（制冷及低温工程专业论文）空调器变工况性能的理论与实验研究.pdf

摘要 本文建立了空调器制冷系统的稳念分布参数模型，编制了计算程序，用有 限差分法对制冷系统变工况f 的稳态特性进行了数值计算，探讨了蒸发器及冷 凝器进口温度、蒸发器和冷凝器迎面风速对制冷系统的影响。数学模型中换热 器模型采用分相流模型，并考虑了换热器管排布置引起空气进口参数变化的影 响，毛细管模型采用均相流模型，并考虑了“i 】点延迟”和“壅塞流”现象的 影响。 为了验证数学模型及计算方法的正确性，在焓差法空调器性能实验台上对 一台房间空调器变工况性能进行了实验研究，测量了该空调器在不同的蒸发器 和冷凝器进f 1 空气温度、蒸发器和冷凝器迎面风速下的工作特性。结果表明： 随着蒸发器迎面风速和蒸发器进口空气温度的升高，蒸发压力、过冷度、过热 度、制冷量和c o p 均增加，而冷凝压力几乎不受影响；随着冷凝器进口空气温 度的升高，蒸发压力、冷凝压力升高，而过冷度、过热度、制冷量和c 0 p 均线 性下降；冷凝器迎面风速对制冷系统件能有较大影响，且存在一个最低风速， 当冷凝器迎面风速小于此风速时，系统的性能参数及制冷量等随迎面风速的改 变急剧变化，性能衰减很快，而迎面风速大于此风速时，冷凝器迎面风速的增 加对系统性能的影响逐渐变小，这对空调器设计中如何选取合适的冷凝器迎面 风速具有实用价值。 关键词：空调器，变工况性能，分相流模型 a b s t r a c t l nt h i sp a p e ras t e a d yd i s t r i b u t e dp a r a m e t e rm o d e lf o rr e f r i g e r a “o ns y s t e mo fa n a i r _ c o n d i t i o n e rw a sp r e s e n t e da n das i m u l a t i o np r o g r a mw a sd e v e l o p e db yu s i n g f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o dt op r e d i c tt h es t e a d yp e r f o m l a n c eo ft h er e f r 追e r a t i o ns y s t e m u n d e rt h ev a r i a b l ec o n d i t i o n s t h ei n f l u e n c e so ft h ei n l e t a i rt e m p e r a t u r eo ft h e c o n d e n s e ra n de v a p o r a t o la sw e l la st h ef a c ev e l o c i t yt h r o u g ht h ec o n d e n s e ra n d e v a p o r a t o rw a sd i s c u s s e d t 1 1 es p l i tp h a s ef l o wm o d e lj su s e di nt h eh e a te x c h a n g e r m o d e l sa n dt h ee f f e c t so ft h eh e a te x c h a n g e rt u b e sa r r a n g e m e n to nt h ei n l e ta i r p a r a m e n t s w e r ec o n s i d e r e d 1 nt h ec a p i l l a r yt u b et h e h o m o g e n e o u sm o d e l i s e m p l o y e da n dt h ed e l a yo ft h ef l a s hp o i n ta n dt h ec h o k e df l o ww e r ei n c l u d e d i no r d e ft ov e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l sa i l dt h ec a l c u l a t i o n m e t h o d ，as e r i e so fe x p e r i m e n t so nt h ep e r f o r m a n c eo fa na j 卜c o n d i t i o n e ru