翅片管与盘管蓄冷性能的对比

翅片管与盘管蓄冷性能的对比实验研究 李玉春 （顺德职业技术学院，广东佛山528300） 摘要：根据盘管在蓄冰期换热系数较低的情况，提出采用翅片管替代盘管做蓄冰换热器的 方案；以片距12.7mm的翅片管换热器与光管换热器进行了对比实验，得到翅片管式蓄冷周期平均蓄冷量高出15.3%，蓄冰量高出25.9%的效果；实验显示，翅片管换热器在蓄冷初期，性能优势不明显，而在蓄冷后期，冰层增厚后，优势逐渐体现。 关键词：蓄冷系统；  翅片管换热器；  实验研究 0  引言 冰蓄冷空调系统中，蓄冰槽的换热性能至关重要，它已成为蓄冷技术研究的重点之一。冷媒盘管直接蒸发式蓄冷槽中制冷剂与水直接换热，没有二次传热损 失，因而得到较为广泛的应用，然而，由于冰层热阻较大，导致换热性能并不好。杜艳利等【1】对直接蒸发内融冰式盘管进行了实验，得出在蓄冷运行工况下，传热系数为30—40W/( m2.K)，周光辉等【2】对盘管不同密度布置下的蓄冷特性进行了研究，得到在3倍现有盘管布置密度下，低温取冷时间延长了69%，取冷速率提高了97%。杜恩杰等[3]认为，开放式蓄冰槽在停机时，极易出现空调末端冷水倒流，导致电磁阀、电动阀调节失效，因此，提出采用壳管式换热器做蓄冰槽的技术方案，并进行了相应的性能实验。其它形式的蓄冰槽研究文献有：李明海等[4]则针对航天器中的热泵系统，提出采用套管式换热器做为蓄冷制冰的换热装置，并进行了数值模拟。张华等[5]则对以聚乙烯为壳体材料的冰球进行了数值模拟， 建议 关于小区增设电动车充电建议给教师的建议PDF智慧城市建议书pdf给教师的36条建议下载税则修订调整建议表下载 Bi应为1000左右：既可取得较好的球壳外换热效果，又不至于引起较大的流动阻力。 盘管直接蒸发式蓄冷槽在蓄冷阶段，随着结冰层不断增厚，其热阻也随之不断增大，因此，加大管外换热面积，减少冰层厚度是提高换热性能的关键，单纯提高盘管密度会占据较多的蓄冰空间，致使IPF过小，而管外加装翅片既可增大换热面积，又基本不减少蓄冰槽的有效蓄冰空间。因而采用翅片管做蓄冷用换热器应是可选的技术方案之一。目前，以翅片管换热器进行蓄冷制冰的研究极少见之于文献。本文拟对翅片管与目前应用广泛的盘管的蓄冷性能进行对比研究。 1  实验装置 实验样机配置如下： 压缩机：理论排气量为llxl0-6m3/r；频率30—120Hz(实验固定为80Hz)； 冷凝器：内螺纹铜管φ9.52mmx0.32mm；冲缝铝制套片，片距1.5mm；风量为l400m3/h； 翅片管蒸发器：铜管φ9.52mmx0.35mm，平滑铝制套片，片距12.7mm，蒸发器水平放置在蓄冰槽内，蒸发器管路 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 见图1。 图1蒸发器管路示意图 光管蒸发器（盘管）：与翅片管所用铜管规格相同，长度及布置方式相同。 节流机构：电子膨胀阀，0—500脉冲。 蓄冰槽：内胆、外壳均采用Cr18Ni9，内胆、外壳间注入EPS发泡，厚度75mm。 图2实验装置示意图 图2所示为实验装置示意图，变频压缩机固定为80Hz运转，采用电子膨胀阀调节制冷剂流量，使蒸发器出口制冷剂保持1—2℃的过热度。实验中冷凝器的进风温度为干球35℃，湿球24℃。实验起始水温为17.5℃，实验以蒸发器上表面结冰任意两处高过边板（见图1，边板高44mm，翅片管时，边板与翅片等高）2mm为结束判据。 