大过冷度逆流式过冷器换热特性研究

图"
大过冷度制冷— — —高温水蓄冷空调系统
・ %) ・ !"# 常规制冷循环 该循环工作时， 压缩机和循环泵 ! 开启， 循环泵 阀门 #$、 阀门 #!、 " 关闭， #%、 #& 开启， #"、 #’、 #(、 #)、 #* 关闭。在蒸发器内制冷剂与水发生热交换， 制冷剂将冷量传递给冷冻循环水， 冷冻循环水通过 风机盘管将冷量传递给室内空气， 使室内空气温度 降下来。进风机盘管冷冻循环水的温度为 &+ ， 出 风机盘管冷冻循环水的温度为 !"+ 。 !"! 蓄冷循环 在夜间电力负荷低谷期， 蓄冷循环开始工作， 压 缩机和循环泵 ! 开启， 阀门 #$、 阀门 #’、 #( 开启， #!、 #"、 #%、 #&、 #)、 #* 关闭。制冷循环与普通循环 一样， 但冷冻水循环通过泵 !、 阀门 #’， 到达蓄冷罐 下部入口， 蓄冷罐回水通入其上部出口、 阀门 #(， 回 到蒸发器。蒸发器产生的冷量由冷冻循环水输送到 蓄冷罐内， 蓄冷罐内水温逐渐降直至 %+ 左右。 !"$ 过冷循环 当白天空调冷负荷增加或制冷机组不能供应足 够冷量时， 这时可以运行过冷循环。过冷循环工作 时， 压缩机、 循环泵 !、 循环泵 " 都工作， 阀门 #!、 #"、 阀门 #$、 #%、 #&、 #)、 #* 都开启， #’、 #( 关闭。当循 环泵 " 工作时， 蓄冷罐内的冷水通过过冷器的水侧 将冷量传递量给制冷剂， 这时流过过冷器的液体制 冷剂温度将被降低。液体制冷剂温度越低， 制冷循 环产生的冷量越大。如果知道制冷剂流出过冷器的 温度， 那么制冷量的增加量就可计算出来。 $ $"# 大过冷度逆流式过冷器选配及其传热特性研究 过冷器的选配 为了减小过冷器的体积， 过冷器一般采用板式 换热器。板式换热器在制冷、 蓄冷系统中， 由于高低 温两种介质相互不接触混合， 运行管理方便， 可靠性 好， 因而得到广泛应用。 制冷、 蓄冷系统常选用整体焊接型板式换热器， 在结构上采用波纹金属作为换热板片， 经真空烧焊 压制而成。板式换热器由于其波纹板片形成波纹状 通道， 使介质获得较强的换热效果。甚至在两种换 热介质温差只有 !+ 的情况下， 也能获得高效率的 传热性能。 由于液— — —液换热型板式过冷器的传热特性及 传热系数无法得到， 又无文献资料可查， 因此本文提 出了一种类比计算法， 即根据板式蒸发器的传热特 性和管式液— — —液热交换换热与管式蒸发器的传热 系数的比值来估算板式过冷器的传热系数或传热单 ・ E） 元数。 （!） 管式蒸发器传热系数计算
・ 6 * && ; 6 * +() 6 * 6%6) 6 * 6% 6 * : ・ （ ） ; ) * ::% 3 0 $ $ 6$ %6 ; %6 < 0 % * 00& ; %6 < : ・ 0(A * 0+ （7 3 #& 5） 管式蒸发器的传热系数 56 由下式计算： % （7 3 #& ・ （0） 5） % % % ’ ’ ! $ $ 6 B 已知铜管的壁厚 %$ 6 * + ; %6C0 、 铜管的导热系 56 $ 数!$ 0A/7 3 # ・ 并将$ 则得： 5， $ B、 6 值代入上式， % 56 $ $ %(/ * (& % 6 * + ; %6C0 % ’ ’ 0(A * 0+ 0A/ 0&/ * (: （7 3 #& ・ 5） 管式过冷器传热系数计算 （&） 管式过冷器内制冷剂换热不发生相态变化， 其 管内制冷剂对流换热系数$ ［&］ 得到， 即： B4 可由文献 "・ @ ! D ・ ・ （ D B） ・ ・ （/） 89D6 * / （7 3 #& 5） $ B4 $ 6 * 6&0 @B # D 由制冷剂 E&& 热物性图表可得到过冷器内制
" （ * . !- H $ ） F2 9 !G2" 9 ! 9 ’ / $&* . !- H & % % （0"）
制冷剂 <"" 在管内的质量流速为： >9 56 - / -%%& 9 9 !$* / *’ （ 7> C 0" !34 H& . ’ / $&* . !・ F " 2 "
根据制冷剂在管内的质量流速 > 值， 由文献 ［"］ 可得到蒸发管内的热流密度 A2 为 &)--8 C 0" 。 蒸发器管内制冷剂的对流换热系数 " 2 可由文 得到， 即： 献 ［"］
"--" 年第 % 期