n d e r v a “a b l ec o n d i t i o n sw a s n d u c t e di nt h ep s y c h r o m e t r i cm o m s t h ep e r f o n n a n c e so f t h e p i o t ot y p eu n d e rt h e d i f ! f e r e n ti n l e t a j r t e m p e r a t u r eo ft h e c o n d e n s e ra n d e v a p o r a t o la sw e l la st h ed i f f e r e n tf a c ev e l o c j t yo ft h ec o n d e n s e r a 1 1 de v a p o r a t o rw a s m e a s u r e d t h ec a l c u l a t i o n a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a te v a p o r a t i o n p r e s s u r e ，s u p e r c o o l j n g a n d s u p e r h e a td e g r e e ，r e f r i g e r a t i n gc 印a c i t y a n dc o p i n c r e a s ew i t ht h ej n c r e a s eo ff a c ev e i o c i t ya n di n l e ta i rt e m p e r a t u r eo ft h ee v a p o m t o r ， b u tc o n d e n s a t i o np r e s s u r en e a r l yc o n s t a n t w i t ht h ei n c r e a s eo fi n l e ta i rt e m p e r a t u r e o ft h ec o n d e n s e r ， e v a p o r a t i o np r e s s u r e ， c o n d e n s a t i o n p r e s s u r ei n c r e a s e ， b u t s u p e r c o o l i n ga n ds u p e r h e a td e g r e e ，r e f “g e r a t j n gc a p a c i t ya n dc o pd e c r e a s e t 1 l e e x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t et h a tt h e r e sac r i t i c a lf a c ev e l o c i t y w h e nt h ef a c e v e l o c i t yo ft h ec o n d e n s e ri sl o w e rt h a nt h i sc r j t i c a lv e l o c i t y ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e ma n dr e f g e r a t i n gc a p a c i t yc h a n g er a p i d l yw i t ht h ef a c ev e l o c i t yo ft h e c o n d e n s e la n dw h e nt h ef a c ev e l o c j t yo fc o n d e n s e ri sh i g h e rt h a nt h i sc r i t i c a l v e l o c i t y ，t h ei n f l u e n c eo ft h ef a c ev e l o c “yo ft h ec o n d e n s e ro nt h ep e r f o 舯a n c eo f t h es y s t e mi sg r a d u a l l yd i m j n i s h i th a st h eu t i l i t yv a l u et oc h o o s et h ea p p r o p r i a t e f a c ev e l o c j t yo ft