2  数据采集与处理 实验采用涡轮流量计测量液态制冷剂流量，由于涡轮流量计具有一定的节流作用，为确保制冷剂不因压降闪发引起流量测量误差，流量计后装有视液镜，只 有视液镜中无气泡，流量测量值才有效。节流前、蒸发器出口各布置一个压力一温度测点，蒸发器进口布置一个压力测点。温度测量采用镍铬一镍铝热电偶（K型）共23对。其中风机盘管上布置4对，测量风机盘管沿程的管温；制冷系统布置7对，主要测量系统的排气、回气、冷凝器中部盘管、节流前，蒸发器中部、蒸发器出口温度，由于制冷剂铜管及风机盘管壁厚很薄，因此采用锡钎焊工艺将热电偶钎焊在铜管上进行管壁温度测量；另12对热电偶布置在距翅片表面Imm 处以及距翅片表面6mm处（图3所示位置）以测量翅片间水温。实验所用K型热电偶精度+0.1℃，压力传感器精度0.5级，涡轮流量计精度0.5级。涡轮流量计与蒸发器进口间管长不足0.5m．管道外包保温橡胶，故此忽略此段热损失。 根据节流前的压力、温度可得制冷剂人口焓值hi．，根据出口的温度值、压力值，可得出口焓ho，再根据液态制冷剂流量V，即可利用制冷剂焓差法可得制冷量q： 图3水温测点位置 （1） 式中q——制冷量，W; p1——液态制冷量密度，kg/m3； V——流量计所测流量，m3／h； hi，ho。——蒸发器进、出口处制冷剂焓，kj/kg。 蓄冷周期总蓄冷量Q由下式计算： （2） 利用同一制冷系统，将蒸发器采用风冷方式，压缩机运转频率与蓄冷运行时频率相同，在广东省制冷产品检验站（顺德站）内的高精度焓差室内进行对比测量，测得制冷剂焓差法与空气焓差法所测制冷量相差小于5%，故认为，制冷剂焓差法在本实验中有效。蓄冷槽（水泵停止）在实验工况下经测定，漏热量小于50W，故认为制冷量即为蓄冷量。 传热系数K定义如下（基于管外壁换热面积）： （3） 式中q ——制冷量，由(1)式可得，W; Ftub——换热管外表换热面积，m2，Ftub= dMl，其中d、l、m分别表管外径、每根管长度、管根数； tf，te——分别表示管外水温、管内制冷剂温度，℃，管外水温由图3所示位置热电偶测温平均所得；管内制冷剂温度由蒸发器进出口压力平均并查对应饱和温度所得。 蓄冷结束后，将蒸发器拆下吊出水面，称重，即可测出蒸发器总结冰量。 实验在广东省制冷产品检验站（顺德站）高精度焓差室内进行，相关的数据采集与处理由焓差室数据采集与处理成套系统完成。 3  实验现象及分析 3.1 与光管的性能对比 实验共进行两组，一组是水泵运行（实测流量为4L/min，蓄冰槽内水平断面流速为3.8xl0-4 m/s，由于流速极缓，故认为对管外换热不大），一组是水泵停止，图4是翅片管换热器与光管的蓄冷量对比，水泵运行时，光管蒸发器与翅片管蒸发器的蓄冷周期分别为210min及180min，平均蓄冷量为1889W及1956W，翅片管高出3.5%，这是因为水泵的循环作用，使得制冷系统必须将蓄冷槽内所有的水基本同步冷却，因而消耗更多的制冷量，蓄冰周期也较长。水泵停止时光管蒸发器仅耗时75min。而翅片管耗时较长，为128min。在蓄冷周期内，光管的 时间/min 图4翅片管与光管的蓄冷量对比 平均蓄冷量为1576W，而翅片管则为1818W。翅片管高出15.3%。 对蓄冷量进行积算可得总蓄冷量，水泵运行时，光管及翅片管蓄冷量分别为6.70kWh和5.78kWh。而光泵停止后，分别为1.97kWh和3.88kWh。 