胡東兵，岳清學(xué)，張營，楊旭峰

（格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

隨著環(huán)境問題日益嚴重，制冷劑替代和減量延續(xù)技術(shù)已然成為當前空調(diào)行業(yè)的重要關(guān)注點[1-2]。傳統(tǒng)滿液式蒸發(fā)器雖結(jié)構(gòu)簡單，換熱性能穩(wěn)定，但存在著冷媒充注量大、機組回油困難等缺點，相比之下，水平管降膜蒸發(fā)器作為一種新型高效換熱設(shè)備，不僅具有較高的換熱性能，而且還具有制冷劑充注量少、傳熱溫差小、回油可靠等優(yōu)點[3-5]。隨著新冷媒的推廣使用，大中型冷水機組中，較少冷媒充注量的降膜式蒸發(fā)器具有明顯的成本優(yōu)勢，使其逐漸取代滿液式蒸發(fā)器。已有文獻對降膜式蒸發(fā)器進行研究，但是大多集中在布液器參數(shù)、管外液膜分布、管間流型及管束排列的試驗與仿真方面[6-15]，對整機進行研究的報道較少。

本文通過機組測試，從換熱量、制冷劑充注量等方面對比滿液式機組和降膜式機組的性能，并探討降膜式蒸發(fā)器存在的一些問題，為后續(xù)降膜式的設(shè)計、生產(chǎn)和推廣使用提供參考。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

測試所用的降膜式蒸發(fā)器與滿液式蒸發(fā)器，所采用的換熱管規(guī)格、型號、數(shù)量完全一樣。如圖1所示，兩臺蒸發(fā)器內(nèi)部管束布置及內(nèi)構(gòu)件有所不同，滿液式布管高度較低，最高排管位置約為殼體中心，管束采用左右對稱布置，冷媒進口設(shè)置在殼體底部，出氣口在殼體頂部。降膜式蒸發(fā)器殼體內(nèi)部上端為布液器，布液器下方為換熱管束，管排跟布液器寬度保持一致，降膜區(qū)管束布置成長方形，底部滿液區(qū)為圓弧形，進液口及出氣口均在殼體頂部。

圖1 管束布置示意圖

1.2 測試系統(tǒng)及測試步驟

試驗樣機在600 RT冷水機組測試臺進行測試，機組系統(tǒng)如圖2所示，其中降膜式進液接管在蒸發(fā)器頂部，滿液式進液接管在蒸發(fā)器底部。

測試步驟：

1）先測試滿液式蒸發(fā)器，機組充注量350 kg，按照既定試驗方案測試機組名義制冷工況及部分負荷工況下性能參數(shù)，每個工況穩(wěn)定運行2 h后保存測試數(shù)據(jù)；

2）滿液式各工況測試完成后，回收冷媒和潤滑油，將機組蒸發(fā)器更換為降膜式蒸發(fā)器，并清洗系統(tǒng)，重新充注冷媒和潤滑油，冷媒初始充注量230 kg；

3）蒸發(fā)器進出水管采用上進下出時，測試不同工況下機組的性能，每個工況穩(wěn)定運行2 h后保存測試數(shù)據(jù)，每次增加10 kg冷媒，均按照先測試名義制冷工況，后測試部分負荷工況的順序進行測試，直至冷媒增加后機組名義制冷工況下參數(shù)變化幅度明顯降低，則不再增加冷媒；

4）調(diào)換蒸發(fā)器進出水管方式，改為下進上出，測試不同工況下機組的性能，每個工況穩(wěn)定運行2 h后保存測試數(shù)據(jù)，每次減少10 kg冷媒，直至冷媒減少后機組性能參數(shù)低于滿液式或者發(fā)現(xiàn)機組滿液區(qū)液位較低，換熱管存在“干燒”現(xiàn)象，則不再減少冷媒。