h ec o n d e n s e rj nt h ed e s i g no fa i 卜c o n d i t i o n e rs y s t e m k e y w o r d ：a i r - c o n d i t i o n e r ，p e f f o 啪a n c eu n d e fv a f i a b l ec o n d i t i o n s ，s p l i tp h a s en o w m o d e l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景 随着人们生活水平和牛活质量的提高，制冷、空调系统已在全国得剑了普 遍应用，已逐步成为世界上消耗能量最多的一种能耗系统，同时也将具有广阔 的发展前景。 目前我国的房i 、u j 空调器已只备了相当的生产能力，一些空调产品已达到世 界第一。我国生产的空调产品数量虽然庞大，但其能源消耗、材料以及丌发成 本等指标与发达国家相比仍然较高。由于面临着降低空凋器能耗的紧迫形势， 丌发有效的方法以测定空调器性能，从而改进其设计和控制方式就显得尤为重 要。 空调器大部分的时间并小是在设计工况下运行，其实际工作过程是随着其 负荷的变化而动态改变的变丁况过程，因此，研究空调器变工况性能具有实际 意义。只有了解了空调器的变工况性能，才能对其设计和控制方式进行改进。 1 2 研究现状 目前制冷产品的设计丌发模式可以概括为“理论预测+ 实验+ 经验”，其中“实 验+ 经验”发挥主导作用。经验规律的可靠性受多方面因素的影响，适用范围也 常受到限制，实验方法虽然直接、可靠，但产品丌发成本高，周期也长。而计 算机模拟的方法可以在很大程度上克服这一缺点，但是一个模型的合理性往往 需要用实验的手段加以证实。随着科学技术的进步和对空调器性能要求的不断 提高，无论是在空调器仿真技术上还是实验研究上都取得了长足发展。 1 2 1 空调器仿真技术的发展 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。所诮仿真，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学形式表达实际系统的运动舭律。 制冷系统仿真技术的研究始于2 0 世纪7 0 年代初、8 0 年代术，经过二十多年飞 速发展，经历了从单纯的部件模型研究，到适合系统仿真要求的部件模型和系 统模型研究；从稳念、集中参数，到动态、分布参数；从瞬态特性研究，到长 期运行过程的仿真，并且优化和控制相结合这样一条发展途径。 j c h i 、d d i d i o n 及郭宪民【2 l 等分别埘热泵型空调系统的丌停机过程、结霜 和除霜过程动态特性进行了研究，聚用的是均相流模型。j e t e r 川等建立了定速 第一章绪论 热泵与变频热泵的动态模型，获得了c o p 、制冷量等随窄外温度以及运转频率 变化的规律，比较了二者的差异。周兴禧hj 对变频空调器采用不同控制方法的 运行性能建模进行了研究。李学迅1 5 j 建立了家用热泵空调稳态系统模型。对制 冷剂在毛细管内的流动特性作了初步分析探讨，分析了制冷剂流经毛细管时的 温度和压力变化规律，并对“汽化欠压”以及影响“汽化欠压”的因素作了分 析。土成生1 6j 建立了风冷热泵型空调器动态系统模型，并在此基础上将热泵空 调器室外换热器的结霜视为准动态过程建立了制冷系统的动态分和参数模型。 编制了计算程序，用有限筹分法对制冷系统在结霜工况卜i 的动念特性进行了数 值训算。在模型中考虑了室外换热器表面结霜引起风量下降及换热器管排布置 引起空气进口参数变化的影响。通过对制冷系统动态模型的数值求解，得出了 热泵空凋器在各种结霜工况下的动态特性及霜层在窀外换热器上的分布情况。 石文卑- 等人i7 | 在制冷系统仿真的基础上提m 了一种变频空调器的供冷季节能效 比的试验和计算方法。m i n s u n gk i m 等1 8 j 对热泵型冷热水系统建市动态模型，分 析了储液器的尺寸对系统性能的影响。s s a n a y c 等例对蒸气抓缩式空气调节啦 元进行了变_ l 况的经济性分析，分析了蒸发温度、冷凝温度、蒸发器和冷凝器 的换热面积、离心式轴流l x l 机功率和压缩机功率的变化对系统经济性的影响， 认为小型储液器的动念衰减性能显著，而大型储液器在系统储存热水期删会引 起附加的热损失，为优化系统、减少单位制冷负荷所需成本( 设备费和运行费) 提供依据。g i o v a n n ia l o n g o 等对一台封闭的往复式压缩机进行了非稳态模 拟，计算了系统能效和压缩机性能，并验证模型可靠性，对家用封闭往复式压 缩机的设计和丌发具有实际意义。