该管式蒸发器选取铜管直径为 ,!- . - / &00， 壳体内径 12 为 "--00， 总管数 34 为 !- 根， 流程数为 "。 根据蒸发器的制冷量和制冷工况求出制冷剂的 循环量 56。已知蒸发器制冷量为 (78， 蒸发温度 4冷凝温度 47 9 %&+ 蒸发器水侧进口温度 4:2 9 9 &+ ， 出口温度 4:; 9 (+ 。 !"+ 、 由制冷剂 <"" 的 =>?— — — @ 图和热力性质表得 到蒸发器出口为饱和蒸气时单位制冷量 A- 为： （ 7B C 7>） A- 9 !&( / %&* 由公式 D- 9 5・ 则有： 6 A- 得到制冷剂循环量 56 ， D( （ 7> C E） 9 9 - / -%%& A- !&( / %&* 铜管的内截面积为： 56 9
) * +, 时水的物性数据如下： ・5， ・1， -." $ / * %)012 3 14 89" $ ) * ! " $ 6 * +()7 3 #
0 <: & # 3 =。 ::， # " $ ))) * (+14 3 # ， " $ % * 00& ; %6 " 管式蒸发器内水的流速可由下式得到：
! 前言 近年来， 许多蓄冷空调方案被提出来。一种是冰 蓄冷空调系统， 它是利用冰的相变潜热进行蓄冷， 其 单位容积蓄冷量比其它系统都高， 当结冰率为 (#) 时， 其单位容积蓄冷量约为 !#$*+ , -； 但该系统的制冷 效率比其它系统低， 一般情况下， 它比常规空调制冷 系统的效率要低 %#) 。另一种是 ./0 蓄冷系统， 其 相变温度为 12 3 42 ， ./0 蓄冷材料是由一些复合 盐组成， 该系统的制冷效率比冰蓄冷系统高； 但蓄冷 材料成本较高， 且易发生老化现象。还有一种是水蓄 冷系统， 用水蓄冷在很多场合是成功的， 它有许多其 它蓄冷材料不可比拟的优点， 即传热性能好、 性能稳 定、 价廉易得； 但常规的水蓄冷只有 (2 3 42 的温差 可利用， 其单位容积蓄冷量较小， 所以， 该系统没有广 泛被采用。如果水蓄冷系统中水温在高于 "# 3 "!2 情况下也能被利用， 那么该系统的单位容积蓄冷量将 增大， 并具有许多优点。为了突破这种约束， 根据使 制冷剂在节流前过冷可以提高制冷量的原理， 提出了 采用大过冷度逆流式过冷器的水蓄冷空调系统， 该系 统的最大优点在于拓宽了空调水蓄冷限定在 "!2 以 下的温度范围， 能利用现有蓄冷空调系统所难以充分 利用的空调机回水温度 （"!2 ） 以上的蓄冷量来供冷， 理论上可将空调用蓄冷的有效温度提到仅比冷凝器 出口的制冷剂低一温差的温度， 例如达到环境的温度 （%#2 ） ， 这样可使水单独作为空调蓄冷剂， 并有足够 大的单位容积显热 （"## 3 "!#*+ , -） ， 而水蓄冷的所有 优点都被充分发挥。
>" 6 * 00/ （# 3 =） $ 6 * 6%6) $ ・ ?" ))) * (+ ; 6 * 06: " " ［&］ 蒸发器内水侧的对流换热系数 $ 6 可由文献 "$ 得到， 即： $ 6$ ・ 6 * && " @6 6 * : ! " ・ （ ）・ ・ 89"% 3 0 （7 3 #& 5） （&） @6 # " 将上述已知参数代入 （&） 式， 则得：
!南京大学人才培养基金项目 作者简历： " 方贵银， 南京大学物理系制冷低温教研室， !"##$% 收稿日期： !##" & "! & "’
源自文库
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大过冷度制冷— — —高温水蓄冷空调系统
该系统工作原理如图 " 所示。大过冷度制冷 — — —高温水蓄冷空调系统之所以能利用高于空调回 水温度的冷量来供冷是根据两个原理： 一个是热力 学原理， 通过使冷凝器出口液体制冷剂过冷来达到 增加制冷系统的冷量， 据分析每提高 "2 过冷度， 制 冷循环的制冷 量 约 提 高 ") 。另 一 个 是 传 热 学 原 理， 虽然高于空调回水温度的蓄冷水不能通过直接 传热方法向空调回水供冷， 但因为来自冷凝器的液 体制冷剂温度高于环境温度， 只要蓄冷水温还低于 液体制冷剂温度， 它就能使来自冷凝器的液体制冷 剂过冷， 也就是将高温的冷量转移给了高压的制冷 剂液体， 高压过冷制冷剂液体又通过降压节流， 在比 空调回水更低温度下蒸发， 于是将蓄冷量转移给空 调回水。该系统由三个循环组成， 一个是制冷循环， 它由压缩机、 冷凝器、 过冷器、 膨胀阀和蒸发器等部 件构成； 另一个是蓄冷循环， 它由蓄冷罐、 循环泵 "、 蒸发器及控制阀门等组成； 还有一个是过冷循环， 它 由蓄冷罐、 循环泵 !、 过冷器及控制阀门等组成。