圖2 系統(tǒng)原理示意圖

1.3 測試工況及允差

名義工況下參數(shù)設(shè)定均按照如下要求執(zhí)行：蒸發(fā)器額定水流量（m3/h）按照0.172x名義制冷量（kW）設(shè)定，出水溫度設(shè)定為7 ℃；冷凝器器額定水流量按照0.215x名義制冷量設(shè)定，進水設(shè)定為30 ℃。

參數(shù)允差應(yīng)符合以下要求：

1）機組的水溫偏差±0.1 ℃；

2）冷凍水流量及冷卻水流量應(yīng)在額定流量的±5%以內(nèi)；

3）機組應(yīng)在額定頻率、額定電壓下運行，其頻率偏差值不應(yīng)大于0.5 Hz、電壓偏差在±5%以內(nèi)。

1.4 數(shù)據(jù)導(dǎo)出及不確定度分析

總換熱系數(shù)按如下公式計算：

式中：

Q——換熱量，kW；

A——換熱面積，以換熱管外表面積為基準，m2；

do——換熱管名義外徑，m；

L——換熱管有效長度，m；

N——換熱管數(shù)量；

ΔTm——對數(shù)平均溫差，℃；

Tin——冷凍水進水溫度，℃；

Tout——冷凍水出水溫度，℃；

To——蒸發(fā)溫度，℃。

根據(jù)文獻[16]，直接測量參數(shù)可表示為：

式中：

Xi,meas為測量值，δx為測量不確定度，其相對不確定度即為Xi/δx；

由測量數(shù)據(jù)進行計算間接得到參數(shù)R的絕對不確定度為：

相對不確定度為：

式中：

X1,X2,……,Xn為n個獨立測量值為，即參數(shù)R=f(X1,X2,……,Xn)；

W1,W2,……,Wn為X1,X2,……,Xn對應(yīng)不確定度。

表1 參數(shù)的不確定度

2 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

為對比滿液式蒸發(fā)器機組和降膜式蒸發(fā)器機組的差異，選擇名義制冷工況下機組制冷量、性能系數(shù)、蒸發(fā)溫度進行分析。

2.1 滿液式機組測試數(shù)據(jù)

滿液式機組冷媒充注量350 kg，機組名義制冷工況下數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 滿液式機組名義制冷工況下數(shù)據(jù)

2.2 降膜式機組測試數(shù)據(jù)

將測試機組滿液式蒸發(fā)器更換為降膜式蒸發(fā)器，按原滿液式機組相應(yīng)的測點進行布置并測試。

對于滿液式機組而言，其冷媒液位較高，換熱管浸泡于冷媒中進行蒸發(fā)換熱，進出水管方式對換熱影響較小。而降膜式蒸發(fā)器則由于布管位置較高且冷媒充注量較少，只有底部少量換熱管處于冷媒液位以下，即滿液區(qū)，因此蒸發(fā)器進出水管方式會對換熱產(chǎn)生較大的影響。試驗分別測試了進出水管采用上進下出和下進上出兩種方式下的機組性能。

2.2.1 蒸發(fā)器進出水管采用上進下出的方式

降膜式機組初始冷媒充注量230 kg，在機組穩(wěn)定運行2 h后保存機組數(shù)據(jù)。后續(xù)每次增加10 kg冷媒，運行穩(wěn)定2 h后保存數(shù)據(jù)，機組制冷量增加幅度明顯降低時不再增加冷媒。不同冷媒充注量下的名義制冷工況下制冷量、性能系數(shù)以及蒸發(fā)溫度變化如圖3所示。以圖3中滿液式數(shù)據(jù)均表示冷媒充注量為350 kg時的測試數(shù)據(jù)。

