液流分析在空調系統(tǒng)中的應用

液流分析在空調系統(tǒng)中的應用

1動態(tài)模擬系統(tǒng)的建立如果僅通過實驗手段研究設備的動態(tài)特性，不僅增加了研究成本，而且很難在設計階段對其性能進行全面分析，因此很難確保產品的實際性能滿足設計要求。因此,將計算機仿真技術用于制冷裝置動態(tài)性能的模擬有很重要的現(xiàn)實意義。運用計算機模擬系統(tǒng)的工作過程,分析、預測系統(tǒng)在不同設計參數(shù)的條件下或不同的工作過程下,系統(tǒng)各個部件的運行特性和各個部件的耦合關系及其對系統(tǒng)性能的影響,從而使系統(tǒng)各個部件之間達到合理優(yōu)化的匹配,以及整機系統(tǒng)的節(jié)能、變工況特性、可靠性等指標得以改善與提高。蒸發(fā)器的模型和算法比較復雜,涉及到的輸入輸出參數(shù)比較多。對蒸發(fā)器模型的建立和數(shù)值分析將對空調系統(tǒng)的優(yōu)化分析和控制提供了有效的部件性能分析方法。2蒸發(fā)數(shù)學模型蒸發(fā)器管內側制冷劑流動時一般分為兩相區(qū)和過熱區(qū)兩部分,文中將分別建立模型。2.1u3000表1xcr蒸發(fā)器的兩相區(qū)內存在著兩種流型,即:環(huán)狀流和霧狀流,它們是以干度不同而區(qū)分的。以臨界干度xcr為界,其計算關系式如下:xcr=7.94[Revs(2.03×104Re-0.81vs?0.81vsT-1)]-0.161當0≤x≤xcr時,兩相區(qū)的制冷劑呈環(huán)狀流動。對蒸發(fā)器來說,飽和制冷劑液體緊貼管內壁形成環(huán)狀液膜流動,液膜厚度隨干度的增加而減薄。飽和的制冷劑氣體在環(huán)狀液膜內流動。其流動截面隨干度的增加而增加。2.1.1蒸發(fā)器環(huán)形流的數(shù)學模型對于環(huán)狀流汽相和液相的基本方程為:質量守恒方程:??t[αρv+(1-α)ρl]+??z[αρvuv+(1-α)ρlul]=0(1)??t[αρv+(1?α)ρl]+??z[αρvuv+(1?α)ρlul]=0(1)動量守恒方程:??t[αρvuv+(1-α)ρlul]+??z[αρvuv2+(1-α)ρlul2]=-?Ρ?z-τoSoA(2)??t[αρvuv+(1?α)ρlul]+??z[αρvuv2+(1?α)ρlul2]=??P?z?τoSoA(2)能量守恒方程:??t[αρvhv+(1-α)ρlhl]-?Ρ?t+??z[αρvuvhv+(1-α)ρlulhl]=(πd/A)qL(3)??t[αρvhv+(1?α)ρlhl]??P?t+??z[αρvuvhv+(1?α)ρlulhl]=(πd/A)qL(3)上述三個方程共有四個未知數(shù)P、α、uv、ul,補充滑動比方程使方程封閉可解,這四個方程共同構成了蒸發(fā)器環(huán)狀流的數(shù)學模型。環(huán)狀流部分的換熱系數(shù)用下式計算:αtp=3.0(Xtt)2/3αl(4)αtp=3.0(Xtt)2/3αl(4)αl=0.023(λld)(Gdμl)0.8αl=0.023(λld)(Gdμl)0.8Pr0.3(5)2.1.2煤tzuhh的熱汽模型霧狀流的建模方式,制冷劑可作為均相處理,其質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程為:{??tρΗ+??z(uΗρΗ)=0??t(ρΗuΗ)+??z(ρΗuΗ2)=?Ρ?z-τwSwA??t(hΗ)-?Ρ?t+??z(uΗhΗ)=qrSwA(6)???????????tρH+??z(uHρH)=0??t(ρHuH)+??z(ρHuH2)=?P?z?τwSwA??t(hH)??P?t+??z(uHhH)=qrSwA(6)其中,uH=uv=ulρH=αρv+(1-α)ρlhH=αρvhv+(1-α)ρlhl此模型中,包括質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程三個方程,未知數(shù)有三個:c、uH、P,方程組封閉可解。在霧狀流部分,制冷劑的換熱系數(shù)隨著干度的增加急劇的下降,直至干度為1時,換熱系數(shù)下降到與過熱蒸汽的換熱系數(shù)相等。所以采用非線性的過渡方法計算霧狀流段的換熱系數(shù):αd=αtpsin2[π(1-?)2]+αshcos2[π(1-?)2](7)?