-/" I - / $%$ -/’ > ・ （ -） （8 C 0" ・ （!） K） " 2 9 - / &"%( A2 ・ - / " IJ6 G2 由制冷剂 <"" 的热力性质图表可得到蒸发压
力 I- 9 - / &)%LIM、 临界压力 IJ6 9 % / *)’LIM， 并将上 述已知参数代入上式， 则得： !$* / *’- / " -/’ . " 2 9 - / &"%( . &)--/" . （* . !- H $） - / &)% - / $%$ （ ） 9 $"% / (’ （8 C 0" ・ K） % / *)’ 在已知蒸发器制冷量和进出口水温的情况下， 可得到循环水流量： D( （ 7> C E） 9 9 - / $$% ・ （ NI: 4 % / !*$ . !" H (） !: 管外水通道截面积可由下式计算： 5: 9
" F: 9 ! 12" H 34・! G-" 9 ! .（"-- . !- H $） H !% % % " （!- . !- H $） （0"） .! 9 - / -$-’ %
建筑热能通风空调 由水的热物性表可得到平均水温 !"# $ %& ’ ( $ &
・ /) ・ 管式过冷器水侧的对流换热系数仍用公式 （ &） 进行计算， 只是管外水的流速与蒸发器不同。通过 过冷器的水流速大小与过冷器的过冷量大小有关， 一般过冷器的过冷量大小取为蒸发器制冷量的 % 3 亦即过冷量 G4 $ 0， % % 过冷器 G $ ; ( $ & * 0017， 0 6 0 水侧进出口温差 ! !"4 取为 +, ， 则通过过冷器的水 流量由下式计算： G4 & * 00 （ 14 3 H） $ $ 6 * %%% ・ >." ! / * %)0 ; + ! "4 由于管式过冷器与管式蒸发器结构相同， 则管 >"4 $ 外水流速由下式得到： G"4 6 * %%% （# 3 =） $ $ 6 * 660:0 ・ 8" ?4 ))) * (+ ; 6 * 606: 管式过冷器内水的热物性参数与管式蒸发器相 "4 $ 同， 将上述已知参数代入公式 （ &） ， 同样可得到管式 即： 过冷器水侧的对流换热系数$ 64 ， 6 * && ; 6 * +() 6 * 660:0 ; 6 * 6% 6 * : ） ; )* ;（ <0 %6 ; %6 % * 00& ; %6 < : ・ 1） ::% 3 0 $ %)+ * :% （7 3 #& 管式过冷器的传热系数由下式计算： $ 64 $ % （7 3 #& ・ （+） 5） % % % ’ ’ ! $ $ 64 FB 已知铜管的壁厚%$ 6 * + ; %6 < 0 、 铜管的导热系 数!$ 0A/7 3 # ・ 并将$ 则得： 5， $ B4 、 64 值代入上式， 54 $ % % 6 * + ; %6 < 0 % ’ ’ %)+ * :% 0A/ %6: * &) （7 3 #& ・ 5） $ :A * A( （0） 板式过冷器传热系数或传热单元数计算 54 $ 设计选型时， 选取板式过冷器结构与板式蒸发 器相同， 管式过冷器结构与管式蒸发器也相同， 则根 据类比关系， 板式过冷器与板式蒸发器传热系数比 值应等于管式过冷器与管式蒸发器传热系数比值， 即： 54I 54 :A * A( $ $ $ 6 * 0)/ 56I 56 %(/ * (& （:）
建筑热能通风空调
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・ 实验研究 ・
大过冷度逆流式过冷器换热特性研究 !
方贵银" 徐锡斌
（南京大学）
［摘要］ 阐述了大过冷度制冷— — —高温水蓄冷空调系统原理， 对该系统中的关键设备过冷器进 行了选型和计算。在液— — —液换热型板式换热器传热特性无资料的情况下， 根据板式蒸发器的传热 特性和管式液— — —液热交热换热器与管式蒸发器的传热系数的比值来估算板式过冷器的传热系数或 传热单元数。实验证明， 这种设计方法是成功的 ［关键词］ 大过度制冷 高温水蓄冷 过冷器 换热特性