷凍水系統中的旁通管，采用單環路變流量冷凍水系統，對冷水機組、冷凍水泵和冷卻水泵同時實行變速調節，以跟蹤空調制冷負荷變化，本文就是以此為背景，對單環路變流量冷凍水系統主要性能進

3、行模擬分析。在冷水機組蒸發器的設計中，通常采用殼管式蒸發器。根據需冷量大小，蒸發器一般分別采用滿液式和非滿液式（直接蒸發式）兩種，滿液式蒸發器中制冷劑在殼但U吸熱蒸發，水在管但U被冷卻。負荷調節是通過控制節流裝置開度控制液面高度維持在要求的水平，直接蒸發式蒸發器水在殼陽U流動，制冷劑在管但U吸熱蒸發，負荷調節是通過蒸發器出口過熱度的變化控制節流裝置的開度，一般用于中小型機組。在單環路變流量冷凍水系統中，假設供回水溫度是嚴格控制在7c/12C,制冷負荷調節是通過調節水泵轉速調節冷凍水流量。流量變化時，對這兩種蒸發器，水分別在管但U、殼但U流動，按照傳熱學有關理論，其換熱規律是不一樣的。制冷劑在管

4、th殼吸熱蒸發，換熱規律也遵守不同規律，進而對蒸發溫度、機組cop影響也不一樣。有必要從理論上對此問題進行模擬分析。2相對傳熱系數K與相對流量中的關系2.1傳熱系數K的表達式Di,外徑為Do的在蒸發器中，無論制冷劑是在管內蒸發還是在管外蒸發，對于內徑為換熱管，其傳熱系數K的一般表達式為2rI o Ho”包樂區卜，色'九（Dm） IDJ HilDj468式中K為總傳熱系數，Hi,Ho為管內、管外液膜的傳熱系數，rjo為管內、管外表面上的污垢傳熱系數，Dm為管平均直徑。在管壁厚很薄時，9«工，工，-Do&1,20ft：1,HiHoDmDi雖然在設計換熱器時，必需考慮ri,

5、ro,這是由于機組經過一段時間的運行管內外要結垢，污垢影響從量上來因此本文的傳熱系數（1）而垢的熱阻與內外表面對流或沸騰換熱熱阻相當2,本文主要理論探討表面還沒有結垢新制造的蒸發器的變流量運行情況。故忽略ri,ro,至于運行一段時間后，看，只是表明各部分熱阻份額，通過調整管內外換熱比例系數來實現。表達式為1_11KFHT2.2直接蒸發式蒸發器的K與P的關系直接蒸發式蒸發器中，制冷劑在管內蒸發，冷凍水在管外被冷卻，假定管束呈三角形排列，其管外換熱系數可根據肖特公式30.60.33,0.142=0.16'DGb佇）也）kNJI"（九1式中Gb為通過管束部分的質量流速，Do為殼外徑

6、，k為液體導熱系數，Nw為平均溫度流體粘度系數，Nw為流體在壁溫時粘度系數。令e=瞿，從上式不難得出W匚=-0.6o管內沸騰換熱系數采用戴維斯和戴維弟式H i = 0.06 旦 Di0.87"l40.28在上式中，變化量最大的是冷媒蒸發量 Gg,其它量變化不大，從文獻5可以看出，即使蒸發壓力有波 動，但單位質量流速制冷量變化幾乎不變，蒸發釋伶重Q=Ggq,在額定工況時，Q=Ggq,相對圖1.直接蒸發式蒸發器的K隨©變化(3)量變化形式為q=G7,因而G7=*0.4595o結合修得ggHi_.0.3997*Hi*設Hi=%Ho（%>1）。將（2）、（3）代入（1）且結合

7、考慮K，則(4)將其隨參變量入1、。變化用圖2表示，隨著進入蒸發器水流減少，綜合傳熱系數減少入i從上到下分別等于0.6,1,1.5,2時，綜合傳熱系數有差別，但相差不明顯。4為2.2滿液式蒸發器的K與4的關系0.14(5)n 1.H o = m(At),式中m、n為與雖然在變冷凍水流量時，蒸發滿液式蒸發器中，制冷劑在管外蒸發，冷凍水在管內被冷卻，內但U換熱系數表達式Hi DiQ80.33DiGc=0.0231.b.'b當管內冷凍水流量從W*變為W時，質量流速從G*變為0.8Hi*Hi制冷劑在管外沸騰蒸發，據文獻3表8-2，表面換熱系數為Ho是(1)、式,11+* *Ho Hi制冷劑種類

8、有關的常數，At為加熱表面與沸騰液體的溫差,況所對應的傳熱系數為兩式相除得將其隨參變量入2、 等于0.5,1,2,4在入結合112,08 14變化用圖3表示，入一定時，隨著進入蒸發器水流減少，管但U對流傳熱系數減小，導致熱阻壓力蒸發溫度有可能發生變化，但從實際運行來看變化幅度并不太大，因此可以考慮增加，綜合傳熱系數減少。同一水流量時，入2越大，表示殼但U換熱系數越大，管但U換熱系數越小，相當于新機組隨著運行，污垢系數增加，使管但U換熱系數減小，綜合傳熱系數呈下降。因此機組運行一段時間后要及時清洗，以保持綜合傳熱系數穩定。將其隨參變量入2、4變化用圖2表示。圖中曲線表明，綜合傳熱系數減少；但是其