l o n gf u 等1 1 l j 对一台螺杆式宁气一水双模热泵 用“预测校正法”和“自适应积分步长”的方法进行了动态模拟，并验证了模 型的叮靠性。r n n k ( ) u r y 【1 2 】对蒸气压缩式制冷系统分别建立了稳态和动态数学 模型，研究了压缩机电机转速、节流阀断面面积对过热度的影响，并通过两模 型的比较验证了模型的合理性。y u n t i n gg e 吲对以r 2 2 和r 4 0 4 a 为工质的小型 风冷冷凝器进行了稳态模拟，该模型可以得到空气侧和制冷剂侧参数的三维变 化，对于优化设汁和丌发新的控制方法是非常有意义的，并且可以对使用不同 ：质的冷凝器进行性能比较。 1 2 2 房间空调器实验研究现状 王成生1 7 】住焓筹法窄调器性能实验台上对一台风冷热泵空调器在结霜工况 下的性能进行了实验研究，测量了该空调器在1 i 同室外温度、湿度条件下制热 量、性能系数、结霜量随运行时问的变化及室外换热器壁面温度分布，在此基 础上分析了进j x l 温、湿度对室外换热器表面结霜晕：及热泵空调器性能的影响， 初步探讨了热泵空调器审外换热器表面的结霜条件。姬长发、刘顺波1 1 4j 通过实 第一章绪论 验研究了变频空调器工作过程中系统内制冷工质的分布规律。伍光辉、吴克启 | l5 】进行了定格能力、最火负荷运行和除霜实验的研究，为空调器设计提供依据。 翁文兵等以节流阀的水力学公式为基础，通过试验的方法研究阀的，i ：度、节 流前后址差、压比、出口r 度以及节流前后压力对电子膨胀阀的流量特性的影 响。董艳华等【1 7 】对m 冷热电空调器的热电材料的优值系数和热电空调器热端的 传热系数对空调器性能的影响进行了实验分析。赵蕾1 1 8 l 对房间空调器进行了一i 质替代的实验研究，分析了r 4 0 7 c 空调器性能。王懿等在变频空调特性实验 台上研究了变频空调系统变工况特性。t a n a k a 等【2 0 | 首先实验研究了启停过程中 制冷剂在各部分中的分布。葛云亭等通过对一台幽产k c 一2 0 窗机的实验研究， 得出正常制冷丁况范围内，制冷量、耗功率、c 0 p 等随室内、外空气参数变化 的曲线。l i l e s 口2 】在环境实验中对一台使用变频电源供电的热泵性能进行了试验 研究，获得了不l j 供电频率下热泵的c o p 值随室外温度变化的曲线，指出变频 调速热泵可取的2 0 一3 0 的节能效果。s e n s h u 等【纠根据d oe 1 2 4 1 提供的方法， 在当时东京气象条件下，比较了涡旋压缩机热泵与定速往复压缩机热泵的耗能 情况，由于涡旋式压缩机的效? 钙较高，因而得到的汁算结果是变频热泵的年节 能率为2 9 。美国o a kr i d g e 国家实验室m i l l er l ”j 的试验研究指出，通过压缩 机及室内风机变容控制，变频热泵比优化控制的定速热泵年节能1 5 2 0 。 7 f x l i 等对由j 2 2 和k 1 4 l b 组成的非共沸混合工质热泵进行了实验研究，得 到结论：当蒸发器进l 】水温、冷凝器进u 和出口水温分别为4 0 、7 0 和8 0 ，r 2 2 的摩尔成分为7 5 时，系统性能系数达到最大值。z h i q i a n gl i u 等1 2 7 j 对窄气源热泉热气除霜_ 丁况进行了实验研究和动态模拟，分析了除霜时间对吸 气压力、排气压力、压缩机耗功的影响。j o n g m i nc h o i 等【2 8 j 实验研究了以r 4 0 7 c 为工质的热泵系统膨胀装置变工况性能，分析了变工况下制冷剂的充灌量对分 别以毛细管和电子膨胀阀为节流装置的制冷系统性能的影响。j m s a i z j a b a r d o 等刈变容量空调系统进行了理论与实验研究，分析了压缩机转速、 蒸发器回风温度和冷上口空气温度对系统性能参数，如制冷量和c o p 的影响。 s h u a n g q l l a ns h a o 等对变频卒调器的压缩机进行了理论与实验研究，并将几三 缩机的输入功率、韦0 冷剂质量流率和性能系数的计算值与实验值进行比较。 总的来说，国内外研究者对空调器变l ：况下的性能进行了比较充分的理论 模拟，而实验研究资料相对较少，因此，本文进行了空调器变工况性能的理论 与实验研究。 1 3 本文所做的主要工作： 水文的研究对象为一设计制冷量为6 k w 的r 2 2 柜式风冷热泵空调器，系统 要由滚动转子压缩机、j x l 冷冷凝器、毛细管及j x l 冷蒸发器组成。 