尹應德, 孫晉飛, 朱冬生, 劉 峰, 王 洪

(1. 中國科學院廣州能源研究所; 2. 中科院可再生能源重點實驗室;

3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)和應用重點實驗室, 廣東 廣州 510640;

4.TCL空調器(中山)有限公司, 廣東 中山 528427)

風冷熱泵用新型干式蒸發(fā)器的實驗研究

尹應德1,2,3, 孫晉飛1,2,3, 朱冬生1,2,3, 劉 峰4, 王 洪4

(1. 中國科學院廣州能源研究所; 2. 中科院可再生能源重點實驗室;

3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)和應用重點實驗室, 廣東 廣州 510640;

4.TCL空調器(中山)有限公司, 廣東 中山 528427)

針對傳統(tǒng)折流板管殼干式蒸發(fā)器存在換熱性能不佳和阻力大的問題，基于非對稱空間傳熱理念，提出一種新型順紊流自支撐型干式蒸發(fā)器，并將其裝配在風冷熱泵上進行實驗測試研究。測試結果表明：風冷熱泵的制冷量為52.33 kW，制冷性能系數(shù)為2.47，制熱量為63.32 kW，制熱性能系數(shù)為3.0。實驗對比配置傳統(tǒng)折流板管殼干式蒸發(fā)器的同型號風冷熱泵，其干式蒸發(fā)器的換熱面積減少33.3%，制冷性能系數(shù)提高6.0%，制熱性能系數(shù)提高15.8%，制冷劑充注量減少7.1%。

風冷熱泵；干式蒸發(fā)器；順紊流；非對稱空間傳熱；節(jié)能

1 前 言

蒸發(fā)器是制冷/熱泵裝置中的重要換熱設備，廣汽應用于石油、化工、制冷等行業(yè)。目前，常用的蒸發(fā)器主要有干式和滿液式兩種，降膜式蒸發(fā)器盡管具有一定的技術優(yōu)勢，但其產(chǎn)品相對不成熟，仍處于研發(fā)階段[1,2]。通常，滿液式蒸發(fā)器用于大型冷水機組，主要缺點是回油困難、制冷劑充注量大。干式蒸發(fā)器用于中、小型冷水機組，其主要優(yōu)點是調節(jié)性能好、回油容易、制冷劑量小，主要缺點是換熱性能較差、流阻大。由于需在制冷和制熱兩種工況下運行，只有干式蒸發(fā)器適合于熱泵機組中使用[3]。從理論上講，干式蒸發(fā)器的傳熱性能比滿液式蒸發(fā)器好[4]，但是，在實際應用中，傳統(tǒng)干式蒸發(fā)器的制冷效果比滿液式蒸發(fā)器差[5]，這說明干式蒸發(fā)器的傳熱潛力在實際應用中沒有發(fā)揮出來。

傳統(tǒng)干式蒸發(fā)器主要為折流板管殼式換熱器，針對弓形折流板換熱器管外流動的諸多弊端，近年來，幾種螺旋折流板的新結構被提出，如連續(xù)螺旋折流板[6]、結合螺旋折流板[7]、結合多殼程螺旋折流板[8]、三分螺旋折流板[9]等等。實驗和數(shù)值研究證實，非連續(xù)螺旋折流板的綜合換熱性能和污染特性優(yōu)于傳統(tǒng)的弓形折流板[10~15]。另外一種常見的管殼式換熱器是折流桿式換熱器[16,17]，與折流板換熱器相比，其殼程的傳熱強化主要是對支撐結構進行改進，以改變流體的流動形態(tài)，從而使換熱得到強化和減少阻力損失。但是，上述干式蒸發(fā)器仍然存在換熱性能不佳、流阻大的缺點。自支撐型換熱器主要是利用各種相鄰螺旋管的凸點接觸進行支撐，較之傳統(tǒng)的折流板換熱器，省去了折流板，從而使得殼程與管程之間的流體可以實現(xiàn)逆流流動換熱，且降低了殼程的流動阻力。近年來，一些學者對自支撐型換熱器進行了相關研究，譚祥輝等[18]對螺旋扁管換熱器殼程傳熱與壓降性能進行了實驗研究，通過與折流桿、折流板換熱器分別進行比較發(fā)現(xiàn)，螺旋扁管換熱器具有傳熱效果好、壓降低的特點。朱冬生等[19~21]等對內螺紋扭曲橢圓管復合強化傳熱器傳熱和壓降性能進行了測試，并擬合得到對流傳熱系數(shù)和流動摩擦阻力系數(shù)與管內流體雷諾數(shù)的計算準則關系式。對滿液式蒸發(fā)器中螺旋扁管池沸騰傳熱進行了實驗研究，并將螺旋扁管滿液式蒸發(fā)器應用于螺桿式冷水機組，測試結果表明：總傳熱系數(shù)提高了15% 左右。對扭曲橢圓管換熱器進行了數(shù)值模擬，模擬結果表明，扭曲橢圓管換熱器的傳熱和壓降性能都隨著扭曲管長短軸比B/A的增大而增大，隨著扭矩P的減小而增大。盡管研究人員對自支撐螺旋管進行了大量的研究，并得出了自支撐螺旋管換熱器具有更高的傳熱效率和更低的管外流阻的優(yōu)越性能，但是，大部分是在對單管或多根管的基礎上進行研究得出的結論。對于自支撐型螺旋管應用于干式蒸發(fā)器，并進行實際應用的研究很少見。本文將在干式蒸發(fā)器管外流體的傳熱及管內制冷劑相變傳熱機理的理論基礎上，采用非對稱空間傳熱理念，研發(fā)一種高效傳熱和節(jié)能的新型順紊流自支撐型干式蒸發(fā)器，并對比傳統(tǒng)折流板干式換熱器，將其應用于風冷熱泵進行實驗研究。

