（制冷及低温工程专业论文）空气源热泵结霜除霜特性的数值模拟与实验研究.pdf

摘要 本文用数值模拟的方法研究了结霜工况下空气源热泵机组的动态性能，对其 在结霜工况下的性能及除霜过程进行了实验研究，探讨了室外换热器结霜对机组 性能及除霜过程的影响，这对热泵空调器的除霜控制和优化设计具有重要的意义 和史用价值。 将窄外换热器的结霜视为准动态过程建立了制冷系统的动念分加参数模型， 并用有限差分法对数学模型进行了数值计算，得出了热泵空调器存各种结霜工况 】j 的动态特性及霜层在室外换热器上的动态牛k 规律。数学模型中换热器采用分 棚流模型，毛细管采用均车h 流模型，并考虑了“闪点延迟”和“壅塞流”现象的 影响，同时在模型中考虑了室外换热器表面结霜引起风量下降及结霜过程与制冷 系统循环参数的相旺影响。 利用焓差法空调器性能实验室提供的室内外环境建立热泵空洞器结霜性能 实验台，研究了热象空调器结霜工况卜的动态性能及除霜性能。实验中测量了结 霜量、制热量、霜层厚度等参数随时川的变化及寰外换热器壁面温度分布，住此 基础上分析了环境参数及入口风速对霜层厚度、结霜量、总制热量、总能效比及 除霜性能的影响。实验结果表明，室外换热器结霜量随时间线性增l ：! = = ，而翅片表 面霜层厚度则分为初始阶段、匀速增长段和快速增长段一- 个阶段；对丁f i 同进胍 相列湿度工况，蒸发器均在进i i ) ( l 温度0 3 附近时结霜最为严重，日斗盯寸湿度对 霜层厚度的影响要人于对结霜量的影响。随着进风相对湿度的减小，每次除霜所 需的时间和除霜耗功增加，但结霜周期也相应增大，故使总制热量和总能效比增 加。同时，实验结果表明：存在一个使除霜时间和除霜耗功最小的蒸发器迎面风 速，对于试验样机，蒸发器进口风速为1 3 m s 时除霜时间和功耗最小。 关键词：空气源热泵，结霜，除霜，霜层厚度，结霜量 a b s t r a c t l nt h i sp a p e rt h ed y n a m i c a lp e l 7 f o r m a n c eo ft h ea i rs o u r c eh e a tp u m p ( a s h p ) u n d e rf r o s t i n gc o n d i t i o nw a si n v e s t i g a t e da n de x p e r i m e n t a l l ya sw e l la se x p e “m e n t a l s t u d yo ft h ed e f r o s t i n gp r o c e s so ft h ea s h pu n j t ，t 1 1 ed e e p e rk n o w l e d g ea n db e t t e r u n d e r s t a n d i n go ft h ee f l l e c t so f t h cf i o s to nt h ep e r f b r m a n c ea n dt h ep r o c e s so fd e f r o s t i so fi m m e n s ei m p o r t a n c et ot h e d e f r o s t i n gc o n t r 0 1 a n dl h eh e a t p u m ps y s t e m o p t i m j z a t i o n r e g a r d i n g t h ef j o s ta c c u m u l a t i o no nt h eo u t d o o rh e a t e x c h a n g e r a sa q u a s i d y n a m i cp r o c e s s ，t h ed y n a m j cd i s t r i b u t e dp a r a m e t e rm o d e lo ft h er e f r i g e r a t i o n s y s t e mw a sp r e s e n t e d ，a n dt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo f t h ea s h pu n i tu n d e ff r o s t i n g c o n d i t i o n sw a sp r e d i c t e db yu s i n gf i n i t ed i f f e r e n c e m e t h o d ， a n dt h ed y n a m i c p e r f o r m a n c eo ft h ea s h pu n i tu n d e rf r o s t i n