制冷系统变工况性能数值模拟与实验研究

    符 号

    Q₀—制冷量,W

    m—质量流量,kg/s

    v0—测定工况下吸气比容

    p—缩机输入功率,W

    Δh—实际工况下压缩机排气与吸气比焓差,J/kg

    Δh0—测定工况下压缩机排气与吸气比焓差,J/kg

    h—焓,J/kg

    D—管径,m

    G—质量流速,kg/(m²•s)

    v—比容,m³/kg

    vc,ve—冷凝器、蒸发器迎风风速,m/s

    tc—冷凝温度,℃

    te—蒸发温度,℃

    tac—冷凝器进口空气温度,℃

    tae—蒸发器进口空气温度,℃

    tsh—过热度,℃

    tsc—过冷度,℃

    pc—冷凝压力,MPa

    pe—蒸发压力,MPa

    f—沿程摩擦系致,MPa/m

    L—毛细管长度,m

    µ—动力粘度系数,kg/(m•s)

    Fv—修正系数,Fv=0.75

    1 前言

    目前,提高制冷空调机组的运行效率,实现系统最佳匹配与优化控制,是行业内普遍关注的一个问题。传统的实验研究需要耗费大量的人力、物力,并且制冷空调系统的工作过程是个动态的过程,不能以某一点的性能参数的优劣判断系统匹配与否,因此,建立整个系统的动态参数模型,并且用实验来验证所建模型的可靠性是比较合理的研究方法。很多学者已经在理论计算或实验研究方面开展了学术工作,建立了系统模型[1~3]、换热器模型[4~7]、电子膨胀阀模型[8]、毛细管模型和充灌量模型等[9~13]。

    本文采用分布参数的方法建立了制冷系统的数学模型,在建立冷凝器和蒸发器两相区模型时采用了分相流模型,并考虑了流型变化对制冷剂流动换热过程的影响。利用所建模型,计算分析了冷凝器进口空气温度、蒸发器进口空气温度等参数变化对系统性能的影响。在焓差实验室对一台风冷热泵空调器性能进行了实验研究,并将实验结果与理论计算结果进行对比分析,结果证实了所建仿真模型的合理性,为实现系统的最佳匹配奠定了基础。

    2 制冷系统变工况性能的数值计算

    2.1 换热器数学模型

    为了在满足工程计算精度的前提下尽量简化数学模型,在建立换热器数学模型时作了如下假设[6、7]:(1)制冷剂流动为一维轴向流动;(2)在任何流动截面上汽、液相压力相等;(3)汽液界面上的凝结(蒸发)量以液相流速流动;(4)对水平管不计重力的影响;(5)只考虑制冷剂与管壁之间、管壁与空气之间的径向热量交换,不计轴向的热传递。

    制冷剂在整个冷凝器管内流动过程经历了三个状态区:过热气体区、两相区、过冷液体区;而在蒸发器管内经历了过热气体区和两相区这两个状态区。根据制冷剂管内质量流速的不同,冷凝器管内制冷剂的流动一般存在三种流型,即雾状流、环状流及波状流;蒸发器管内一般存在雾状流和环状流两种流型,不同的流动区域其管换热系数不同[6]。