（热能工程专业论文）制冷剂自然循环热回收装置的仿真研究.pdf

哈尔滨丁程大学硕士学位论文 摘要 随着人民生活水平的提高，暖通空调能耗快速增长并带来相应的环境问 题，降低空调系统能耗已成为建筑节能的主要任务之一。新风能耗在空调通 风系统能耗中，占有较大的比例。在具有机械排风系统的建筑中，如何从排 风中有效回收能量，以减少新风的能耗，是值得研究的一个重要问题。制冷 剂自然循环( r e f r i g e r a n tn a t u r a lc i r c u l a t i o n 简称r n c ) 热回收装置的主要优 势在于：利用制冷剂液态和气态的密度差及换热器布置的高度差产生自然循 环的动力回收空调系统的排风余热，可明显降低装置的运行能耗；同时，装 置结构简单且布置灵活。北方地区利用该装置回收排风的热量来加热地下停 车场的补风，既提高了能源的利用率，又减轻了建筑物排热对环境的影响。 本文利用分布参数法建立了冷凝器及蒸发器的稳态数学模型，并编制了 仿真程序。经文献实验数据的验证，仿真程序能够满足工程设计的要求。为 进一步提高仿真精度，又在冷凝器及蒸发器的模拟中运用了智能仿真。 在部件模型的基础上建立了装置的系统仿真模型，在质量守恒、动量守 恒、能量守恒的基础上，设计了仿真算法、编制了系统仿真程序并进行了验 证。通过程序的模拟，分析了室内、外温度等影响因素对r n c 热回收装置运 行特性的影响规律。 编制了装置实用仿真软件，为装置下一步的的开发与推广应用打下基础。 关键词：制冷剂自然循环：热回收；计算机仿真：性能分析 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to f l i v i n gs t a n d a r d ，t h ei n c r e a s ei ne n e r g yc o n s u m p t i o n o fh a v cb r i n g st h ec o r r e s p o n d e n te n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s ；s od e c r e a s i n gt h e e n e r g yc o n s u m p t i o no fa i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mh a sb e c o m eo n eo ft h em a i nt a s k s i ne n e r g yc o n s u m p t i o ni nc o n s t r u c t i o n t h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fn e wa i r a c c o u n t sf o ral a r g ep r o p o r t i o ni nt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fa i r - c o n d i t i o n e ra i r e x h a u s ts y s t e m i nt h eb u i l d i n g s 、i t l lm e c h a n i c a la i re x h a u s ts y s t e m h o wt o r e c y c l et h ee n e r g yi nt h ee x h a u s t e da i re f f e c t i v e l ys o a st or e d u c et h ee n e r g y c o n s u m p t i o no ft h en e wa i ri st h ep r o b l e mw o r t h yt ob es t u d i e d t h ea d v a n t a g e s o fr e f r i g e r a n tn a t u r a lc i r c u l a t i o n ( a b b r e v i a t e d 硒r n ci nt h ef o l l o w i n g ) h e a t r e c o v e r yi n s t a l l a t i o n ：t h r o u g hu s i n gn a t u r a lc i r c u l a t i o np o w e rp r o d u c e db yt h e d e n s i t yd i f f e r e n c eo fl i q u i ds t a t ea n dg a s e o u ss t a t eo fr e f r i g e r a n ta n dh e i g h t d i f f e r e n c eo fh e a te x c h a n g e r , t h er e m a i n i n gh e a ti na i re x h a u s to fa i r - c o n d i t i o n i n g s y s t e mc a l lb er e c