gc o n d i t i o n s t h es p l i tt w o p h a s ef l o w m o d e lw a su s e di nt h eh e a t e x c h a n g em o d e l s i ni h ec a p i i l a r yi u b em o d e lt h e h o m o g e n e o u sa s s u m p t i o nw a se 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 e c h o k e df l o ww e r ej n c l u d e d i nt h es y s t e mm o d e l t h ed e c r e a s eo f t h ea i rf i o wr a t ed u e t of i o s t i n go fo u t d o o rh e a te x c h a n g e r ，a n dt h ei n t e r a c t j o n a le f f e c to fi h e f r o s “n g p r o c e s sa n dc y c l ep a r a m e t e r so ft h er e f r j g e r a t i o ns y s t e mw e r ec o n s j d e r e d at e s t s e t u pw a se s t a b l i s h e di n t h ep s y c h r o m e ir j cr o o m st oj n v e s t j g a t et h e d y n a m j cp e r f o r m a n c eu n d e rf r o s t j n gc o n d i t i o n sa n dd e f r o s i i n gc h a r a c t er i s t i c so fa n a s h pu n i t t h et r a n s i e n t h e a t j n gc a p a c i t 弘c o ef r o s t i n ga c c u m u l a l i o n ， f r o s t t h j c k n e s sa n dw a l lt e m p e r a t u r ed j s t r j b u l i o na l o n gi h et u b e so ft h ee v a p o r a t o rw e r e m e a s u r c d b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ee f f e c t so ft h eo u t d o o re n v i r o n m e n t a l p a r a m e t e f sa n dt h ef a c ev e l o c i i yo fi h ec v a p o r a i o ro nt h cf r o s ia c c u m u l a t i o n ，f r o s i t h i c k n e s s ，t o t a lh e a t i n gc a p a c j t y ，t o t a lc o pa n dt h ed e f r o s t i n gp e r f b r m a n c ew c r c a n a l y z e d t h ee x p e “m c n t a lr c s u l t si n d i c a t et h a it h ef m s ta c c u m u l a t j o nm a s si n c r e a s e s “n e a r l yw i t ht h ef r o s t i n gt i m e ，b u tt h eg r o w i hr a t eo ft h cf r o s tl h i c k n e s sc o u l db e d i v i d e di n t ot h r e es t a g e s ：j n j t i a ls t a g c ，c o n s t a n ls p e c ds t a g ea n ds h a 。