由圖3可知，隨著冷媒充注量增加，降膜式機組制冷量升高，但增長趨勢逐漸緩慢，且在充注量280 kg以后制冷量不再顯著增加。機組制冷量在冷媒充注量250 kg時開始超過滿液式，此時機組性能系數(shù)略低于滿液式（見圖4），若不考慮蒸發(fā)溫度，在機組制冷量與性能系數(shù)與滿液式相當時，降膜式采用上進可減少約100 kg冷媒，相比滿液式冷媒充注量可降低28.6%。由圖4可以看出，性能系數(shù)趨勢與制冷量相同，且在冷媒充注量260 kg時，降膜式性能系數(shù)開始超過滿液式。由圖5可以看出，隨著充注量增加，蒸發(fā)溫度呈階段性增加，降膜式蒸發(fā)溫度由5.2 ℃升高到5.6 ℃，在冷媒充注量280 kg前降膜式蒸發(fā)溫度低于滿液式機組，但在280 kg后蒸發(fā)溫度與滿液式持平。

圖3 降膜式（上進）不同冷媒充注量下制冷量變化

2.2.2 蒸發(fā)器進出水管采用下進上出的方式

更換進出水管方式前機組冷媒充注量為300 kg，更換進出水管后先測試300 kg充注量下機組性能，后續(xù)每次減少10 kg，機組穩(wěn)定運行2 h后保存數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如圖4～圖8所示。

結(jié)合圖4、5、6、7，降膜式機組進出水管采用下進上出與采用上進下出規(guī)律相似，充注量越多，機組制冷量以及性能系數(shù)均提高，但增加趨勢逐漸緩慢（在冷媒達到270 kg時，制冷量及性能系數(shù)提高幅度較小）。由圖6、7可以看出，在采用下進上出方式，充注量230 kg時，降膜式機組制冷量超過滿液式，且此時機組性能系數(shù)與滿液式相當，此時機組相比于滿液式機組冷媒可減少約34%充注量。由圖8可以看出，隨著冷媒的增加，蒸發(fā)溫度呈現(xiàn)階段性增加，蒸發(fā)溫度由5.2 ℃逐漸提升到5.9 ℃。在充注量250 kg時，機組蒸發(fā)溫度與滿液式機組的蒸發(fā)溫度5.6 ℃持平，且在充注量為300 kg時，蒸發(fā)溫度達到5.9 ℃。

圖4 降膜式（上進）不同冷媒充注量下機組性能系數(shù)變化

圖5 降膜式（上進）不同冷媒充注量下蒸發(fā)溫度變化

圖6 降膜式（下進）不同冷媒充注量下制冷量變化

圖7 降膜式（下進）不同冷媒充注量下機組性能系數(shù)變化

圖8 降膜式（上進）不同冷媒充注量下蒸發(fā)溫度變化

2.2.3 兩種進出水方式數(shù)據(jù)對比及分析

由圖9可知，降膜式機組在相同充注量下，進出水管采用下進上出的方式時，機組制冷量均高出采用上進下出時20 kW左右。圖10對比不同冷媒充注量下?lián)Q熱系數(shù)及蒸發(fā)溫度的變化圖9、10表明采用下進時蒸發(fā)器的整體換熱性能較好。

圖10 上進和下進不同冷媒充注量換熱系數(shù)及蒸發(fā)溫度對比

3 結(jié)論

對降膜式蒸發(fā)器機組和滿液式蒸發(fā)器機組分別進行測試，通過數(shù)據(jù)及分析可得到如下結(jié)論：

1）降膜式機組性能與冷媒充注量有關(guān)，隨著冷媒充注量增加，降膜式蒸發(fā)器機組的制冷量、性能系數(shù)及蒸發(fā)溫度逐漸提升，但提升趨勢逐漸緩慢，其中蒸發(fā)溫度只有在冷媒充注量增大到一定量時才變化；

2）降膜式蒸發(fā)器機組性能與蒸發(fā)器冷凍水進出接管方式有關(guān)，冷凍水進出水管采用下進上出的方式機組性能優(yōu)于上進下出；

3）與滿液式機組相比，同等能力下，降膜式蒸發(fā)器機組冷媒充注量較少；在蒸發(fā)器冷凍水上進時，冷媒充注量可減少28%；冷凍水下進時，冷媒充注量可減少34%。