y c l e d , w h i c hc a nd e c r e a s ee n e r g yc o n s u m p t i o no fi n s t a l l a t i o n o p e r a t i o no b v i o u s l y ；m e a n w h i l e ，t h es t r u c t u r eo ft h ei n s t a l l a t i o ni ss i m p l ea n dt h e a r r a n g e m e n ti sf l e x i b l e i nt h en o r t h e r np a r t ，t h eh e a ti na i re x h a u s ts y s t e mc a l lb e r e c y c l e db yu s i n gt h i si n s t a l l a t i o nt os u p p l e m e n tt h ea i ri nt h ep a r k i ti n c r e a s e s t h eu t i l i z a t i o nr a t i oo ft h ee n e r g ya n da l s oa l l e v i a t e st h ee f f e c to fb u i l d i n g s a i r e x h a u s tt ot h ee n v i r o n m e n t i nt h i sp a p e r , t h es t a b l em a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o n d e n s e r sa n de v a p o r a t o ri s s e tu po nt h eb a s i so fd i s t r i b u t e d - p a r a m e t e rm e t h o d ，a n ds i m u l a t i o np r o g r a mi s w o r k e do u t ，w h i c hc a nm e e tt h ed e m a n do fp r o j e c td e s i g nt h r o u g ht h et e s to f e x p e r i m e n t a l d a t ai nd o c u m e n t i no r d e rt of u r t h e ri m p r o v et h es i m u l a t i o n p r e c i s i o n , i n t e l l i g e n t s i m u l a t i o ni s a p p l i e di n s i m u l a t i o no fc o n d e n s e ra n d e v a p o r a t o r 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 o nt h eb a s i so f p a r t sm o d e l ，s y s t e m a t i cs i m u l a t i o nm o d e lo fi n s t a l l a t i o ni ss e t u p s i m u l a t i o na r i t h m e t i ci sd e s i g n e d ，a n ds y s t e ms i m u l a t i o np r o g r a mi sw o r k e d o u ta n dt e s t e do nt h eb a s i so fm a s sc o n s e r v a t i o n , m o m e n t u mc o n s e r v a t i o na n d e n e r g yc o n s e r v a t i o n 1 1 1 ei n f l u e n c i n gr u l e so fi n f l u e n c i n gf a c t o r ss u c ha si n d o o r a n do u t d o o r t e m p e r a t u r et ot h er n ch e a tr e c o v e r yi n s t a l l a t i o n so p e r a t i o n f e a t u r e sa r ea n a l y z e dt h r o u g hp r o g r a ms i m u l a t i o n mi n s t a l l a t i o n sp r a c t i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ei sw o r k e do u ti no r d e rt os e t u paf o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n t ，p r o m o t i