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制冷装置用喷淋式蒸发器的运用和效益分析
——广州联合冷热设备有限公司 罗跃斌
2017-10-10 12:59:46  作者:  来源:中国设计师网  
  •   本文介绍了制冷装置用喷淋式蒸发器的运用和效益分析。喷淋式蒸发器开发的目的正是依照国家的政策,减少制冷剂的使用量,减少温室气体的排放,同时减少电耗。
  1 引言

  近年来,随着经济社会的快速发展,我国迅速成为世界能源消费大国,能源生产量和消费量逐年上升,给我国的能源安全和环境容量带来了巨大压力,对我国经济社会的可持续发展提出了重大挑战。根据《蒙特利尔议定书》的规定,R22被限定于2020年淘汰。由于全球变暖现象,各国都在致力于减少冷媒的使用量;而且目前能源价格暴涨,中央空调机组的能耗问题也日益受到更广泛的重视。

  蒸发器是中央空调机组的重要部件,它的换热效率直接影响机组的整体能效比,目前的高效蒸发器有干式和满液式两种。干式蒸发器的换热效率较低,在冻水回水12℃,出水7℃的条件下,蒸发温度仅为2℃。满液式蒸发器在冻水回水12℃,出水7℃的条件下,蒸发温度可达5℃,但冷媒的用量太大,约1.5kg/RT~1.8kg/RT。而喷淋式蒸发器冷媒充注量比满液式少,约1.0kg/RT,而且换热效率高,更利于机组的回油。喷淋式蒸发器是利用冷媒分布装置,使壳程中的冷媒均匀的分布在换热管外形成薄膜,冷媒吸收换热管内载冷剂的热量而蒸发,载冷剂(冷冻水)因失去热量而被冷却的一种制冷装置用换热器。冷媒走壳程,载冷剂走管程,这种装置节约制冷剂用量和换热管用量,使得生产成本和换热效率有较大提高。广州联合在2011年按上述方法设计了一台喷淋式蒸发器用于冷水机组,测试结果据理论计算及样机实验结果,按此原理设计的喷淋式蒸发器的换热系数达8000W/m2•℃。相比满液式蒸发器(换热系数为是7000W/m2•℃),换热能力提高达10%以上。而且冷媒充注使用量比也会相应降低,相比满液式蒸发器预计降低35%。

  2 喷淋式蒸发器工作原理

  喷淋式蒸发器的工作原理是利用冷媒分布装置,将液态冷媒均匀的喷洒在换热管上,液态冷媒在重力的作用下向下流动,并形成一层液膜包裹在换热管外,液态冷媒在向下流动过程中,不断吸收换热管内载冷剂的热量而蒸发,直至被蒸干或落到蒸发器底部,换热管内的载冷剂由于失去热量而被冷却。

  喷淋式蒸发器理想的状态应该是在换热管外形成一层均匀的液膜,由于液膜的传热边界层很小,喷淋式蒸发器可以获得很大的管外膜传热系数,从而提高蒸发器总的换热系数。

  喷淋式蒸发器的设计重点,主要是在布液器的分液均匀程度。

  布液器 (分液管和分液盘如图1、图2所示):

  喷淋式蒸发器  满液式蒸发器

  图1 分液管

  喷淋式蒸发器  满液式蒸发器

  图2 分液盘

  分液管与分液盘需要配合起来:

  (1)实现分液管出来的冷媒气液混合物在实现汽液分离,在分液盘上形成液态冷媒液面;

  (2)分液盘完成均匀分液。

  分液如图3:

  喷淋式蒸发器  满液式蒸发器

  图3 喷淋式蒸发器工作原理图

  3 经济效益分析

  干式蒸发器的换热效率较低,在冻水回水12℃,出水7℃的条件下,蒸发温度仅为2℃。满液式蒸发器在冻水回水12℃,出水7℃的条件下,蒸发温度可达5℃,但冷媒的用量太大(约1.5kg/RT~1.8kg/RT)。而喷淋式蒸发器冷媒充注量比满液式少(约1.0kg/RT),换热效率高,而且更利于机组的回油。它是利用冷媒分布装置,使冷媒均匀的分布在换热管外形成薄膜,冷媒吸收换热管内载冷剂的热量而蒸发,载冷剂(冷冻水)因失去热量而被冷却的一种制冷装置。冷媒走壳程式,载冷剂走管程,这种装置节约制冷剂用量和换热管用量,使得生产成本和换热效率有较大提高。节省了制冷剂。以广州恒星40STD-P800WHS3喷淋式蒸发器冷水机样机为例,实测参数如表1所示。