产生上述现象的原因在于水泵停止时，由于水的流动完全靠自然对流，光管的管外换热面积远小于翅片管，因而，光管蒸发器表面温度较翅片管换热器低， 可快速将盘管表面的水冷却，使这部分水来不及流动即已成冰，而翅片管表面温度较高，对蒸发器表面水层的冷却速度减慢，蒸发器表面的水有充足的时间形成循环流动，而使较远处的水补充到蒸发器表面，致使蒸发器表面的结冰时间延后许多。实验中，光管出现结冰的时刻为38min左右，而翅片管出现结冰时刻则在63min左右。 而水泵运行时，由于水的循环流动，使得蓄冷槽内的水温基本均匀，换热性能好的蒸发器结冰耗时少，因此，翅片管蒸发器蓄冷周期小于光管周期。水泵运转(130W)使蓄冷槽的内水的温度上升，以及冷水从蓄冷槽被抽出，经管道再由分水器喷入形成的泠量损失（包括管道漏热损失以及分水器喷淋与槽内空气的接触换热损失），蓄冷周期越长，总热损失也就越大，再者光管由于热阻偏大，因而冰层温度较翅片管低，冰层的蓄集的显冷量也较翅片管高，上述几个原因使光管名义的总蓄冷量较高。 蓄冷结束后，测得光管换热器与翅片管换热器的结冰量分别为5.8kg及7.3kg，翅片管高出25.9%。结冰量的不同是因为光管的冰层沿半径向方向基本以 同心圆的方式增厚，因而，使得换热器内部空间无法得以有效利用，而翅片管换热器冰层在初始阶段与光管相同，在结冰的中后段，翅片表面开始结冰，并与管 图5不同时刻结冰界面示意图 表的冰层一道向翅片间距的中心推进，结冰过程及结冰界面的推进过程见图5示意。最后使换热器内部空间完全结满实心（除铜管及翅片所占的空间外）的冰 层，因而空间的有效利用率较高。 图6是翅片管与光管的传热性能对比，图中可见，无论水泵运行与否，蓄冷初期，翅片管与光管的传热性能相差不大，而到蓄冷的中后期，翅片管的传热性能优势才逐渐显现出来，其原因在于：蓄冷初期，管外壁及翅片表面冰层较薄（或无冰）时，翅片表面及管外壁的换热系数高，翅片效率低，因而优势并不明显；蓄冷中后期，冰层增厚，管外壁及翅片表面传热性能下降时，翅片效率升高，从而使总体传热性能下降并不明显。图6中水泵停止情况下，135min后，翅片管的传热系数与光管传热系数比值逐渐由1.3上升至2.52。相信随着冰层厚度的增加，翅片管换热器的优势将会更加明显。 时间/mm 图6翅片管与光管的传热性能对比 蓄冷周期的末段，由于冰层将水温测点履盖，因而，所测温度已不是水温，由此所算的传热系数失真，图中已虚线表示。图6中光管的传热系数远大于文献 [1]中所述，是因为本文所采用的蓄冷换热器管间距远小于文献[1]中所用管间距所致。 4 结语 (1)针对片距为12.7mm的翅片管换热器以及同等布置下的光管换热器，进行蓄冷的对比实验，得到翅片管换热器蓄冷周期平均蓄冷量高出15.30/0（水泵停 止运行时），蓄冰量高出25.9%； (2)得到基于管外换热面积的传热系数，由于翅片肋效率较低，因而翅片管优势不明显，而在结冰末段，冰层较厚时，翅片管有一定优势。 参考文献： [1]  杜艳利，何世辉，肖睿，等，直接蒸发内融式冰蓄冷空调的蓄冷和释冷特性[J]．制冷学 报，2007，28(3):31—35． [2]  周光辉，杨晓明，许肖飞，冰盘管密度对取冷速率影响的实验研究【J】．低温与超导，35(2):154—156． [3]  杜恩杰，吕晓艳，石文星，等．壳管式蓄冰槽蓄冷特性的实验研究[J]流体机械，2004，32(10)：42—45． [4]  李明海，任建勋，梁新刚．微重力下套管式蓄冰器的充释冷特性分析[J]．工程热物理学报，23( suppl)：165^，168.