p l yi n c r e a s i n g s t a g e a tt h em e a n t i m e ，i tw a sf o u n di h a tl h ef r o s tf o r m a t j o nr a i ej sm a x j m i z c dw h e n t h eo u t d o o ra i tt e m p e r a i u r ei sa b o u t0 3 f o rd i f f e r e n to u t d o o ra j rr e l a t i v eh u m i d j t y ， a n dt h ce f f e c to fi h cr c l a t i v eh u m i d j t vo ni h e2 r o w t hr a i eo ff r o s tt h j c k n e s sw a sm o r e t h a no nt h a to ft h ef r o s ta c c u m u l a t i o n t h ei o t a lh e a 【i “gc 8 p a c i l 弘i o i a lc op 1d e f r 。s t i n gl o s s a n dd e f r o s t i n gt i m ei n c r e a s ew i t ht h ed e c r e a s eo fi h eo u 【d o o ra i rh u m i d i t ya tl h cs a m el i m e ， e x p e “m e n t a lr e s u l t si n d j c a t ec h a tt h ed e f m s l i ”gl o s sa n dd c f r o s l i n gi i m ea r em i n i l m i u mw h e n 1 e f a c ev e l o c i i vo fi h ee v a d o r a i o rj s 1 3m sf o fi h et e s i e da s h pu n i ts m a l i e s f ，【h er e a s o ni si h a li h e i 沁y w o r d ：a i rs o u r c eh e a tp u m p ，f f o s t ，d e f r o s t ，f r o s tt h i c k n e s s ，f r o s ta c c u m u l a t i o n 第一章绪论 1 1选题背景 第一章绪论 能源是一个t 业化社会的基本需要，然而很多常规能源总是要枯竭的。近几 _ | 年来，由于能源危机和矿物能燃烧过程对生态环境的污染，使得人们对牛产、 生活中的节能和环保问题十分关注。而随箫工业化程度的进展，建筑能耗已成为 总能耗的重要组成部分。存不同的、不断变化的气候条件下，人们为了获得适宜 的生活和工作环境，就需要采取建筑维护和供暖制冷等技术措施，并耗用人量能 源。据美、英等发达固家统计，其建筑能耗l 叶全困总能源的3 0 以上，而窄调能 耗又占建筑能耗的6 5 ，如今建筑节能足一个世界性的人潮流，也是现代建筑 技术发展的一个基本趋向。而在建筑空调与采暖中如何充分有效地利用各类能 源，刈降低能耗，合理使用能源有卜分重大的意义。 f 1 前，我国经济正在迅速发展，人民生活水下r 1 益提高，人们对舒适的需求 也愈加迫切，从而使建筑能耗，尤其是窄调能耗快速增k ，这对我日能源供应造 成了一定的从力。当i d 整个社会对能源的丌发和利用都卜分重视，凶此热泵作为 一种新型的节能装置，为人们所瞩目。因为热泵是j 以利用低品位热量的系统， 它可以用大气及土壤中的太阳潜能以及地下水、地表水的地位热能和工业污水废 热等替代商品能源，实现空调的冬季供暖和夏季供冷。而且热泵可以用电力驱动， 采用热泵原理吸收室外热量向室内供暖，与利用锅炉相比，相当十将污染从热泵 使用地转移到了发电厂所住地，同时由于发电厂具有较高的污染控制水平，采用 热泵技术也减少了环境污染，冈而可以况热泉是一种环保上l 高效节能的空调产 品。 国际上，热泉的研究i 应用经历了较长的发展过程，美罔白1 9 4 5 1 9 5 0 年就 开始了热泵方而的研究，这期问受到两次能源危机的影响，石油价格上升，给热 泵的发展注入了活力。西欧各国主要致力r 大型热泉的丌发。j 研究，对利用大型 热泵供热装置调节区域供暖的欠峰负荷1 常重m ，取得了很人的成绩。h 本是热 泵技术和市场发展最快的日家之。这是“j 于| _ i 奉的能源十分贫乏，政府面临能 源稳定供成和高效利用的双重任务。在1 9 7 ： 争l9 8 2 rl ( ) 年涮，总能耗对罔民 生产总值的比值l 、降了3 0 。这个成绩的取得，热象技术的发展起到了重要作用 【2 1 口 我国埘热泵技术研究始丁j o 年代，主要应用舀建筑市场和1 业卜产过程， 8 0 年代初改革丌放以柬，更是得到j 迅速发展。