圖1 新型干式蒸發(fā)器示意圖Fig.1Structure of the novel dry-expansion evaporator

2 實驗裝置與測試

2.1 新型干式蒸發(fā)器換熱原理及主要結構尺寸

如圖1所示，新型順紊流自支撐型干式蒸發(fā)器采用螺旋換熱管，通過相鄰螺旋換熱管的凸點實現(xiàn)螺旋管束管與管之間的自支撐，并在管束外用綁帶捆扎，加固管束，不需要使用折流板。由于去掉折流板，使得管程和殼程的流體沿管壁可在同一水平或垂直方向上流動，從而可實現(xiàn)逆流對流換熱，使其達到最大傳熱溫差的效果。

制冷劑在換熱管內流動存在相變換熱，由此導致制冷劑的體積發(fā)生急劇變化，氣、液制冷劑的對流傳熱系數(shù)相差很遠，若采用上下對稱傳熱設計理念，勢必導致傳熱效果不佳。新型順紊流自支撐型干式蒸發(fā)器通過上下管程非對稱傳熱實現(xiàn)管內制冷劑蒸發(fā)由液態(tài)低體積流量向氣態(tài)高體積流量過渡，盡量發(fā)掘制冷劑管內高效傳熱的潛力；上下管程換熱管不等傳熱面積，但上下殼程流體空間相等，保證載冷劑的流速相同，使干式蒸發(fā)器的各局部對流換熱系數(shù)大大提升。此外，流體在螺旋管管程和殼程流動，由于壓力和離心力的共同作用，可加強管內外流體擾動，減少流體邊界層厚度，從而減少流體熱阻，提高流體傳熱性能。新型順紊流自支撐型干式蒸發(fā)器主要基于以上換熱原理來達到強化傳熱的效果，其主要結構尺寸參數(shù)如表1所示。2.2 實驗裝置

表1 新型干式蒸發(fā)器主要參數(shù)Table 1 Main parameters of the novel dry-expansion evaporator

為了測試新型順紊流自支撐型干式蒸發(fā)器對風冷熱泵性能的影響，并與傳統(tǒng)折流板管殼干式蒸發(fā)器進行對比，本文將兩種干式蒸發(fā)器分別安裝在型號為LSRFM65的模塊式風冷熱泵上，并利用合作企業(yè)的焓差實驗室進行相關的性能測試。

圖2為風冷熱泵實驗測試示意圖，模塊式風冷熱泵由兩個模塊組成，其中，壓縮機1采用渦旋壓縮機，型號為C-SC903H8H；冷凝器2為風冷冷凝器，換熱器為兩排φ9.52鈦金親水膜翅片，40根U型管，片距1.5 mm，迎風面尺寸：1840 mm×1016 mm，冷凝風機3的電機型號為YLS-1100W-6P；四通閥4 型號為STF-11，氣液分離器5型號為ZYG-41，節(jié)流裝置6為熱力膨脹閥TGEX11；蒸發(fā)器7為干式蒸發(fā)器，制冷劑為R22，循環(huán)水泵8選型為IS-65-50-160(J)，循環(huán)水箱9的有效容積為2.5 m3。整個實驗裝置是在合作企業(yè)的協(xié)助下搭建起來的，模塊式風冷熱泵安裝于焓差實驗室的室外側控制室內，風冷熱泵冷凍水/熱水由水側部分的系統(tǒng)來控制，以滿足實驗測試要求。 圖中箭頭方向示意為制冷循環(huán)，通過四通閥，可實現(xiàn)制冷/制熱工況的轉換。

