液流分析在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

液流分析在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

1動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)的建立如果僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段研究設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性，不僅增加了研究成本，而且很難在設(shè)計(jì)階段對(duì)其性能進(jìn)行全面分析，因此很難確保產(chǎn)品的實(shí)際性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。因此,將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)用于制冷裝置動(dòng)態(tài)性能的模擬有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)的工作過(guò)程,分析、預(yù)測(cè)系統(tǒng)在不同設(shè)計(jì)參數(shù)的條件下或不同的工作過(guò)程下,系統(tǒng)各個(gè)部件的運(yùn)行特性和各個(gè)部件的耦合關(guān)系及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響,從而使系統(tǒng)各個(gè)部件之間達(dá)到合理優(yōu)化的匹配,以及整機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能、變工況特性、可靠性等指標(biāo)得以改善與提高。蒸發(fā)器的模型和算法比較復(fù)雜,涉及到的輸入輸出參數(shù)比較多。對(duì)蒸發(fā)器模型的建立和數(shù)值分析將對(duì)空調(diào)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(xué)模型蒸發(fā)器管內(nèi)側(cè)制冷劑流動(dòng)時(shí)一般分為兩相區(qū)和過(guò)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(nèi)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(jì)算關(guān)系式如下:xcr=7.94[Revs(2.03×104Re-0.81vs?0.81vsT-1)]-0.161當(dāng)0≤x≤xcr時(shí),兩相區(qū)的制冷劑呈環(huán)狀流動(dòng)。對(duì)蒸發(fā)器來(lái)說(shuō),飽和制冷劑液體緊貼管內(nèi)壁形成環(huán)狀液膜流動(dòng),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(nèi)流動(dòng)。其流動(dòng)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(xué)模型對(duì)于環(huán)狀流汽相和液相的基本方程為:質(zhì)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(dòng)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(gè)方程共有四個(gè)未知數(shù)P、α、uv、ul,補(bǔ)充滑動(dòng)比方程使方程封閉可解,這四個(gè)方程共同構(gòu)成了蒸發(fā)器環(huán)狀流的數(shù)學(xué)模型。環(huán)狀流部分的換熱系數(shù)用下式計(jì)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(zhì)量守恒方程、動(dòng)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(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程三個(gè)方程,未知數(shù)有三個(gè):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(shí),換熱系數(shù)下降到與過(guò)熱蒸汽的換熱系數(shù)相等。所以采用非線(xiàn)性的過(guò)渡方法計(jì)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(xiàn)性差值因子αtp:干度x=xcr時(shí)的兩相流換熱系數(shù),用式(9)計(jì)算αsh:制冷劑全部為過(guò)熱蒸汽時(shí)的換熱系數(shù)αsh=0.023Re0.8Pr0.4(9)2.2tvuv+vhv過(guò)熱蒸汽區(qū)為單相蒸汽對(duì)流換熱,其基本方程為:質(zhì)量守恒方程:??t(ρv)+??z(ρvuv)=0(10)動(dòng)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(gè)未知數(shù):uv,qr,P,方程封閉可解。其中換熱系數(shù)用(12)式計(jì)算。2.3溫度表tpf—管壁換熱數(shù)學(xué)模型微元管壁單位時(shí)間內(nèi)的能量積累等于輸入熱量與輸出熱量之差,其換熱數(shù)學(xué)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(zhì)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(zhì)量Mf—微元肋片的質(zhì)量2.4濕工況熱交換量的計(jì)算蒸發(fā)器管外側(cè)空氣從進(jìn)口到出口為放熱降溫過(guò)程,放熱降溫過(guò)程可分為干工況、濕工況和結(jié)霜工況。干工況時(shí)的熱交換量用下式計(jì)算,dQα=αα(ηfdAf+dAp)(tα-tw)(15)濕工況時(shí)的熱交換量用下式計(jì)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?yún)?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(jié)構(gòu)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(jiàn)圖1。3蒸發(fā)器內(nèi)部空氣溫度變化結(jié)果本文對(duì)一臺(tái)熱泵空調(diào)器在名義制冷和名義制熱工況下進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)模擬,蒸發(fā)器被分為6路;本文的模擬計(jì)算只取了其中的1路。換熱器的結(jié)構(gòu)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(nèi)干球溫度27℃、濕球溫度19℃;補(bǔ)充過(guò)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(nèi)的仿真結(jié)果。系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果:圖3到圖6分別給出了蒸發(fā)器管內(nèi)制冷劑壓力、溫度、干度、空隙率、沿管長(zhǎng)變化時(shí)的計(jì)算結(jié)果。從結(jié)果可以看出,沿制冷劑流動(dòng)方向,壓力下降,且兩相區(qū)壓力降大于過(guò)熱區(qū)壓力降,這是因?yàn)閮上鄥^(qū)摩擦阻力較過(guò)熱區(qū)大。蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑溫度在兩相區(qū)略有下降,在過(guò)熱區(qū)急劇升高。空隙率沿管長(zhǎng)呈非線(xiàn)性上升趨勢(shì),一開(kāi)始上升速度快,隨著干度增加,升勢(shì)趨緩。而干度沿管長(zhǎng)近似線(xiàn)性變化。在兩相區(qū)略有下降,在過(guò)熱區(qū)急劇升高?？障堵恃毓荛L(zhǎng)呈非線(xiàn)性上升趨勢(shì),一開(kāi)始上升速度快,隨著干度增加,升勢(shì)趨緩。而干度沿管長(zhǎng)近似線(xiàn)性變化。圖7到圖9分別給出了蒸發(fā)器管內(nèi)制冷劑汽相速度、液相速度、滑動(dòng)比沿管長(zhǎng)變化的計(jì)算結(jié)果。從結(jié)果可以看出,汽相速度沿管長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)。而液相速度先上升,后下降?；瑒?dòng)比沿管長(zhǎng)呈現(xiàn)出明顯的非線(xiàn)性變化,干度較低時(shí)滑動(dòng)比變化較緩,隨干度增加,上升趨勢(shì)加快。圖10到12分別給出了蒸發(fā)器管內(nèi)制冷劑換熱系數(shù)、管內(nèi)熱流密度、管壁溫度、沿管長(zhǎng)變化的計(jì)算結(jié)果。從結(jié)果可以看出,在管長(zhǎng)z<5m,即干度x<0.9左右時(shí),冷劑側(cè)換熱系數(shù)較大,兩相流處于濕壁區(qū),當(dāng)管長(zhǎng)z>5m后,兩相流進(jìn)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(zhǎng)的變化。從結(jié)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(jīng)前排和后排的結(jié)果。圖14給出了蒸發(fā)器空氣側(cè)析濕量沿管長(zhǎng)變化的計(jì)算結(jié)果。從結(jié)果可以看出,空氣側(cè)析濕量與管內(nèi)換熱系數(shù)的變化趨勢(shì)比較一致,當(dāng)管長(zhǎng)z<5m時(shí),析濕量較多,而當(dāng)