=x-xcr1-xcr(8)其中:?:非線性差值因子αtp:干度x=xcr時的兩相流換熱系數(shù),用式(9)計算αsh:制冷劑全部為過熱蒸汽時的換熱系數(shù)αsh=0.023Re0.8Pr0.4(9)2.2tvuv+vhv過熱蒸汽區(qū)為單相蒸汽對流換熱,其基本方程為:質量守恒方程:??t(ρv)+??z(ρvuv)=0(10)動量守恒方程:??t(ρvuv)+??z(ρvuv2)=-?Ρ?z-τwSwA(11)能量守恒方程:??t(ρvhv)-?Ρ?t+??z(ρvuvhv)=-(πd/A)qr(12)此模型中有三個未知數(shù):uv,qr,P,方程封閉可解。其中換熱系數(shù)用(12)式計算。2.3溫度表tpf—管壁換熱數(shù)學模型微元管壁單位時間內的能量積累等于輸入熱量與輸出熱量之差,其換熱數(shù)學模型為:dQα-dQR=Cp?pfΜpf?Τpf?t(13)其中:dQR—微元管壁與制冷劑的換熱量dQα—微元管壁與空氣的換熱量Mpf—微元管壁與肋片的質量Tpf—管壁與肋片的溫度微元管壁與肋片的平均比熱為:Cp?pf=Cp?pipeΜpipe+CpfΜfΜpf(14)其中:Cp,pipe—管壁的比熱Cpf—肋片的比熱Mpipe—微元管壁的質量Mf—微元肋片的質量2.4濕工況熱交換量的計算蒸發(fā)器管外側空氣從進口到出口為放熱降溫過程,放熱降溫過程可分為干工況、濕工況和結霜工況。干工況時的熱交換量用下式計算,dQα=αα(ηfdAf+dAp)(tα-tw)(15)濕工況時的熱交換量用下式計算,dQα=ζαα(ηfζdAf+dAp)(tα-tw)(16)式中?ζ=h1-h2h1-h2=h1-h2Cp?α(t1-t2)ηfζ=th(mζl)mζlmζ=(2ζααλfδf)0.5αα=C1C2Remα(Lde)n(λαde)2.5蒸發(fā)器制冷程序模擬根據(jù)上述模型,編制了蒸發(fā)器分布參數(shù)仿真程序;程序的輸入參數(shù)為:蒸發(fā)器制冷劑的入口狀態(tài)、空氣入口狀態(tài),流量、蒸發(fā)器結構參數(shù),輸出參數(shù)為蒸發(fā)器制冷劑出口狀態(tài)、空氣出口狀態(tài)、換熱量,程序流程圖見圖1。3蒸發(fā)器內部空氣溫度變化結果本文對一臺熱泵空調器在名義制冷和名義制熱工況下進行了穩(wěn)態(tài)模擬,蒸發(fā)器被分為6路;本文的模擬計算只取了其中的1路。換熱器的結構示意圖如圖2所示。名義制冷工況參數(shù)為室外干球溫度35℃、濕球溫度24℃,室內干球溫度27℃、濕球溫度19℃;補充過熱度為8℃。限于篇幅,本文只給出名義制冷工況的蒸發(fā)器內的仿真結果。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬結果:圖3到圖6分別給出了蒸發(fā)器管內制冷劑壓力、溫度、干度、空隙率、沿管長變化時的計算結果。從結果可以看出,沿制冷劑流動方向,壓力下降,且兩相區(qū)壓力降大于過熱區(qū)壓力降,這是因為兩相區(qū)摩擦阻力較過熱區(qū)大。蒸發(fā)器內制冷劑溫度在兩相區(qū)略有下降,在過熱區(qū)急劇升高?？障堵恃毓荛L呈非線性上升趨勢,一開始上升速度快,隨著干度增加,升勢趨緩。而干度沿管長近似線性變化。在兩相區(qū)略有下降,在過熱區(qū)急劇升高?？障堵恃毓荛L呈非線性上升趨勢,一開始上升速度快,隨著干度增加,升勢趨緩。而干度沿管長近似線性變化。圖7到圖9分別給出了蒸發(fā)器管內制冷劑汽相速度、液相速度、滑動比沿管長變化的計算結果。從結果可以看出,汽相速度沿管長呈上升趨勢。而液相速度先上升,后下降?；瑒颖妊毓荛L呈現(xiàn)出明顯的非線性變化,干度較低時滑動比變化較緩,隨干度增加,上升趨勢加快。圖10到12分別給出了蒸發(fā)器管內制冷劑換熱系數(shù)、管內熱流密度、管壁溫度、沿管長變化的計算結果。從結果可以看出,在管長z<5m,即干度x<0.9左右時,冷劑側換熱系數(shù)較大,兩相流處于濕壁區(qū),當管長z>5m后,兩相流進入蒸干區(qū),換熱系數(shù)急劇降低,換熱狀況變差。圖13給出了蒸發(fā)器管外空氣溫差隨管長的變化。從結果可以看出,空氣溫差出現(xiàn)階躍性變化,這是空氣依次流經前排和后排的結果。圖14給出了蒸發(fā)器空氣側析濕量沿管長變化的計算結果。從結果可以看出,空氣側析濕量與管內換熱系數(shù)的變化趨勢比較一致,當管長z<5m時,析濕量較多,而當