o na n da p p l i c a t i o no ft h e i n s t a l l a t i o n k e y w o r d s ：r e f r i g e r a n tn a t u r a lc i r c u l a t i o n ；h e a tr e c o v e r y ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n ； c h a r a c t e r i s t i ca n a l y z i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：糨 日期：如o p 年6 月伊日 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 进入二十一世纪后，人们逐渐意识到能源短缺已成为制约人类社会发展 的最大瓶颈，一场能源危机正向我们走来。虽然科技的不断进步使我们掌握 了更多开发及利用新型能源的手段，但从目前来看，石油、煤及天然气等一 次性能源仍然是世界能源供应的主力( 约占8 7 7 ) ，其他可再生能源虽然发 展很快，但所占比例仍然很低( 约为1 2 3 ) 。由于一次性能源具有不可再生 性及可采储量有限性的特点，使得各国的能源消费方式必然向低消耗、高产 出的方向发展。受经济、科技、人口及社会发展等多方面因素的影响，发达 国家已经在能源消费方式的调整上走在了前列：而发展中国家由于经济基础 薄弱，新科技在工业生产中利用率低，仍然沿用着传统的高消耗、高污染的 能源消费方式。未来，随着一次性能源的日益减少，各国为了维护本国利益、 保证本国能源供应，必然会在能源的争夺上产生更多的矛盾甚至激烈的冲突。 为了缓解这些矛盾，世界能源的供应和消费应该向多元化、高效化、市场化 及全球化的方向发展【l t 2 】。 虽然我国的一次性能源探明储量总量比较丰富( 如可采煤炭储量为1 1 4 5 亿吨标煤，占世界的1 1 6 ；可采石油储量2 5 亿吨，占世界的1 7 ；可采 天然气储量3 8 万亿立方米，占世界的l ) ，但作为一个发展中国家，我国 的能源消费结构及方式仍然很落后。具体表现在：煤炭在消耗的能源中所占 比重过大且多数煤炭用作直接燃烧，对环境造成严重污染；传统粗放型、高 耗能、高污染企业在工业生产中仍占较大比例；对能源的深层加工及回收再 利用重视不够，科技水平较低。这些问题的解决有赖于政府的政策引导、企 业的资金投入及科技的不断进步，更有赖于人们节能环保意识的提高。目前 我国大力提倡建立节约型社会，其目的就在于使我国的能源、环境、经济及 社会发展走上可持续发展的道路1 4 7 】。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 随着生活水平的提高，越来越多的住宅及商业建筑安装了空调系统。在 满足人们追求高质量生活品质要求的同时，我们也必须看到，空调系统的能 耗不断上升。由高能耗带来的环境严重污染、温室气体排放过多及臭氧层被 破坏等一系列问题都亟待我们去解决。因此，积极探索研究空调系统节能、 减排的新技术，对我国走可持续发展的道路及创建节约型社会具有极其重要 的战略意义。 在具有机械排风系统的建筑中，从排风中有效回收热量或冷量，以减少 新风能耗，是空调系统节能、减排的有效措施之一。空调系统排风余热回收 正受到人们越来越多的关注。常用的余热回收装置在多年的实际应用中逐渐 暴露出自身设计上的缺陷，人们迫切希望新型热回收装置的不断出现。地下 停车场用r n c 热回收装置目前只停留在理论设计阶段，在国内还没有投入实 际应用。本文通过建立部件及系统仿真模型、编制仿真程序，分析了不同因 素对装置性能的影响，为装置进一步整体优化设计及实际应用奠定基础。相 信在不久的将来，该装置必将走向实用化，为我国的节能环保事业作出自身 的贡献。 1 2 空调系统排风余热回收的研究现状 排风余热回收是一项长远的节能措施，也是建筑和空调专业一个需要加 强研究的技术领域。新风与排风组成的热回收系统是余热利用、节约能源的 有效措施。 1 2 1 常用热回收装置概述 目前，在空调系统排风余热回收领域，常用的热回收装置主要包括：转 轮式热回收装置、盘管热环式热回收装置和热管式热交换器。 ( 1 ) 转轮式全热交换器与热回收装置 图1 1 为转轮式全热交换器与热回收装置。装置中新风与排风从两侧进 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 入旋转体，并在转轮的带动下形成反向逆流。转轮在旋转过程中将排风的热 量搜集在铝合金箔蓄热体里，然后传递给新风。转轮式全热交换器具有以下 优点：热、湿交换不受季节影响；热交换效率较高；空气阻力较小，风机功 耗低；不易被灰尘堵塞。其缺点为：装置中无隔离部件，新风易受排风污染； 装置体积大，布置困难f l o 。 2 l - 净化扇形区；2 新风风机；3 排风风机 a ) 转轮式全热交换器结构示意图；b ) 热回收系统 图1 1 转轮式全热交换器及排风热回收装置 下 2 自 1 _ 4 3 l - 排风侧盘管；2 - 新风侧盘管： 3 循环泵；4 调节水箱 图1 2 热回收环工作原理 ( 2 ) 热回收环 图1 2 为热回收环工作原理示意图。