技术探讨：制冷设备中液泵增效是否可行？（冷凝的真相）

       本期，我们将来探讨下，制冷设备液泵增效是否可行？

  

看透事物的本质是逆向思维的前提。首先放一个单级压缩制冷循环图，如图 1 所示：

如图 1 ，压缩机排出的气体属于过热气体 ( 点 3) 。一般来说，从冷凝器出来的液体是过冷液体 ( 点 6) 。以上从点 3 到点 6 的过程一般都在一个我们称之为冷凝器的部件中完成。换言之，冷凝器的功能（图 1 中红色粗线所示的长度）一般都包括三个换热过程：去过热过程（ 3 → 4 ）、相变冷凝过程（ 4 → 5 ）和降温过冷过程（ 5 → 6 ），其中的相变冷凝过程是必需的。

所以，冷凝器的总换热面积包括了实现去过热、冷凝和获得过冷度所需要的三部分面积，即冷凝器总换热面积 = 去过热区面积 + 冷凝区面积 + 过冷区面积。如图 2 所示。

需要说明的是，上图所示的冷凝器，过冷区是单独布管的（也有串联一个单独过冷器的做法），但去过热区和冷凝区是混合在一起布管且使用了一样的冷凝管管型，这是目前业内常见的做法。

应当注意到，设计实践已证明，冷凝区的膜状冷凝会自然让液膜被过冷到 (T _sat –T _s ) 的约 1/3~1/2 。按照常用的风冷冷凝器和水冷冷凝器进行估算，对于风冷冷凝器 (T _sat –T _s )=(50-(35+43)/2)=11 ℃ , 自然过冷度将为 3.7~5.5 ℃ 之间（中值 4.6 ℃ ）。对于水冷冷凝器 (T _sat –T _s )=(38-(30+35)/2)=5.5 ℃ , 自然过冷度将为 1.8~2.8 ℃ 之间（中值 2.3 ℃ ）。水冷冷凝器刚好是风冷冷凝器的一半。

自然过冷度的启示：

1. 对于无需泵送的液体，可能没有必要设置集成过冷区就可以满足液体管路的阻力消耗。

2. 自然过冷度可能可以作为机组最小充灌量的判别准则。

下面以 R134A/ 单回路降膜 /CSR1030 压缩机 / 壳管式冷凝器的选型计算（机组型号为 EWRS0200 ）为例，对比不同工况下的过热区和过冷区热量比率、换热面积比率、传热系数比率，从而定量地进一步揭示制冷剂冷凝的真相。

表 1 笔者通过自编的选型程序列出了 EWRS0200 在单冷、普通热泵、干热岩热泵和高温热泵四种工况下的过热气体热量、过冷液体换热量等参数的变化 . 选型条件为：固定冷冻水出水温度为 7 ℃ 、配置 159 根过热和冷凝管（长度 3 米 / 管外径 19/ 内外冷凝强化管）和 23 根过冷管（使用与冷凝管一样的 TP2 铜管）。

从表 1 可以发现：

A． 从单冷工况到高温热泵工况，尽管 COP 下降导致电机功率增大，但由于制冷量下降更多，所以冷凝器换热量是减小的。

B． 尽管冷凝器换热量下降，但由于排气过热度上升，所以过热气体的热量上升，过热气体热量占比的升幅更大。

C． 随着冷凝温度的升高，尽管过冷液体换热量下降了（过冷热量的占比仍然是上升的），但在过冷管数固定为 23 根的情况下过冷度仍然下降了。这是为什么？我知道原因，但与本报告无关。

D． 从单冷工况到高温热泵工况，过热加过冷的热负荷占冷凝器总热负荷的比例是上升的，这预示着这两部分所占有的换热面积与总换热面积的比值越来越大，见表 2 的分析（人为固定了过冷管数）。