圖2 帶干式蒸發(fā)器的風冷熱泵測試示意圖Fig.2 Schematic diagram of air-cooled heat pump with a dry-expansion evaporator 1. compressor 2. heat exchanger outdoor 3. cooled fan 4. four-way valve 5. gas-liquid separator 6. thermal expansion valve 7. dry-expansion evaporator 8. water pump 9. water tank

實驗主要測試帶新型順紊流自支撐性干式蒸發(fā)器的風冷熱泵的主要性能參數(shù),包括制冷量、制熱量、耗電量、性能系數(shù)等。同時，也對比測試新型干式蒸發(fā)器和傳統(tǒng)折流板干式蒸發(fā)器對風冷熱泵機組各主要參數(shù)及性能的影響，從而實驗驗證新型干式蒸發(fā)器的優(yōu)點。某型號傳統(tǒng)折流板干式蒸發(fā)器的主要參數(shù)如表2所示。

表2 傳統(tǒng)折流板干式蒸發(fā)器的主要參數(shù)Table 2 Main parameters of the conventional baffle dry-expansion evaporator

實驗測試數(shù)據(jù)運用計算機和自動采集系統(tǒng)進行采集和實時監(jiān)控。實驗中使用的測試儀器主要參數(shù)如表3所示。

表3 主要測試儀器Table 3 Apparatuses for different measurements

2.3 實驗數(shù)據(jù)處理

2.3.1 制冷/制熱量的計算

風冷熱泵在制冷和制熱工況時，其制冷/制熱量的測試采用液體載冷劑法，制冷量(eQ)等于蒸發(fā)器的換熱量，根據(jù)冷凍水的流量和溫差計算，其計算公式為：

式中，em為冷凍水質量流量，kg·m-3；ep,c為冷凍水比熱，kJ·kg-1·℃-1；eV為冷凍水體積流量，m3·s-1；1,et為冷凍水進口溫度，℃；2,et為冷凍水出口溫度，℃。

風冷熱泵的制熱量(cQ)等于冷凝器的換熱量，可根據(jù)制熱水的流量和溫差來計算，其計算公式為：

式中，cm為熱水質量流量，kg·m-3；cp,c為熱水比熱，kJ·kg-1·℃-1；cV為熱水體積流量，m3·s-1；1,ct為熱水進口溫度，℃；2,ct為熱水出口溫度，℃。

2.3.2 風冷熱泵性能系數(shù)的計算

風冷熱泵采用電力作為動力，耗電設備有壓縮機和冷凝風機，則其性能系數(shù)(COP)定義為：

式中，cP為壓縮機功率，kW；fP為風機功率，kW；均由實測得到。式(3)、(4)分別表示制冷和制熱性能系數(shù)。

實驗是在盡量保證兩種換熱器同等換熱能力條件下，驗證新型干式蒸發(fā)器的傳熱性能優(yōu)勢，即驗證新型干式蒸發(fā)器換熱面積的省量。根據(jù)所選的實驗測試設備精度及二次方公式的分析可以得到，本測試系統(tǒng)制冷量的測試誤差為5.96%，對應的制冷性能系數(shù)的測試誤差為7.96%；制熱量的測試誤差為5.22%，對應的制熱性能系數(shù)的測試誤差為7.22%，基本滿足工程實際應用的需要。

3 實驗結果與分析

模塊式風冷熱泵的制冷和制熱測試工況通過焓差實驗室來調節(jié)和控制。制冷時，室外側測試得到的干球溫度為34.99℃，濕球溫度為23.99℃；制熱時，室外側測試得到的干球溫度為7.06℃，濕球溫度為5.98℃。

3.1 制冷工況測試結果

實驗測得新型干式蒸發(fā)器的冷凍水進、出口溫度和溫差如圖3所示。在測試期間，新型干式蒸發(fā)器冷凍水進、出口水溫相對穩(wěn)定，其進水溫度平均值為11.12℃，出水溫度平均值為7.09℃，平均溫差為4.03℃。