排风、新风通过各自侧的盘管( 空 哈尔滨r t 程大学硕士学位论文 气水翅片管换热器) 与中间介质( 水或乙二醇水溶液) 进行换热，介质的循 环靠循环泵提供动力。由于该装置的部件在组成上形成回路，故称为热回收 环。热回收环具有的优点为：新风与排风无交叉污染；装置布置灵活，且所 有部件均可采用常规部件。其缺点显而易见：循环泵需要消耗功率；能量通 过中间介质传递，热交换效率低t - o j 。 ( 3 ) 热管式热交换器 23 p ，v 川、r 上汹 一 臣z z z 7 7 = 7 7 才厂7 _ 7 _ 刑 1 蒸发段：2 凝结段；3 绝热段；4 输液芯 a ) 热管式热交换器；”热管 图1 3 热管式热交换器及热管 如图1 3 ( a ) 所示，由若干根热管组成的热管式热交换器在整体上分成两 部分，并分别通入冷、热气流。当热气流通过时，管中蒸发段工质被加热蒸 发，由液态变为气态：蒸汽在管内扩散，当转移到冷凝段时，工质被冷气流 冷却，蒸汽凝结放热加热冷气流；然后，液态工质又在输液芯内毛细力的作 用下返回蒸发段。如此反复循环，热量从热气流传递到冷气流。热管式热交 换器的优点是：新风与排风不会交叉污染；在低温差下仍可实现热量传递： 热交换率较高。其缺点是：不能实现潜热回收 t o , i t 1 2 l 。 1 2 2 空调系统排风余热回收的应用研究现状 在空调系统排风余热回收领域国内外取得的研究成果主要包括：庄琛【1 4 1 对热管换热器和转轮全热交换器进行了节能和经济性计算及比较后认为，虽 4 哈尔滨工程大学硕十学何论文 然热管换热器节能效果略逊于转轮全热交换器，但综合考虑节能和经济两方 面因素，热管换热器还是更适合作为宾馆排风能量回收装置。其原因在于热 管换热器初期投资少、无运行维护费用。代伯清 1 t l 以武汉地区的室内外气象 为条件，对国内外现有空气一空气热交换机( 显热换热效率7 0 ，全热换热 效率5 5 ) 进行了动态计算，得出了每单位质量新风在夏、冬两季分别可以 回收的冷( 热) 量总量。林喜云c 体j 定性分析了空调系统热回收装置的影响因素， 引入了一个新的热回收评价方法一纯能量收益法。刘晓华0 9 1 构建了以具有吸 湿能力的盐溶液为工作介质、溶液全热回收装置和单级喷淋模块结合起来的 新风处理机组，并分析了该机组在夏季和冬季的运行性能。文献 2 0 】提出了 一种新型热泵热水器机组，利用浴室排风余热作为热源，通过热泵循环提高 其能源品位后用于加热生活用水，并对其动态性能进行了实验研究。文献 2 l 】 在忽略空气具体处理方式的条件下，提出了采用热回收环的空调系统回收能 量的计算方法，并计算了全年的节能量。 从上述研究成果中可知，传统的排风能量回收装置在长期的运行中，逐 步暴露了自身设计上的缺陷，在国内的推广利用率不高。本文介绍的地下停 车场用r n c 热回收装置主要用于北方寒冷地区冬季地下车库的新风加热，其 回收的热量来源于建筑物空调系统排风余热。该装置既具有普通热回收环的 优势，又弥补了它的不足，将会具有广阔的发展前景。 1 3r n c 热回收装置简介 1 3 1r n c 系统的工作原理 制冷剂自然循环系统的工作原理为：低沸点制冷剂在上下布置的换热器 及配管组成的环状系统中，靠室内外温差产生的制冷剂相态变化和换热器布 置产生的重力作用形成自然循环，实现能量的回收与再利用。图1 4 是这种 原理的示意图。 如图所示，室内暖空气使低位热交换器( 蒸发器) 中的液态制冷剂受热 哈尔滨工程大学硕十学位论文 而沸腾蒸发，同时室内被冷却；制冷剂蒸汽沿管路上升进入高位热交换器( 冷 凝器) ，被室外冷空气冷却为液体，同时制冷剂向室外空气放出热量；液态制 冷剂沿管路回流到蒸发器。由此可以看出，当室外空气温度低于室内时，制 冷剂可以无需动力进行自然循环，把室内热量导入室外。 室外熟交换器 室内热交换器 图1 4r n c 系统工作原理 1 3 2l 矾c 系统的循环动力和热移动量 制冷剂自然循环过程中，蒸发、冷凝压力在同室内、外温度相对应的制 冷剂饱和压力之间变化。系统的循环动力d 可近似表示为： d = ( 岛一风) g 厅( 1 - 1 ) 式中：h 冷凝器与蒸发器之间的垂直高差，1 1 1 岛，岛分别为制冷剂处于液态和气态时的密度，k g m 3 g 重力加速度，m s 2 当系统的循环动力能够克服蒸发器、冷凝器、液体管、气体管的阻力损 失时，制冷剂进行自然循环。 制冷剂自然循环过程中，系统的循环动力和蒸发器、冷凝器、液体管、 气体管的阻力损失是相平衡的。可以用下面的等式表示： ( 岛一p , ) g h = 屹+ 必+ 蝇+ 屹 ( 1 2 ) 6 哈尔滨工程大学硕十学位论文 式中：峨，峨，叱，屹分别为蒸发器、冷凝器、液体管、气体管 的阻力损失，p a 由制冷剂自然循环所获得的热移动量即蒸发器提供的冷量或冷凝器提供 的热量q ，可用下式计算： q = k 彳a t = m ，a h r ( 1 3 ) 式中：k 传热系数，k j ( m 2 k s ) 彳蒸发器或冷凝器的传热面积，i n 2 出制冷剂与空气之间的温差，k m ，制冷剂质量流量，k g s 幽蒸发器或冷凝器进、出口制冷剂的焓差，l ( j k g 通过以上分析，可以看出r n c 系统具有以下特点： ( 1 ) 制冷剂通过自然循环输送冷热量，省掉循环泵，节省系统运行能耗； ( 2 ) 在一定的室内外温差下，通过换热器、配管的设计及制冷剂充灌量 的选取，可以获得用户需求的供冷( 热) 量； ( 3 ) 蒸发器与冷凝器之间无机械设备( 如压缩机) 提供的压差，仅存在 一定高差，蒸发压力高于冷凝压力： ( 4 ) 蒸发器与冷凝器之间的上下位置是固定的，所以热量的转移是单方 向的，如果室内温度低于室外温度，热量转移就停止【哪o 】。 