如前文，去过热区和冷凝区是混合布管的。上述 B 点发现揭示了从单冷工况到高温热泵工况过热区的热量是上升的，因此过热区所需要的换热面积会变多，那么冷凝区的换热面积会相应减少。

表 2 定量模拟了过热区的总传热系数、所需要的换热管根数（管型为冷凝管）等参数。

从表 2 可以看出，由于过热区的制冷剂侧为显热换热，其总传热系数在各工况下只有冷凝区总传热系数的约 16% ，使得承担去过热的换热管数的占比，明显比过热热负荷的占比大。

从单冷到高温热泵工况，过热区换热面积不断侵占冷凝区换热面积。其后果是，实际的冷凝区换热面积加速变小，将相对地使得冷凝温度、排气温度变高，最终相对地会增加压缩机的耗功。

有人会问，既然过热区的换热效率低，为什么在冷凝器的过热区不使用高翅管而同样使用低翅强化冷凝管，这不是浪费吗？

好问题！观察表 1 冷凝器进水温度变化，温度从 30 升高到 60 ℃ （升高 2 倍），但过热量的占比升高约 2.5 倍，过热量的占比升幅更大，表 2 已经表明去过热所需的换热面积会更大。如果在冷凝区和过热区使用不同的管型，将使冷凝器适应工况变动的能力非常差，这是不可取的。所以过热区和冷凝区使用相同的低翅强化冷凝管是一个明智的设计做法。如果进入冷凝器的是饱和气体，岂不是两全其美？

表 3 模拟了过冷传热系数和过冷管数比例。可以发现，当冷凝器进水温度上升时，过冷区总的传热系数是下降的。同样，由于过冷区的总传热系数只有冷凝区的约 24% ，所需的过冷换热面积的占比比过冷热负荷的占比同样也会大得多。

表 4 将过热区和过冷区的热量占比和管数占比加在一起进行了列示和比较。可以发现，这两个传热效率很低的区域，相对总冷凝器换热面积的比例为 31.6~42.2% ，如果换算成与纯冷凝区的面积相比的占比，侵占的纯冷凝区面积是惊人的。

表 5 对比了 去过热区、冷凝区和过冷区的换热铜管成本（铜价（材料和加工费）按 65 元 / 公斤）和单位成本（各区铜管成本除以各区换热量）。从表 5 可以看出，在冷凝器中布置去过热区和过冷区是昂贵的，其中过冷区的成本是最昂贵的。

如此，我们很容易发现冷凝器中制冷剂冷凝的真相：

A．名称为冷凝器的部件是按必需的冷凝换热过程来命名的，该部件中实际上一般还包括去过热过程和降温过冷过程。应该让冷凝器回归其冷凝本位功能。

B．去过热区面积、冷凝区面积和过冷区面积分别取决于过热显热量、冷凝相变热量和过冷显热量，也取决于三个区域各自的换热效率（我们称之为传热系数）。

C． 如果 冷凝器总换热面积一定，当去过热区面积和 / 或过冷区面积所占比例越大时，则剩下的冷凝面积份额会越小，反之则冷凝面积份额越大。

D． 换言之，因为有效的冷凝面积是必需的，如果冷凝器中要包含去过热和过冷功能，则冷凝器总换热面积一定要增大，否则会造成冷凝压力增大。

E． 冷凝器总换热面积一定时，如果我们改善去过热区和过冷区的换热效率，则有效冷凝面积会相对变大。

F． 前述模拟计算表明，过热区和过冷区的换热效率是很低的，所占有的换热面积也相当大。

技术经验也表明，改善去过热区和过冷区的换热效率的技术措施是相当有限的。那么，我们是否可以想办法将去过热过程和过冷过程这两个功能干脆从冷凝器中分离出来呢？这是本文的主题。

前述模拟计算表明，如果将去过热区和过冷区从冷凝器部件中分离出来，技术上可以大幅度提高冷凝器效率或降低冷凝器成本。但在经济上可行吗？