圖3 冷凍水進出口水溫及溫差關系圖Fig.3 Relationship between the inlet/outlet water temperatures of cooled water and temperature difference

圖4 風冷熱泵制冷量、耗電量及性能系數(shù)關系圖Fig.4 Relationship between cooling capacity and power consumption of the air-cooled heat pump andCOP

制冷工況時，風冷熱泵的制冷量、壓縮機和風機功耗以及制冷性能系數(shù)(COP)如圖4所示。在測試期間，風冷熱泵的平均制冷量為52.33 kW，壓縮機和風機平均總功耗為21.21 kW，制冷工況下的平均COP值為2.47。

3.2 制熱工況測試結果

實驗測得新型干式蒸發(fā)器熱水進、出口溫度和溫差如圖5所示。在測試期間，新型干式蒸發(fā)器熱水進出口水溫相對穩(wěn)定，其進水溫度平均值為40.24℃，出水溫度平均值為44.99℃，平均溫差為4.75℃。

制熱工況時，風冷熱泵的制熱量、壓縮機和風機功耗以及性能系數(shù)(COP)如圖6所示。在測試期間，風冷熱泵的平均制熱量為63.32 kW，壓縮機和風機平均總功耗為21.09 kW，制冷工況下的平均COP值為3.0。

3.3 比較分析

圖5 熱水進出口水溫及溫差關系圖Fig.5 Relationship between the inlet/outlet water temperatures of heating water and temperature difference

圖6 風冷熱泵制熱量、耗電量及性能系數(shù)關系圖Fig.6 Relationship between heating capacity and power consumption of the air-cooled heat pump andCOP

為了對比分析新型干式蒸發(fā)器和傳統(tǒng)折流板干式蒸發(fā)器對風冷熱泵性能的影響，將這兩種干式蒸發(fā)器裝配在同一型號(LSRFM65)模塊式風冷熱泵實驗臺上進行測試，其結果如表4所示。

由表4的測試數(shù)據(jù)可知，在相同的制冷工況測試條件下，裝配新型干式蒸發(fā)器的模塊式風冷熱泵的制冷量為52.33 kW，消耗的電功率為21.21 kW；裝配傳統(tǒng)折流板干式蒸發(fā)器的模塊式風冷熱泵的制冷量為49.99 kW，消耗的電功率為21.42 kW；前者的制冷量比后者高4.7%，消耗的電功率比后者低1.0%，計算可得前者的制冷性能系數(shù)為2.47，后者的制冷性能系數(shù)為2.33，前者比后者提高了6.0%。在相同的制熱工況測試條件下，裝配新型干式蒸發(fā)器的模塊式風冷熱泵的制熱量為63.32 kW，消耗的電功率為21.09 kW；而裝配傳統(tǒng)折流板干式蒸發(fā)器的模塊式風冷熱泵的制熱量為55.38 kW，消耗的電功率為21.35 kW；前者的制熱量比后者高14.3%，消耗的電功率比后者低1.2%，計算可得前者的制熱性能系數(shù)為3.0，后者的制熱性能系數(shù)為2.59，前者比后者提高了15.8%。

表4 風冷熱泵主要性能參數(shù)對比Table 4 Comparison of main performance parameters of air-cooled heat pumps

新型干式蒸發(fā)器的性能優(yōu)于傳統(tǒng)折流板干式蒸發(fā)器，其主要原因有：1) 新型干式蒸發(fā)器采用了純逆流的對流傳熱方式，在相同的傳熱溫差條件下，較之傳統(tǒng)折流板干式蒸發(fā)器的汊流對流傳熱方式，其傳熱效率高。2) 新型干式蒸發(fā)器針對制冷劑在蒸發(fā)器內存在氣液相變傳熱的特點，根據(jù)制冷劑在氣態(tài)和液態(tài)條件下，所要求的傳熱空間不同的特征，采用非對稱傳熱設計理論，滿足制冷劑在氣態(tài)和液態(tài)時所需的傳熱空間比例要求，保證氣態(tài)和液態(tài)制冷劑的最佳流速，從而提高換熱管內制冷劑的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。3) 新型干式蒸發(fā)器采用螺旋強化傳熱管，在壓力和離心力的共同作用下，對換熱管內外流體產(chǎn)生擾動作用，有利于減少管內外流體的流動邊界層厚度，降低流體熱阻，提高管內外流體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。由測試數(shù)據(jù)可得，新型干式蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)比傳統(tǒng)折流板干式蒸發(fā)器高很多，即使在前者的換熱面積比后者減少33.3% 的情況下，前者的換熱效果仍比后者好，因此，對應的模塊式風冷熱泵的性能前者也比后者好。同時，由于前者的換熱面積減少，其體積也相應較少，更加緊湊，從而，使得前者的制冷劑充注量比后者也減少。