9、變化與兩但U傳熱系數比率關系不大，由于管外但U水流下降，換熱減弱，管內但U換熱也同時減弱,且其幅度與比率關系不大。3蒸發溫度Te與。的關系3.1 冷負荷變化與冷水量變化的關系末端負荷相對變化與供水量相對變在采用供回水溫差恒定對一次泵水泵變頻調速控制而言,化之間一般不呈線性關系，令Q=_Q_,文獻5將其擬合為Q*6=y4595(7)3.2 蒸發溫度Te與相對流量。的關系Th-TgQ*由、=KA&Tm及ATm，得出=ATm,這里Th=12C,Tg=7C,Te=5C,.而lnTh匚eKTg-Te.-Tm=log3.5log,'12Te；尸J，在（1,6)區間ATm=0.2722Te8

10、.64),因而得出Q/K=-0.2722（Te-8.84）,對于直接蒸發式蒸發器，結合（4）、（7）Te=8.64-3.6737.0.0598._0.0905111(8)將（8）用圖3所見曲線表示，曲線表明，入1一定時，流過殼但U水量減小時，殼但U換熱系數減小，管內冷媒蒸發量也減少，管內換熱系數下降，整個換熱過程熱阻增加，因而蒸發壓力也下降，但下降幅度不大，理論曲線表明不大于0.5C,這主要是流過殼但U水量減小，同時進入管內整發冷媒質量流速也減小，出蒸發器冷媒蒸氣流速也下降，綜合效果是比蒸發壓力下降不大。但如果是長期運行冷水機組，管/U、殼但U熱阻增加，圖3.直接蒸發式蒸發溫度隨流量變化相當于

11、入1很大的情況，蒸發壓力將遠不如新安裝的冷水機組。假設冷水機組采用冷媒是R22,冷凝溫度取40C,*額7E狀態烝發溫度Te=5C,這里把制冷循環作理想處理，認為壓縮機進口為飽和狀態，冷凝器出口為飽和狀態，且將壓縮機進口狀態始與蒸發溫度關系用近似方程h=404.96+0.34Te表示。相對能效系數用rcop表示，則rcop=0.161h-249.2432-249.2將其變化曲線用圖4表示。從上到下入1=0.6,1,2,4,從圖中可以看圖4.直接蒸發式蒸發器rcop隨流量變化際運行中由于壓縮過程不可逆因素影響,出，能效基本上沒有下降，雖然這只是理論結果，實實際能效可能有所下降，但不必因蒸發器中冷凍

12、水流量下降而擔心機組實際工作效率大幅下降。對于滿液式蒸發器，結合（6）、（7）。4595.,.3Te=8.64-3.6737212(9)將蒸發溫度方程（9）用圖5曲線表示，相對能效系數用圖6曲線表示。從圖5可以看出，在入2一定時，且入2大于1,即冷媒但U沸騰丁Ie換熱系數大于管內但U水的對流換熱系數時，蒸發溫度隨冷凍水流量減小而下降。雖然由于水但U換熱系數減小，整個換熱過程熱阻增加，同時其中冷媒質量流速下降，蒸發量下降，但熱阻增加幅度要大于相對冷負荷減小幅度，因而蒸發溫度下降。但在入2小于1,即管內換熱系數大于圖5.滿液式蒸發器蒸發溫度隨流量變化scop =N compQevNcp Nfp(9

13、)Nfp為冷凍水泵功耗；根據有關理論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表示水泵額定功耗占壓殼但U沸騰換熱系數時，蒸發溫度不降反升，這種情況雖然很難實現，但卻啟示我們，強化管內換熱有利于在變流量時穩定蒸發溫度，提機組能效系數。從圖6（入2從上到下等于0.6,1,2,4）,看出能效基本上沒有下降。4相對綜合能效系數rcop變化一次泵變速運行時，理想情況下，冷凍水泵相對耗功與相對流量三次方成正比，因而呈很快下降，蒸發器蒸發量也下降，壓

14、縮機功耗也呈現下降，當然冷凝器熱負荷也下降，為了描述整個系統能效利用情況，這里引入包括系統水泵功耗在內的綜合能效系數，其定義為式中Ncomp為壓縮機功耗，Ncp為冷卻水泵圖6.滿液式蒸發器rcop隨流量變化圖7.相對綜合能效系數rsp變化縮額定功耗的比率，則相對綜合能效系數為scop12rrsp=2.5405.A0.919（10）scop1'r?：'將（10）式用曲線表示如圖7所示。當r一定時，流量相對變化越小，即水系統末端負荷越小時，節能越明顯，且r越大，即水泵額定功率占壓縮機功額定功率越大，綜合能效系數也越大；綜合前面論述，采用單環路變流量系統時，制冷系統的能效沒有明顯下降，但整個系統的能效卻有明顯提升，因而單環路變流量系統能夠保證在小流量時蒸發器是安全的，同時整個系統又是節能的。4結論1）兩類蒸發器在變流量時，綜合傳熱系數均呈下降變化。2）兩類蒸發器在變流量時，蒸發溫度有所下降，但提高冷凍水但U傳熱系數或防止壁面結垢有利于蒸發溫度穩定。3）變流量運行制冷系統能效系數下降不明顯，但綜合能效系數卻有明顯提高。系統節能主要體現在水泵節能潛力。4）單環路系