冷剂自然循环系统的分相模拟研究

    对于一些全年都需要向室内供冷的场所,如电子计算机房、建筑物的内区等,当室外气温低于室内时,可以将室外空气自身的冷量导入室内,冷剂自然循环系统便可实现这一功能.该系统是把设置在室外、室内的高度不同的热交换器用冷剂配管连接成环,在管内封装上低沸点冷剂.因室内外温差产生的冷剂相态变化和高度差引起的重力差,使低沸点冷剂产生自然循环,从而实现室内侧的供冷.其特点是冷热量的输送不需要动力,因此可明显减少系统的运行能耗.研究和掌握冷剂自然循环系统的运行特性是该系统设计和运行调节的前提,随着计算机技术的迅猛发展,计算机仿真的研究方法越来越受到人们的青睐.为此,将建立冷剂自然循环系统的分相模拟数学模型,在质量守恒、动量守恒、能量守恒方程的基础上,进行数值求解,得出自然循环的运行特性随室外温度与机组冷剂充灌量的变化规律.并用实验资料验证所建模型的可靠性.

    1 冷剂自然循环空调系统的工作原理

    冷剂自然循环系统是由蒸发器、冷凝器、气体管、液体管组成的闭合回路循环系统.其工作原理如图1所示,制冷剂在蒸发器中吸热蒸发,低密度的制冷剂气体沿气管上升,到达冷凝器,释放出潜热而凝结成液体,在冷凝器中冷凝的液态制冷剂在重力作用下通过液管流入蒸发器,如此往复循环运行,组成冷剂自然循环回路.在液体下降管与蒸汽上升管之间会形成一定的密度差,系统中冷凝器的位置必须高于蒸发器,这个高度差与密度差产生自然循环的动力,用以克服气体和液体流动的压力损失,保证系统的正常运行[1].

    2 系统模型的建立

    冷剂自然循环系统的数学模型包括冷凝器和冷凝管路、蒸发器和蒸发管路系统模型.为预测系统稳定运行时所表现出来的性能,采用稳态仿真的方法.分相模型和均相模型相比能比较真实地描述系统中各部件的运行特性,但计算工作量较大.模拟的装置由于在空间方向上参数变化较大(如冷凝器、蒸发器),为提高仿真的精度,而采用分相模型建模.

    2.1 冷凝器和冷凝管路模型

    制冷剂在冷凝器中的流动可分为3个区段:过热气体段、两相流区段以及过冷液体段.

    2.1.1 管内两相区数学模型

    两相区可能存在的流型为雾状流、环状流、波状流.其流型的划分可根据We数和Fr数来判定.判别准则如下[2]:

    雾状流:We ≥40,Fr ≥7;

    环状流:We<40,Fr ≥7;

    波状流:We<40,Fr<7.

    根据以上准则,对可能出现的3种流型分别给予建模.

    1)雾状流模型

    雾状流是在较高质量流速下才出现的流型,其特点是两相充分混合,视液相速度与气相速度相同,可用均相模型建模.