1 3 3 地下停车场用r n c 热回收装置简介 随着我国经济的快速发展，人民的生活水平得到大幅度的提高，越来越 多的人选择汽车作为出行的代步工具。很多商业建筑( 包括住宅) 的地下都 设置了大型的地下停车场。汽车出入排放的尾气使得停车场内污染物的浓度 较高，再加上地下建筑本身的自然通风不畅，使得地下停车场内必须配置机 械通风系统，输送足够的风量，以保证内部工作人员的健康 3 1 】。 在北方高寒地区，冬季气温较低，有时甚至低达3 0 左右。为保证地下 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 停车场内车辆的正常启动，停车场补风系统送入的新风需要被加热到5 c 后 送入，用普通热水加热器加热新风，必然要额外消耗很多能源。同样在冬季， 建筑物空调系统的排风通常是带着一定的余热直接排放到室外环境中，如果 能利用这部分排风余热加热送入地下停车场的新风，一定会减少热水加热器 额外消耗的能源。地下停车场r n c 热回收装置正是在此背景下设计的。装置 整体结构如图1 5 所示。 r n c 热回收装置的核心部件是冷凝器、蒸发器、液体管及气体管。冷凝 器与蒸发器上、下布置，冷凝器及送风机组设置在地下一层，蒸发器及排风 机组设置在地下二层，液体管连接冷凝器出口和蒸发器入口，气体管连接蒸 l 一补风机组；2 一初效过滤器；3 一冷凝器；4 一加热器； 5 一风机；6 - - 蒸发器；7 - - 排风机组；8 一排风口；9 - - 送风口：1 0 - - 风量调节阀；1 1 一新风口 图1 5 地下停车场排风热回收装置 发器出口和冷凝器入口。 r n c 热回收装置的工作过程为：建筑物空调系统的排风( 温度在2 0 左 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 右) 通过排风口进入排风机组的蒸发器中，使制冷剂r 2 2 气化：过热气体沿 气体管进入送风机组的冷凝器中与送入的室外新风换热，制冷剂液化并放出 热量加热新风：制冷剂过冷液体靠自身重力流回蒸发器，形成自然循环。循 环的结果是装置回收了空调系统的排风余热用于加热室外新风。当回收的热 量不足以使新风达到5 c 时，靠装置中的热水加热器补充热量。 从以上工作过程中我们可以看出，r n c 热回收装置具有下列优点：( 1 ) 装置中制冷剂靠室内外温差及自身重力形成自然循环，无需循环泵，能耗降 低；( 2 ) 装置靠回收空调系统排风余热来预热室外新风，相应地减少了用于加 热新风的热水加热器的能耗；( 3 ) 装置结构紧凑，占用空间小，在各种建筑物 中布置灵活。其缺点是排风与新风间的能量传递是靠制冷剂循环实现的，这 种热交换方式效率较低。为了分析该装置的运行特性，本文将采用计算机仿 真的方法建立r n c 热回收装置的数学模型，并用实验资料验证所建模型的可 靠性，在此基础上分析各种因素对装置运行特性的影响规律，以期为装置的 开发与应用提供理论依据。 1 4 制冷空调系统计算机仿真技术研究现状 仿真技术是计算机技术的一种，它的产生和发展有着浓厚的工程实际应 用背景。本节将对其基本概念及国内外对换热器仿真的研究现状进行简要的 总结。 1 4 1 计算机仿真技术简介 所谓仿真就是指通过研究一个能代表所研究对象的模型来代替对实际对 象的研究，计算机仿真就是在计算机上用数字形式表达实际系统的运行规律。 计算机仿真技术具备的特点为： ( 1 ) 用计算机模拟的方式取代传统的实验方式来研究实际系统的运行规 律，节省大量人力、物力。 9 哈尔滨r t 程大学硕士学何论文 ( 2 ) 从部件仿真到系统仿真，使人们更加清楚部件及系统的性能，为系 统的整体性能优化提供方向性指导。 系统模型的建立是制冷空调系统计算机仿真技术的核心，建模的方法主 要有辨识建模方法和机理建模法。辨识建模方法是根据系统实际运行或实验 过程中得到的系统输入、输出数据，利用各种辨识算法建立系统动静态模型。 本文在换热器仿真中使用的神经网络模型就属于辨识建模方法。机理建模法 就是根据实际系统的物理过程，在某些假定的条件下，按照相应的理论，写 出代表其物理过程的方程，结合边界条件和初始条件，得到能够正确反映对 象动静态的数学模型。本文中冷凝器、蒸发器模型及r n c 热回收装置系统模 型都是用机理建模法建立的。 系统模型建立后，一般都是通过计算机采用数值计算的方法求得数值解。 目前常用的模型求解算法有：传统迭代算法，有限差分算法，非线性算法等。 传统迭代算法发展较早、理论成熟，特别适用于简单制冷空调系统。本文对 部件及系统模型的求解均采用传统迭代算法。 1 4 2 换热器仿真的研究现状 目前常用的换热器建模方法为分布参数法和分区集中参数法。 