带有流体分布不均的翅片管蒸发器的家用空调系统的性能.doc

1、带有流体分布不均的翅片管蒸发器的家用空调系统的性能摘 要：用数值模拟研究带有流体分布不均的翅片管蒸发器。翅片管换热器通常有一个预先定义的管路。然而,本研究的目的是以独立的方式调查每个独立分布不均源。因此,为了这个调查,蒸发器和冷凝器被简化成直管。本文描述了一个R410A 系统的数值模型,其验证和调查了独立分布不均源。分布不均源感兴趣的是:进液/气相分布、支线管弯曲和分布不均的气流。结果显示分布不均降低了冷却能力，影响系统的性能系数。特别是,不同的相分布和非均匀气流显著地降低了性能。不同的支线管弯曲只造成轻微的性能下降。2010 年教育部博士点基金,IIR 有限公司。保留所有权利。关键词： 冷却

2、/空调/翅片管/模型/模拟1.引言在制冷系统中减少能源消耗和制冷剂对环境、立法和经济变得越来越重要。因此，紧凑型干式膨胀多管道式换热器是未来的制冷技术所感兴趣的。在蒸发器中多管道的使用产生的制冷剂分布不均，已被证明减少了制冷系统的制冷量和性能系数。佩恩和曼斯（2003）指出，当管道发生压降并且整个过热度值达 5.6时两个不同的翅片管蒸发器由于在管道间变化的过热度值制冷能力下降可达 41和 32。通常情况下,翅片和管被当做家用空调系统中的室内管道,就是蒸发器。两个管道组成 A 型,顾名思义,为了增加蒸发器的迎风面积。一个缺点是对于管道，气流变为非均匀，造成气流分布不均。在 Lee 等人 （200

3、3 年）的数值研究中，非均匀的气流分布减少蒸发器达 6的容量。阿卜杜勒-阿齐兹等人 （2008 年）指出，气流也可能制造一个管道下部回流区。他们通过使用计算流体动力学模拟了气流通过 A 型管道。这些管道内的回流区由于循环气流不被交换导致制冷能力的下降。为了平均分配制冷剂,制冷剂混合度和制冷剂分配器的方向也很重要。由同样的密度差异液态和气态相看出，最好的流量方向是垂直的。然而，这个方向不始终确保最佳的制冷剂分配。中山等（2000）研究了分配器的新型毛细管混合空间，取代了传统的孔板分配器。他们指出，当使用传统的分配器时，倾斜垂直方向 15 度时，蒸发器容量减少 1.5。然而，新型分配器只减少了0.

4、4。在垂直方向上新型的分配器中更好的制冷剂混合度，比传统的分配器容量增加 1.2。李等人 （2005）用流体动力学研究了在分配器中的制冷剂的流量分配。在一般的情况下作者认为底部球形的分配器取得最佳的分布，同时孔口应靠近分配器底部。糖度等人（2009）研究了在 R134a 的小通道蒸发器中分布不均的汽车空调系统。用简化双通道几何形状的方法研究了入口蒸汽质量和气流不均匀性数值。当只有液体进入通道 2 和剩余混合物进入通道 1 时，制冷量减少了 23。当经过通道 1 和 2 的空气流速分别为 2.24m/s 和 0.96m/s 时，制冷量下降 19。此外,由于多通道蒸发器中不同的压力下降,不同的支线

5、管弯曲引起制冷剂分布不均。 Kim 等（2009 年 a，b）研究了五通道翅片管 R410A 热泵内的制冷剂和气流分布不均。两三个通道分别被同样看待。从本质上讲，有两个管道，其中一个面积比另一个大 50。研究发现当一个管道中支线管直径减少了25，或入口的空隙率增加了 5.5时制冷量和性能系数分别下降 12和8。他们还发现，保持总体积流量不变，当两管道气流比率为 0.4 时，制冷能力和性能系数分别下降 16和 11。可以用智能制冷循环在一定程度上弥补气流分布不均，然而，制冷循环并不能保证在变工况条件下优化制冷剂分布。多曼斯基和亚沙尔（2007）采用了一种新的优化系统，称为 ISHED（换热器智能

6、系统的设计）来优化气流分布不均的制冷剂回路。他们利用粒子图像测速法测量了空气的剖面流速。当测量的数据被用来作为他们的仿真模型的输入时，与隔行扫描型管路想比，制冷量增加了 4.2。由于管道是相互连通的，蒸发器管道通常使用不同的管路构造类型可能会干扰制冷剂使之分布不均，管路也可能产生空气温度分布不均，水分和/或霜冻。在这项研究中，为了执行一个通用的调查每一个的分配不均源，我们要分离每一个分布不均的影响。每个管道简化为两个直通道，每个通道的第一行进气口对齐为了有相同的进气口温度。此外，假设每个管道有相同的流量分布状况。测试的案例是一个 8.8kW 住宅空调单元。本次调查的重点是研究蒸发器中的分布不均

