蒸发器原理

蒸发器原理

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。 scop

关键词:变流量，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側吸热蒸发，水在管側被冷却。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側流动，制冷剂在管側吸热蒸发，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7?/12?，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，水分别在管側、壳側流动，按照传热学有关理论，其换热规律是不一样的。制冷剂在管側、壳側吸热蒸发，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相对传热系数与相对流量的关系 K,

2.1传热系数K的表达式

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D，外径为D的io换热管，其传热系数K的一般表达式为

,,,,,,,DDD111ooo,,,,,,,，r，，r， oi,,,,,,KH,DDHDomiii,,,,,,

式中K为总传热系数，H,H为管内、管外液膜的传热系数，r,r为管内、管外表面上的污ioio

D,D11oo,,,,1,1垢传热系数，D为管平均直径。在管壁厚很薄时，，，，

m,HHDDiomi

虽然在设计换热器时，必需考虑，这是由于机组经过一段时间的运行管内外要结垢，ri,ro

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，至于运行一段时间后，污垢影响从量上来ri,ro

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。因此本文的传热系数

表达式为

111 (1) ,，KHHoi

2.2直接蒸发式蒸发器的与的关系 K,

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[3]

0.140.60.33,,,,,,HDDGc,,oeBb0,,,,,0.16 ,,,,,,,,,k,,,,w,,

k式中为通过管束部分的质量流速，为壳外径，为液体导热系数，为平均温度流D,G0wB

W,体粘度系数，,为流体在壁温时粘度系数。令，从上式不难得出 ,w*W

H0.6o,, (2) *Ho

管内沸腾换热系数采用戴维斯和戴维弟式[4]，

10.280.870.4,,DG,,,,,,kcigllll,,,,,,

H0.8,0.06,i,,,,,,D,k,illg,,,,,,0.6K在上式中，变化量最大的是冷媒蒸发量G，其它量g0.4 变化不大，从文献[5]可以看出，即使蒸发压力有波0.2动，但单位质量流速制冷量变化几乎不变，蒸发释

0.20.40.60.81**Q,Gq冷量，在额定工况时，Q,Gq，相对gφ g

0.4595Q,GG,,量变化形式为，因而。结合H得图1.直接蒸发式蒸发器的随变化 K,igg

Hi0.3997,, (3) *Hi

***K设。将(2)、(3)代入(1)且结合考虑,则 H,,H(,,1)i1o1

,，1K1K,, (4) *,0.6,0.3997K,,，,1

将其随参变量λ、φ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,1

λ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。1

K 2.2满液式蒸发器的与,的关系

满液式蒸发器中，制冷剂在管外蒸发，冷冻水在管内被冷却，内側换热系数表达式[4]为

0.140.80.33,,,,,,HDDiGc,,iib ,,,,,0.023,,,,,,,,,,b,,,,bw,,b

GW当管内冷冻水流量从W*变为W时，质量流速从G*变为G，令，因

而 ,,,**GW

Hi0.8 (5) ,,*Hi

n,1制冷剂在管外沸腾蒸发，据文献[3]表8-2,表面换热系数为，式中m、n为与，，H,m,to

,t制冷剂种类有关的常数，为加热表面与沸腾液体的温差，虽然在变冷冻水流量时，蒸发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H是o

,,111111**,,常量。设结合(1)、(2)式，得,而额定工,，,，

H,,Ho2i0.8*,,,KHH,H2oi,,i1

0.8,,11111,,况所对应的传热系数为， 1,，,，****,,0.6,KHHH2,,oii K0.4两式相除得

0.2,1，K2K,, (6) *,0.80.20.40.60.81K,,，12φ将其随参变量λ、φ变化用图3表示，λ从上到,下分别图2.满液式蒸发器相对K随流量变化 22