喷淋式蒸发器  满液式蒸发器

  对比满液式蒸发器冷水机组40STF800WHS3实测参数:喷淋式蒸发器冷水机样机40STD-P800WHS3制冷量为772.9kW,额定输入功率147.5kW,能效比COP5.24,制冷剂的充装量仅为220kg,制冷剂以20元/kg, 价值约4400元;而满液机组40STF800WHS3制冷剂的充装量仅为330kg,制冷剂以20元/kg, 价值约6600元;制冷剂节省2200元。

  喷淋式蒸发器冷水机样机40STD-P800WHS3实测输入功率132.9kW,满液式蒸发器冷水机组40STF800WHS3实测输入功率155kW,喷淋式蒸发器冷水机样机比满液式蒸发器冷水机组1小时节省155kW-132.9kW=22.1kW,即22度电,工业电价按2元/度,节省电费44元/小时。

  4 社会效益分析

  为了保护臭氧层,逐步淘汰消耗臭氧层物质,国际社会分别于1985年和1987年签署了《保护臭氧层维也纳公约》(以下简称《公约》)和《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》(以下简称《议定书》)。我国分别于1989年和1991年加入了《公约》和《议定书》。二十年来,我国认真履行《公约》和《议定书》规定的义务,淘汰消耗臭氧层物质工作成效显著。根据《议定书》的要求,我国将在2030年前完成所有消耗臭氧层物质的淘汰任务。

  目前,我国正处于经济社会转型时期,通过立法减少并逐步淘汰消耗臭氧层物质的大量使用具有重要的意义:

  一是有利于更好地履行国际义务。在《议定书》多边基金提供的技术支持和资金援助下,我国消耗臭氧层物质淘汰工作进展顺利。但是,我国生产和使用消耗臭氧层物质的总量仍然很大,要巩固现有淘汰成果并完成《议定书》规定的下一步淘汰目标,任务依然艰巨。为此,需要总结管理经验,完善管理制度,规范生产、销售、使用和进出口等行为,把淘汰工作纳入法制化轨道,以更好地履行国际义务,树立负责任大国的形象。

  二是有利于调整、优化产业结构。发达国家率先淘汰消耗臭氧层物质后,纷纷禁止进口含消耗臭氧层物质的产品。我国相关行业要想占领国际市场,就必须进行替代改造。从淘汰消耗臭氧层物质的实践情况看,这一过程有力地促进了我国相关产业结构的调整、优化,提高了产品的国际竞争力。

  三是有利于节约能源和减少温室气体排放。据中国家电协会统计,替代改造前,我国用CFC(俗称氟利昂)作制冷剂的冰箱的能耗等级普遍为四级、五级;替代改造后,能耗等级普遍降为一级、二级,节能水平提高30%以上。此外,消耗臭氧层物质大都是重要的温室气体,淘汰消耗臭氧层物质也就大大减少了温室气体的排放。

  5 结束语

  喷淋式蒸发器开发的目的正是依照国家的政策,减少制冷剂的使用量,减少温室气体的排放,同时减少电耗。与满液式蒸发器相比有一定的优势,所以市场前景很好。

  参考文献

  [1]许莉,王世昌,王宇新,等.水平管外壁液膜流动状态及其对传热的影响.化工学报,2002,53(60)555-559.

  [2]刘广彬,李连生,阮并璐,赵远扬,束鹏程,等.水平管降膜蒸发器的研究进展.制冷与空调,2008.

  [3]王占军,李泽汇,盘爱享,周洁,钟运猷,等.水平管喷淋式蒸发器的研制及其工业化应用.化工科技市场,2004.

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