近几勺：田内的一些厂家、研究 第一章绪论 所以及各大学对热泉进行了广泛的研究，取得了不少的成果，牛产出了一批又一 批的新产品，尤其是家用热泉在我国i 分普及，热泉产量逐年递增。 风冷热泵在结霜j ：况下运行时，随着霜层的厚度小断增加，逐渐覆盖整个蒸 发器，使霜层导热热阻不断增加，严重破坏了空。i 与制冷剂之间的换热，使蒸发 器的换热量大大减少吼因此，每隔。段时间必须除霜以确保风冷热泵的f 常运 行。但是，除霜也不能过丁频繁，因为风冷热泉通常采用逆向循环即制冷循环除 霜，在除霜过程中，室内不但得不到热量，而且在下个制热循环时还必须用一 部份热量把蓄存在换热器的冷量消除掉，这两个冈素都使供热量减少。冈此，找 到一种最佳除霜控制方案，合珲确定除霜周期，对提高风冷热泵的性能至关重要 的。冈此本文对风冷热泵进行实验和模拟研究，对结霜除霜题进行理论分析是 十分有意义的。 1 2 研究现状 关于热泵和低温装置的结霜除霜问题，从7 0 年代丌始，国内外学者从结霜 的机理及霜层的增长、平板以及翅片管换热器的结霜问题、热泵窄调器和热泵机 组的除霜及其摔制方法等方面进行了大量的研究_ l 作。近年来国内外对丁结霜与 除霜问题的研究进展丰要表现在以下几个方面。 1 2 1 制冷系统仿真技术的发展 郭宪民等1 4j ( 1 9 ) 建立了结霜工况下直接蒸发式空气冷却器的计算模型， 其模型分别建立了空气与制冷剂的平衡关系式，较全面的分析了翅片管表而结霜 对蒸发器传热和阻力特性的影n 虮但他们认为制冷剂在管中流动时物性不变，蒸 发器完全处于制冷剂的两相区，忽略了过渡区和过热区的存在。k a ri s m a i l l 5 1 ( 1 9 9 5 ) 研究了湿7e 流中网柱体外霜层增长，建0 ：了一维模型评价霜层的局部 生长特性。流场的控制方秤采用涡量和流函数，然后用求解霜增长的t w o s i a 鲇模 型束预测当地霜性能。r l eg a l l 叶1 9 9 5 ) 建立了湿空气中冷表面l 一霜层增i 丈及 稠化作用的一维瞬态公式。k w a n s o ok e l7 j ( 1 9 9 7 ) 建立了一维平板冷表面霜层 模型，考虑了前层。 r 水分子的扩散及水蒸气的升华热，霜层中的生热用水蒸气密 度及吸收系数表示，与实验数据进行比较，结果一致。k a ri s m a i l | 8 1 f 1 9 9 9 1 模拟 了平行冷扳上结霜模型。黄虎卜”l ( 1 9 9 9 2 0 0 1 ) 采用动态分枷参数模型对中大 型的胍冷热泵冷热水机组进行了从丌机到结霜以及进行除霜的动态仿真在建立 机组除霜过程动态方真的数学模型时，采用了质量引导法对模型进行求解，在处 理两相区时采用了均牛h 流模型。h ( ) n gc h e n 【1 2 】( 2 0 0 0 ) 理论模拟了结霜工况下风机 驱动月j 片换热器肚能。r j ny u n 【1 3 j ( 2 0 0 0 ) 对空7i 横掠平板上的霜牛长及霜物性 第一章绪论 进行了理沦分析，测得了霜粗糙度并拟合平均霜粗糙度经验公式。，传热传质系数 用包含霜粗糙度及紊流附向层厚度影响的修正p r a n d t l 混合模型计算。霜导热系 数用联合求解霜层内空气和霜导热方程的方法计算，用此模型可求解热质传热系 数。p e d r oj m a g o ( 2 0 0 3 ) 建立了过饱和和结霜条什卜叉流柱向_ | ：的热质传递的 半经验模型。发展了计算过饱和湿空气，特别是低温下混窄气性质的程序，可以 预测搿管结霜量、霜沉积及盘管热流、霜后及霜表面温度，以及其他盘管霜层的 重要参数。b y e o n g c h u in a 【1 5 j ( 2 0 0 3 ) 建立了霜生长速度的新模型。模型假定霜7i 界而上水蒸汽为过饱和，改进了霜导热系数公式，使用合理的i o n u o s i t vf a c t o l 计算当量霜密度变化，实验与数值计算霜层生长速率相比较，误差在1 5 以内， 过饱和模型与以前的研究者的实验数据进行了比较，发现过饱和模型比假定结霜 表而饱和的分析模型要好。d c n i zs e k c r l l 6j ( 2 0 0 3 ) 数值模拟了翅片管换热器的 结霜。计算了窄气侧动态热质传递系数，氟侧换热系数，空气一霜界面温度、换 热表血效率及结霜量，比较了不同空气进口温度，相对湿度，空气流量及制冷剂 温度下的总传热系数及空气阻力。姚杨1 1 7 j ( 2 0 0 4 ) 、刘风珍( 2 0 0 4 ) 、刘志强 等人【l 叫( 2 0 0 4 ) 对结霜工况卜空7 i 源热泵蒸发器性能进行了模拟和分析。c p t s o j ( 2 ( ) ( ) j ) 建立了结霜工况下翅片管换热器性能预测的改进模型，霜厚沿翅片 发展了霜沉积分伟模型，翅片管换热器方程来自非稳态利准动态两类，霜沿翅片 的变化被考虑进模型中，与已有数据比较了结霜量、压降及能量传递系数。 