分布参数法是将换热器按制冷剂流动方向划分为许多微元，对每个微元 分别进行建模，然后以数据为接口连接所有微元模型组成整个换热器模型。 这种建模方法能充分反映制冷剂在换热器中每处的换热及流动特性，建模精 度高，但计算量大，对空隙率的计算及两相流机理要求较高。 分区集中参数法主要用于系统动态仿真。该方法是根据制冷剂所处的不 同状态对换热器进行分区，在分区内采用集中参数法建模。该方法能在一定 程度上表现出分布参数的特性。通过对差异较大的分区分别建模，既可较好 的反映不同分区的换热特征，又能从整体上逼近设备的实际特性。采用这种 方法，分区的划分很重要，它直接影响所建模型的精度。 em i t h r a r a t n e 等【”】在建立了逆流蒸发器动态数学模型时，将两相区气液 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的滑动因子用空泡组分来计算，并且在模拟中引入了制冷剂热力学性质的关 系方程。s yl i a n g 3 4 1 用分布参数法分析了蒸发器的特性，研究表明，沿制冷 剂流程改变制冷剂的质量流速和采用错列的管路排列都会改变整个盘管的运 行特性。h n e c u l a 等，】建立了壳管式蒸发器的稳态数学模型，分析了入口制 冷剂的性质对温度、滑移率等参数的影响。 p g r o u s s e a u t 3 6 利用分布参数模型对冷凝器特性进行了仿真研究，模拟结 果与测试结果相比，压力损失仿真误差为7 2 7 ，对数平均温差仿真误差为 4 4 1 。j t k w o n 等1 3 7 建立了冷凝器管内两相区环状流换热系数的数学模型， 该数学模型同时考虑了环状流中的粘度变化及液体的卷吸作用。经试验，测 得的两相区环状流换热系数与用数学模型推导出的换热系数符合较好。得到 的结论为，考虑液体卷吸作用的数学模型能更好地预测冷凝换热系数。 吴志刚铮t 1 1 给出了一种适合带毛细管调节制冷剂流量分配的换热器的仿 真模型和算法。将仿真过程中各支路上毛细管可能出现的壅塞组合情况归为 无毛细管壅塞、部分支路毛细管壅塞和全部支路毛细管都壅塞3 种类型并分 别进行分析。刘建等1 4 2 采用图论中有向图的概念以及图的遍历搜索方法，建 立了一套适用于翅片管换热器设计的通用仿真模型。该模型可以对具有任意 流路布置的翅片管式换热器稳态性能进行仿真，其中考虑了实际换热器内部 通过翅片的导热换热，使仿真过程更接近于实际的条件。 葛云亭争们】采用分布参数法分别建立了蒸发器、冷凝器的动态数学模型。 制冷剂在蒸发器存在两个分区，即两相区和过热区，且制冷剂在两相区的主 要流型为环状流已达成共识。而冷凝器中的两相区，在不同的制冷剂流速下 可能存在雾状流、环状流及波状流等几种流型。文献【4 4 】中基于两相流体网 络，建立了针对具有复杂流路布置的翅片管换热器稳态通用分布参数仿真模 型。模型考虑了实际换热器内部存在的翅片间导热，这使模型的建立假设更 接近于实际的换热条件。文献【4 5 】从制冷系统热动力学的观点出发，在分布 参数的基础上建立了蒸发器的实用性数学模型。通过数值分析，对其进行了 仿真运算。文献【4 6 】用制冷系统热动力学的观点建立冷凝器的动态分布参数 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 模型，提出选用进、出口质流量和进口焓作为冷凝器计算的输入值，有利于 冷凝器的仿真和优化计算。 梅源等【4 7 l 用分布参数法建立了蒸发器的稳态数学模型。在两相区的分布 参数模型中，引入滑动因子方程，使方程封闭可解。对管外空气侧换热系数， 考虑了管排布置对传热的影响。徐斌等l 一。嚏立了翅片管式冷凝器的稳态分布 参数模型，用数值计算结果分析了边界条件对冷凝器运行的影响，并对模型 进行了实验验证。姚杨等 4 9 , 5 0 ) 采用分布参数法在三大守恒方程的基础上建立了 空气源热泵冷热水机组空气侧换热器结霜工况下的数学模型并进行了求解。 其中管内制冷剂侧按两相区和过热区分别建模，空隙率模型采用x t t 修正模 型。 分析以上文献可知： ( 1 ) 制冷空调系统的实际运行是一个动态的过程，但为了提高仿真的可 靠性及速度采用简化的稳态模型。本文要进行r n c 热回收装置稳态运行时的 性能分析，因此可以用稳态仿真来进行。 ( 2 ) 与集中参数法相比，分布参数法能更真实地描述系统中各部件的运行 特性，但计算时间长、速度慢。对冷凝器及蒸发器用分布参数法建模可提高 仿真的精度。 1 5 本课题研究的主要内容 r n c 热回收装置是靠自然循环作为动力回收空调系统排风余热的装置， 装置自身无需消耗高位能。目前装置还停留在理论设计阶段，未来的实用化 有赖于装置的进一步整体优化设计。为此，本文将以r n c 热回收装置为研究 对象，分析各种影响因素对装置运行特性的影响，以期为该装置的整体优化 设计及未来的实用化提供理论依据。论文的主要工作包括以下几方面： ( 1 ) 建立r n c 热回收装置用冷凝器、蒸发器的分布参数模型，并编制仿 真程序： ( 2 ) 为提高换热器仿真模型的仿真精度，用神经网络模型产生修正系数 1 2 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 对冷凝器及蒸发器进行智能仿真； ( 3 ) 建立r n c 热回收装置系统模型，设计迭代算法，并编制系统仿真程 序。 ( 4 ) 分析各种影响因素对装置运行特性的影响。 ( 5 ) 编制r n c 热回收装置系统仿真实用软件，为装置的进一步优化设计 及走向实用化奠定基础。 哈尔滨t 稃大学硕士学位论文 第2 章翅片管冷凝器仿真模型的建立与验证 冷凝器是r n c 热回收装置中的主要热交换设备之一，其作用是将蒸发器 排出的制冷剂过热气体冷却为过冷液体。当装置处于稳定工作状态时，从蒸 发器出来的制冷剂气体沿气体管上升，气态制冷剂上升到送风机组的冷凝器 中，与温度较低的室外空气换热，放热成为液态，制冷剂放出的热量可将室 外新风加热。 本章将在介绍翅片管式冷凝器结构形式的基础上，建立冷凝器稳态分布 参数模型，设计仿真算法并编制仿真程序，以达到模拟冷凝器稳态实际工作 过程的目的。为了提高模拟精度，将智能仿真的概念引入冷凝器仿真，即用 神经网络的方法对基本分布参数模型进行修正。 2 1 翅片管冷凝器的结构形式 翅片管式冷凝器具有设备紧凑、换热性能好、不污染空气等诸多优点， 是广泛应用于各种制冷装置中的换热设备。其整体结构分为整张套片管管簇、 单套片管管簇，翅片形式分为平直形、波纹形( 三角波纹形、正弦波纹形) 、 开缝形，管排布置分为顺排、叉排，管的内部构造又有光管和内螺纹管之分。 本文介绍的r n c 热回收装置采用的冷凝器为整张套片管管簇、波纹形翅片、 叉排、光管，其整体结构形式将在后续章节中给出。 冷凝器的结构形式是建立稳态分布参数模型的基础。建模过程中涉及的 各结构参数变量的定义显示于图2 1 中。 2 2 翅片管冷凝器稳态分布参数模型 冷凝器的稳态模型主要用于描述并预测冷凝器的稳态性能。建立冷凝器 稳态模型的方法有很多，如有集中参数模型法( 又分为全集中、分区集中参 数模型) 、分布参数模型法等。其中的分布参数模型法既能充分反映制冷剂在 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一一 d w d n 图2 1 翅片管式冷凝器结构参数 冷凝器中每处的换热及流动特性，又能从整体上较好地模拟冷凝器的实际工 作过程，目前已成为稳态模型的主流建模方法。在稳态分布参数模型中，如 果要全面考虑制冷剂在冷凝器中每个细节结构的流动换热，则必须建立复杂 的三维空间流动模型。但这种三维模型计算量大，计算稳定性差，而且也未 必能保证实际工程设计上的精度，因为仿真精度还取决于换热系数、环境状 态描述等基础数据的计算精度。为达到在提高计算速度、保持计算稳定性的 同时又能获得一定计算精度的目的，通常在建模前作一些合理的假设来简化 计算模型。 本节建立的冷凝器稳态分布参数模型基于以下假设【s 1 1 ： ( 1 ) 冷凝器为逆流型换热器； ( 2 ) 同一截面上气相和液相的压力相等： ( 3 ) 管内制冷剂的流动视为一维均相流动，即气液两相流速相等； ( 4 ) 管外空气流动视为一维流动，且不考虑管壁热阻； ( 5 ) 忽略管壁的轴向导热。 需要说明的是，在r n c 热回收装置中制冷剂的循环动力是靠其自身密度 差及换热器布置的高度差提供的，因此必须考虑制冷剂在各个部件内的压降， 以保证系统的循环能正常进行；此外，制冷剂的动力特性和传热特性存在耦 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 合关系，管内各点制冷剂的温度不仅取决于与外界环境的换热状况，还与该 点的压力密切相关。为保证模型的精度，部件内由重力作用引起的压降也必 须给予考虑。考虑冷凝器由重力作用引起的压降是r n c 热回收装置与普通制 冷系统在部件建模上的一点重要区别。 根据以上假设，可将冷凝器简化为如图2 2 所示的物理模型。 一 过冷区两相区 过热区制冷剂 隧翟隧鍪鋈遮一二二。一 一 管壁 空气 图2 2 简化的冷凝器物理模型 按简化的物理模型将冷凝器分成三个相区来考虑：过热区、两相区、过 冷区。每个相区按制冷剂热力性质划分为若干个微元。对于单相区，即过热 区和过冷区，微元按制冷剂侧温降均分为3 0 个微元；对于两相区，微元的划 分可按两相区制冷剂进出口焓差均分为2 0 0 个微元。实践表明，单相区取3 0 个微元、两相区取2 0 0 个微元较好，再增加微元数目几乎不会提高仿真的精 度【5 2 1 。一个基本微元如图2 3 所示。 t a ，h a t o l ，h a m - i i - - - 空气 图2 3 基本微元 1 6 乃l ，h , i ， 哈尔滨工程大学硕七学位论文 对于任一微元，可以建立如下的方程组： 空气侧流动换热方程： q o = m 。( 吃2 一，) ( 2 一1 ) 式中：包空气侧换热量，k j s m 。空气质量流量，k g s 吃。微元空气侧进口焓值，k j k g 吃：微元空气侧出口焓值，k j 蚝 制冷剂侧流动换热方程： q = m ，( “一以：) ( 2 2 ) 式中：q 制冷剂侧换热量，k j s m ，制冷剂质量流量，k g s k 微元制冷剂侧进i = 1 焓值，k j k g 以2 微元制冷剂侧出口焓值，k j k g 管内外热平衡方程： q = 7 q ( 2 - 3 ) 式中：y 漏热系数，根据实验测定通常取0 9 微元导热方程： q ，= u a ，( 乙一乙) ( 2 4 ) 式中：u 总表面传热系数，k j ( m 2 k s ) 丘微元管内有效传热面积，m z 乙制冷剂侧平均温度，k 乙空气侧平均温度，k 其中总表面传热系数按公式( 2 - 5 ) 计算： u = ( 去- i - 石a t 玎( 2 - 5 ， 1 7 哈尔溟一i 样大学坝士字何论文 式中：q 制冷剂侧表面换热系数，k j ( m 2 k s ) 口。