7、的流体效果。 目的是审查分配器，支线管和气流对制冷量和性能系数的影响。本文包含了发达国家蒸发器的模型描述，以证实在本文中的结论。该模型验证了比较结果,这个商业软件程序称为管道设计（江等，2006） 。每个气流分布不均源然后被每个单独源模型研究。最后，调查了两相摩擦压力的下降和传热关系的意义。许多两相摩擦和传热相关性的存在，可能会产生不同的结果。我们还研究这些变量对计算流量分布不均的的影响。因此，三种不同的两相摩擦和传热相关性在蒸发器模型中被应用。因为通道是相互干涉的，蒸发器线圈通常采用不同的类型的可能干扰致冷剂不良分布的线圈。本短路也可能创造不均匀的空气温度、湿度或霜。在这项研究中，为了执行研

8、究每一个分布源情况，我们想要了解每一对个别分布不均源。每个线圈简化成双通道，每个通道排列在第一列为具有相同的空气入口温度。此外，每个线圈被假定为有类似的流量分配条件。测试案例是一个 8.8kw住宅空调机组。重点调查研究的是流量分布不均匀的对蒸发器影响。目的是为了审查分配器、进气机管和气流对制冷量和性能系数的影响。为了展示本文的结果，本文包括一个描述蒸发器模型。该模型被一个称为商业软件程序线圈设计师验证了比较后的结果（江等人，2006）。每一个流量分布不均源被单独通过对每个源模型进行调查。最后，调查了两相摩擦压力和传热的相关性进行的意义。许多两相摩擦和热转移存在相关性，他们可能会产生不同的结果。

9、我们还调查了多少影响这些变量的计算不均匀流动性。因此，三个不同的两相摩擦传热相关性被用在蒸发器模型上。2.仿真模型建模的主要焦点是蒸发器，在蒸发器中流体的分布不均对系统性能的影响是可以预测的。简单的准静态模型配方被选为压缩机和膨胀装置。蒸发器模型是一个分布混合式模型，冷凝器模型是一个运动边界模型。蒸发器和冷凝器都是动态的以至于制冷剂在蒸发器和冷凝器间的迁移可以被模拟。在目前的研究中，只描述了稳定状态的结果。每一个组件模型都被用 Dymola7.1（2008 年）实施, Dymola 求解法能够有效地整合大型微分和代数方程组。Dymola 是基于 Modelica 的语言，并有利于面向对象编程，

10、这是非常重要的模型重用和延伸。方程式可以轻易地书写。Dymola 已在空调和制冷系统领域得到了很好的测试（Eborn 等，2005;里希特，2008） 。R410A 的热物理性质从 Refeqns 中获得。 （Skovrup，2009）2.1 蒸 发 器测试用例的蒸发器是 8.8 千瓦，即两个管道组成一个 A 型, 每个管道有两排翅片和两个制冷剂通道.。每个制冷剂通道包含 18 根带有 U 型弯曲连接管的水平管。管内径和外径分别为 7.6 和 9.6 毫米，管长度为 444.5 毫米。管子被横向管间距25.4 毫米和纵向管间距 21.25 毫米交错分开。翅片为百叶窗式，翅片间距为1.81 毫米

11、。空气侧的总面积为 19.2 。而气流分布不均匀，可以一些程度上弥补智能型制冷剂循环系统。然而，制冷剂短路并不能在变工况条件下保证优化制冷剂分布。曼斯和亚沙尔（2007）采用一种新的系统（智能系统的换热器优化设计）优化了制冷剂的电路，以便补偿风速分布不均匀。他们利用粒子图像测速测量了空气流速剖面。当把测量作为输入的模拟模型，与交错式电路相比，使用电路冷却能力增加了4.2%。2.1.1 制冷剂流体本研究的重点是蒸发器内流体的分布不均。因此，蒸发器的模型有能力处理依赖质量流量/压力下降的制冷剂。为了这个目的,选择了最简单形式的一维两相流模型,即是执行每阶段的差异分析和增加了阶段性方程的产物（Ghi