4 結 論

針對傳統(tǒng)折流板干式蒸發(fā)器存在換熱性能不佳、流阻大的缺點，研發(fā)一種新型順紊流自支撐型干式換熱器，裝配在風冷熱泵上，搭建實驗臺，對其性能進行測試。并對比測試帶傳統(tǒng)折流板干式蒸發(fā)器的風冷熱泵，得出的結論如下：

(1) 測試得到配置新型干式換熱器的模塊風冷熱泵的制冷量為52.33 kW，制冷性能系數(shù)為2.47，制熱量為63.32 kW，制熱性能系數(shù)為3.0。

(2) 實驗對比測試配置傳統(tǒng)折流板干式蒸發(fā)器的同一型號模塊式風冷熱泵，新型干式蒸發(fā)器的換熱面積減少33.3%，模塊式風冷熱泵的制冷性能系數(shù)提高6.0%，制熱性能系數(shù)提高15.8%，制冷劑充注量減少7.1%。

(3) 由實驗測試結果可知，本文研制的新型順紊流自支撐型干式蒸發(fā)器對比某型號傳統(tǒng)折流板干式蒸發(fā)器，具有傳熱效果好，換熱面積減少，節(jié)省了換熱銅管，體積更緊湊的優(yōu)點。裝配在同一型號的模塊式風冷熱泵上，在相同的測試條件下，帶新型干式蒸發(fā)器的模塊式風冷熱泵比帶傳統(tǒng)折流板干式蒸發(fā)器的模塊式風冷熱泵具有更高制冷和制熱性能系數(shù)，有利于降低運行成本，具有節(jié)能的優(yōu)點，同時，前者的制冷劑充注量較之后者也有所減少，有利于降低生產(chǎn)成本和減少對大氣的污染。因此，新型順紊流自支撐型干式蒸發(fā)器較之傳統(tǒng)折流板干式換熱器，具有節(jié)材、節(jié)能和環(huán)保的優(yōu)勢。

符號說明：

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Experimental Investigation on a Novel Dry-Expansion Evaporator in an Air-Cooled Heat Pump

YIN Ying-de1,2,3, SUN Jing-fei1,2,3, ZHU Dong-sheng1,2,3, LIU Feng4, WANG Hong4
(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences; 2.Key Laboratory of Renewable Energy, Chinese Academy of Sciences; 3. Guangdong Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development; Guangzhou 510640, China 4. TCL Air Conditioner (Zhongshan) Co. Ltd., Zhongshan 528427, China)

A novel turbulent flow self-supported dry-expansion evaporator based on unsymmetrical space heat transfer concept was presented in order to overcome poor heat transfer performance and high resistance problems of conventional baffle shell-and-tube dry-expansion evaporators. The new evaporator was installed and evaluated on an air-cooled heat pump. The results show that the cooling capacity of the air-cooled heat pump is 52.33 kW, and the cooling coefficient of performance (COP) is 2.47. Moreover, the heating capacity is 63.32 kW and heating COP is 3.0. Comparative experiments with the same type of air-cooled heat pump were tested using a conventional baffle shell-and-tube dry-expansion evaporator. The heat transfer area of the novel evaporator is reduced by 33.3%, and the cooling COP is increased by 6.0%. Moreover, the heating COP is increased by 15.8% and the amount of refrigerant charge is reduced by 7.1%.

air-cooled heat pump; dry-expansion evaporator; turbulent flow; unsymmetrical space heat transfer; energy conservation

TB657.5

ADOI：10.3969/j.issn.1003-9015.2016.06.004

1003-9015(2016)06-1257-07

2016-04-06；

：2016-06-06。

廣東美的制冷設備有限公司院市合作項目(科技創(chuàng)新項目)(2014HK100283)；中國南方智谷引進創(chuàng)新團隊(順府辦函[2014]365號)。

尹應德(1978-)，男，湖南婁底人，中國科學院廣州能源研究所工程師，博士。

：朱冬生，E-mail：zhuds@ms.giec.ac.cn