空气侧表面换热系数，k j ( m 2 k s ) 彳彳d 微元管内、外有效传热面积比 鱼：旦 2(2-6)一= ：- 一 a o口。 式中：a i 每米管长总内表面积，m e m 哆= 万以( 2 7 ) 口。每米管长总外表面积，m 2 m a 。= a i + a b ( 2 - 8 ) 式中：每米管长翅片间基管外表面积，1 1 1 2 i n ：=rcdw(s-万)(2-9)ab= a f 每米管长翅片侧表面积，i l l _ 2 m 旷罕7 2 对于单相区( 过冷区、过热区) ，制冷剂侧换热系数a j 由d i t t u s b o e l e r 换 热关联式计第s l 】： n u f = 0 0 2 3 r e o _ 8p r o 4( 2 11 ) 式中：n u 。努塞尔数m 。：堡当，五为制冷剂的导热系数，w m k r e 雷诺数i k ：盟，g 为制冷剂质流密度，k m 2 s 为制冷剂动力粘性系数，k g m s p r 制冷剂普朗特数 1 8 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 对于两相区j 制冷剂侧换热系数采用g a v a l l i n i 和z e c c h i n 联合提出的 关联式【5 3 】： 口牙= o 0 5 乃扛，d 。【( 1 一功+ x ( 胁，) 。5 】 弘， ( 2 1 2 ) 式中：口冲两相区的换热系数，k j ( m 2 k s ) 五制冷剂液相导热系数，w m k 朋制冷剂液相动力粘性系数，k g m s x 制冷剂千度 对于空气侧的换热系数，采用了李妩等人试验得出的换热综合关联式【卅： r e ：j 撇m a x d w ( 2 1 3 ) 式中：r e 空气的雷诺数 p 空气的密度，k g m 3 空气的粘性系数，k g m s 材一最窄截面风速，m s ，按公式( 2 - 1 4 ) 计算 “叫2 而桷“y ( 2 - 1 4 ) 式中：铭。迎面平均风速，m s 对于翅片形式为正弦波纹形的冷凝器有： n u = 0 2 7 4 酽6 盯2 0 2 0 ( 等厂7 2 p 聊 口。= n u 形d w( 2 1 6 ) 式中：五空气的导热系数，w m k 冷凝器沿空气流通方向上的管排数 根据微元长度方程址= 4 厄，在已知空气侧及制冷剂侧进出口参数的 条件下，可得微元长度： 1 9 哈尔滨r ：稗大学硕十学位论文 址：( 圭二盘丛：二竺 ( 乙一乙) 口， 式中：乙微元制冷剂侧平均温度，k ：t r l + t r 2 乙微元空气侧平均温度，k 乙：粤粤 求得微元长度后，可计算制冷剂在微元内的压降。 对于单相区，压降可由实验关联式计算嗍。对于两相区， 迭代法数值求解动量方程获得【5 5 l 。 单相区摩擦阻力系数为： ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 9 ) 压降可由牛顿 1 6 4 r e ( r e 8 x 1 0 4 ) 两相区摩擦阻力系数可按下式计算。 0 0 7 90 0 7 9 ， = 一= j 驴r e o 2 5 g i c h a 。2 5 式中：两相流平均动力粘度 p = x a g + ( 1 一x ) ， 2 3 翅片管冷凝器仿真程序的算法设计 ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) 在稳态分布参数模型的基础上，设计了以制冷剂出口状态为假设参数， 以冷凝器管长的计算值与实际值是否相等为收敛判据，同时考虑管内压降的 仿真算法，并编制了仿真程序。程序的输入量包括：翅片管冷凝器的结构参 哈尔滨t 稗大学硕七学位论文 数、空气和制冷剂的进口状态参数及流量。程序的输出量包括：空气和制冷 剂的出口状态参数、冷凝器的制热量。程序中所用的迭代算法为二分法。这 种迭代算法设计简单且寻优速度快，因而被广泛用于一维寻优计算【s - 1 。 仿真程序的算法流程见图2 4 。其具体描述为： ( 1 ) 假设制冷剂出1 3 过冷度。考虑到逆流换热假设，制冷剂出1 3 过冷度 的范围可以确定为：上限为冷凝器中制冷剂入口温度与空气入口温度的差值； 下限为0 。取该上、下限作为二分法的上、下限初值，并取其算术平均值作 为制冷剂出口过冷度的迭代初值。 ( 2 ) 假设两相区压降。为了加快寻优速度，可将两相区压降的范围确定 为：上限为两相区入口压力的1 4 ，下限为0 p 2 1 。取该上、下限作为二分法的 上、下限初值，并取其算术平均值作为两相区压降的迭代初值。 ( 3 ) 利用假设的制冷剂出口过冷度及两相区压降可求得两相区压降的计 算值，并将此计算值与假设值作比较，如果误差在收敛精度内，则转向( 4 ) 。 若假设值大于计算值，则用此假设值取代二分法的上限；反之，则用此假设 值取代二分法的下限：按算术平均算出