12、aasiaan，2008 年） 。结果是混合物的质量守恒，动量守恒和能量守恒，公式为：(1)0mAtz(2) 2 sinwPAFgAtzz(3)()wAhmhqtz假定热力学守恒，忽略动能和势能变化的影响，混合物的密度，初始焓值，混合后的焓值，动量密度 公式如下：(4)1fg(5)()f ghh(6)(1)fgx其中 是空隙率，蒸汽质量被定义为gxm摩擦力， ，热流量， 和孔隙率 ，必须从合适的公式中确定。然wFwq而，在这项研究中，均相流假设，这意味着的 的相关性是多余的，因为式中h 相同，密度相同。混合物的密度可以表示为：（7）1H=xgf根据有限体积法方程（1） ， （2） （3）是离散

13、的。在这项研究中，采用了 Patanka（1980）所描述的交错网格结构法。2.1.2 管壁根据电阻电容法（米尔斯，1999）,管壁为离散的。这方法基本上是使用热敏电阻值来描述热流跨越管边界的。管壁假定材质均匀。因此，每个离散元素的能量方程为：(8), WMwpEsNdtTQc进入和离开的热流量如图 1 所述。 2.1.3 气流气流假定不可压缩，没有质量，不能积蓄能量。有了这些假设，每个气体分子的质量守恒和能量守恒方程变为：(9) 0,NinoutpapamTQc(10) inoutmNTU 法被应用描述离开空气的热流，它用 e 值描述了实际热流和可能达到的最大传热量，即：(11)maxinQ

14、NCT其中的 是最低的比热， 是最大温差。适当的 NTU 效率被应用于蒸发minCmax器的两相区和过热区。此外，相关传热系数和翅片效率的必须应用。2.1.4 光滑函数一阶连续函数适用于相变过程（0 X 1 时相反。图 1进入和流出管壁的热流2.1.6 制冷剂流态制冷剂流态由混合进入的流体模拟。质量守恒方程和能量守恒方程被应用来计算离开的质量流量和比焓。 “歧管被认为是与微不足道压力绝热损失。2.1.7 气流分布为了研究气流分布，我们已经定义了气流分布参数为：(15),201frairairmVF其中Vm是横跨两个管的平均迎面风速。当Fair为统一值时，穿过两管的气流均匀分布。当Fair 为零

15、时，气流只通过管道 1。穿过蒸发器的质量流量是常数同时用质量守恒方程来计算通道 1 的正面速度。2.2 压缩机空调系统的压缩机，一个标准的十系数多项式可以计算在额定条件下的质量流量、制冷量和功耗（即不同的饱和压力和饱和温度对应特定的过冷和过热状况） 。图 2建立的模型草图测试用例的压缩机被认为是绝热的。模型看作是准静态的，利用等熵和容积效率来计算压缩机出口热力学状态和体积流量。测试用例的压缩机按额定工况下计算等熵容积效率。压缩机的排气量是 6.239 m3/h 。2.3 冷凝器测试用例冷凝器是一排带有四个制冷剂通道,每个通道有六根管道并被合并到另一通道,而另一通道同样也有六根管道。管长 210

16、0mm,内径 7.6mm,外径 9.6mm，横向管间距为 25mm，百叶窗翅片间距为 1.15 毫米, 总外表面积为 52.2。冷凝器近似可以看做四根直管，内部制冷剂和空气质量流量均匀分布。冷凝器中的分布不均是不能被解决的。因此，对比分布式蒸发器模型，一种简单的模型被选择了，即移动边界模型。具体的模型是张（2006 年）模型修改后的版本（这被应用于蒸发器） 。移动边界模型分别分为蒸汽区、两相区和液相区。管壁的动力学和热阻都不能解决当前的模型。但是，计算了两相传热系数和均匀空隙率的空间数值积分。应用了其他的传热系数（液体，蒸汽，空气）以及翅片效率，平均性能。再次应用了 NTU 效率法来计算热传导

17、。2.4. 膨胀装置膨胀装置是电子膨胀阀并被以等焓过程建模。蒸发器的出口过热度由积分控制器（模拟电子膨胀阀） 。指定的质量流量通过膨胀阀的过热度根据参考设为 5 K。Table 1 e Overview of the correlations used.3. 稳态验证没有实验数据可以从模型中验证两相流计算的细节。作为最佳的可能方案，我们已经计算验证了商业代码（管路设计者，江等人（2006） ） 。这为我们提供了合理评估该模型的可靠性。蒸发器和冷凝器模型在稳态和均匀流无分布不均条件下被进行了验证。在对应到目前的几何模型的一个简化管布局中进行了核查。表 1 显示了使用过的管路设计和当今模型的联系。需要注意的是比较了蒸发器内三种不同的两相传热的相关性。