笫一章绪论 本文所做的主要工作如下： 1 3 1 建立空调器制冷系统的稳态分向参数模型。模型中考虑了制冷剂在毛细管 中的“闪点延迟”现象与“壅塞流”现象，换热器两相区采用分相流模型。 1 3 2 以质量平衡为收敛准则，采用顺序模块法，求解空调器数学模型，分析蒸 发器进口空气温度、冷凝器进口空气温度等 j 扰参数及蒸发器风机转速、 冷凝器风机转速等控制参数对蒸发压力、冷凝压力、过冷度、过热度及系 统性能的影响。 1 3 4 利用焓差法空调器性能实验台提供的室内外环境，通过实验研究蒸发器进 u 空气温度与冷凝器进口空气温度等干扰参数及蒸发器风机转速、冷凝器 风机转速等控制参数对蒸发压力、冷凝压力、过冷度、过热度、制冷量及 c ( ) p 等系统性能参数的影响，并j 数值计算结果比较，验证模型的可靠性。 在模型的建立中，本文的创新之处在于采用分相流模型建市换热器模型时 考虑了换热器前后排交错布置对进风温度的影响，使换热器的模型更接近于实 际情况。同时，对一台风冷热泉空调器在多个制冷工况下的性能进行系统的实 验研究，深入分析各干扰参数和控制参数对空调器性能的影响，为空调器的优 化设计打f 基础。 第章空调器系统数学模1 1 的建立 第二章空调器系统数学模型的建立 本文的研究对象为台小型房间窄调器，其冷凝器和蒸发器均为翅片管式窄 气换热器，节流装置为毛细管，压缩机为滚动转子压缩机。 本文采用分布参数的方法建立冷凝器、蒸发器和毛细管的稳态仿真模型，采 用参数拟合的方法建立压缩机的稳态仿真模型，并以整个系统的压力平衡、能量 平衡以及质量平衡为约束条件使其有机地结合起来，构成整个制冷空调系统的仿 真模型。 换热器( 蒸发器、冷凝器) 是制冷空调系统中的主要传热部件，其传热系数不 仪直接影响系统的性能，还影响系统的经济性。因此，对建立合理的换热器模型 是制冷系统仿真的一个工作重点。目前换热器模型主要有集中参数模型和分布参 数模型。 集中参数法是将换热器视为个结点，所有分布参数都被平均化，因此，这 类模型是最简译的一类换热器动态模型。在早期的制冷空调装置研究中，山于计 算机水平较低，这类模型常被研究者所采用。分布参数法则将换热器划分为许多 个控制容积，对每个控制容积按集中参数建模；或者直接对偏微分方程进行离散 化。存分析j 参数模型中，根据研究的换热器类型或研究h 的，仍可细分为一维、 二维或三维分布参数模型。从系统仿真的角度来看，分布参数模型的计算量大、 计算稳定性差，町用于研究，但不适合实时控制系统。本文采用分布参数法建立 蒸发器和冷凝器的数学模型。 2 1 冷凝器数学模型 制冷剂在冷凝器中的流动过程一般经过三种状态：过热状念、两相状态和过 冷状态。存内部质量流动及传热机理上，两相流与单相流存在很火的不同。本文 研究冷凝器管内】：质在两相区的流动和换热特性时将采用分相模型，即将制冷剂 气相和液相流动看作气液各自分丌的流动，每相介质有其独立的流动特性参数， 分月0 对每一项建立各自的流体动力特性方程。具体建模时，则对于两桐流动的1 i 同流型，通过准则数f r 、w e 的不同组合进行判别，并分别建立相应的模型。这 样建立的模型提高了计算的精确性，但模型及数值计算均比较复杂。 为了在满足工程精度要求的前提下简化计算，本文做出如卜假设：【”1 p 2 】 ( 1 ) 制冷剂在管路中作维轴向流动。 ( 2 ) 在任何流动截面l ：气、液压力相等。 ( 3 ) 气液截面上的凝结量以液相流速流动。 第一章空调器系统数。学模型的建立 ( 4 ) 对水平管不计重力的影响。 ( 5 ) 只考虑制冷剂与管壁之问，管壁与空。i 之间的径向热量交换，不计轴 向的热传递。 2 1 1 管内制冷剂流动的分区和两相区流型的划分 如前所述，制冷剂在冷凝器管内的流动可分为三个区：过热区、过冷区和两 相区。过热蒸气和过冷液体都处于单斗月区，所以建市模型的方法相似，归结为单 相区部分。在两相区中，根据制冷剂管内质量流速及热流密度等条件的不同，又 存在着不同的流型【3 3 】，一般来说可能存在雾状流、环状流和波状流三种流型。在 雾状流段，气相为连续相，液相以离散状液滴的形式分布于气相之中；在环状流 段，液相以液膜状在管壁面上流动，气相则集中在管子中心部位流动，形成比液 膜流得更快的汽柱；在波状流段，气液两相呈分层流动，气相集中于管，卜- 部流动， 液卡h 沿管下部流动，当气相速度增加时，在气液分界面上会形成波浪【3 4 1 i 站1 1 3 6 】。 本文对二三种流型分别予以建模。 在雾状流段，主要有两种力在起作用，一种是气相的惯性力，一种是表面张 力，总的受力是这两个力的甲衡。这种平衡用韦伯数w e 表示，雾状流在质