d o n g k e u ny a n g 卜“( 2 0 0 5 ) 研究了冷表而上的结霜特性，并建立了预测冷板卜的霜 物性及霜层内热质传递的数学模型。湿空气层流流动方程及当地霜物性晌经验公 式被用米预测霜层增k 。与文验结果比较误差小于l o 。 1 2 2 结霜机理的研究 对结霜机理的研究有助于从物理本质上更好地分析影响纬霜的因素，从而延 缓或抑制结霜的措施。g j t r a m m e h ，e t c ( 1 9 6 7 ) 采用光学系统校正结霜表面与基 准面水平，确定霜层厚度，然后通过测量霜层对放射源射线的吸收量和霜层厚度 确定霜层密度。j o n e sbw ，p a r k e rjd ( 1 9 7 5 ) | 2 3 1 存多孔介质模型的假设下，建立了 处理变环境条件下霜层发展预测的模型。y u i i r oh a v a s h i ，a o 虹h i r o s h j y o h a r a ( 1 9 7 7 ) 【= 4 j 用显微镜摄影的方法研究r 霜层的形成过程，将霜层增长过程分 为品体发展、霜层发展利肃层充分发展二个阶段，并以霜柱模型建立了霜层发展 模型，可用米预测霜层的厚度和结霜速度。h a v a s h jk ，a o k ik ，a d a c h is e t a l ( 1 9 7 7 ) o 圳根据不l j 发展阶段的霜柱与窄气混合的霜层结构模型，提出了计算 霜层有效导热系数的算法。s c h k e i d e r h w f l 9 7 8 ) 基于晶体增长理论，提出了舟 冷表面上霜层增 ：= 速度的方法。李波，潘延龄( 1 9 8 2 1 【1 7 】应用统讨。物砰和热力学 理论建赢了冰核形成增长的模型，并研究了影u 向冰核生长的因素。r w b e s a n t 第一章绪论 e t c ( 1 9 9 0 ) p 州采用小功率激光装置测量霜层厚度，并获得平板结霜的相天天系式。 1 t m a oe t c ( 1 9 9 1 ) 俐【3 0 j 采用可移动的采样圆盘测帚霜的密度。y bk e 川( 2 0 0 1 1 实验 研究了叉流水平柱面的结霜。测量了霜厚和湿度分布，求出了当地热流密度和霜 层当量导热系数，发现柱体前后霜层比卜- 卜霜层厚。c h i n - h s i a n g c h c n 2 1 ( 2 0 0 2 ) 实验研究了气流中冷板卜霜的形成及晶体生长，研究了大气中冷板表面霜厚的窄 州变化及霜品模式。实验测量了平板前沿霜厚的二维变化，观察了霜晶生长，并 用显微照千h 系统来观察霜层的结构。b y e 。n g c h u ln a 吲( 2 0 0 3 ) 研究了影响霜成 模凼素，冷表面结霜成模过程的理论分析表明冷表面f ：空7ij 、z 达过饱和状态才能 形成霜模，理论预测与实验结果进行了比较，二肯非常致。对翅片管换热器霜 层厚度的测量就更加困难，有的研究者提出采j _ j 数宁图象处理技术定量测量结霜 厚度的分布情况1 3 4 】；也有的研究者采用测量进出口空气含湿量差和空气流量的方 法问接测量结霜量冈：还柯的研究者采用融霜称重的方法测量结霜量【3 7 1 。 1 2 3 结霜对热泵性能影响的研究 b a x t e rvd ，m o g e r sjc ( 1 9 8 5 ) 2 “j 对。台气一气热泵进行了连续两年的现场测 试，获得了结霜、除霜对季节能效比的影响。t s e n s h ue t c ( 1 9 9 0 ) m l 对结霜i ：况下 热泵系统性能进行了实验研究，结果表明结霜后空7e 侧的换热系统变化很小，系 统性能的衰减足因为恶性循环造成的：霜层阻塞号致蒸发温度下降，蒸发温度下 降导致结霜加剧，结霜加剧又导致霜层阻塞加剧。黄虎等l ”。3 k j 风冷热泵在结 霜工况卜的运行进行了实验和理论研究，建立机纽动态仿真模型，并讨论了提高 结霜工况下的性能途径。m j c h e j ev i o ( 1 9 9 9 ) 从热泉运行的实际情况入手，分析 了影响热泵能效的主要剧素，分析了室外空气温度，湿度对热泉机组运行中能效 性能的影n 吼同时引入时间概念，确立除霜技术存热泵冬季运转过程中对能效性 能的绝对影响，从而对现有的除霜技术进行分析比较，引入了智能除霜的新技术。 士剑锋等人( 1 9 9 9 ) 建市了空气源热泉动态结霜过程的物理模型，列热泵机组 在结霜工况卜的供热特性和霜在空7i 盘管翅片表面的集聚过程进行了动态模拟， 分析了环境温度、翅片问距、管排数对结霜特性和机组供热性能的影l l 由。姜益强 等( 2 0 0 0 ) 【4 刮分析了窄气源热泵结霜特性，提出了结霜量指标和相对结霜量的概 念。谷波等( 2 0 0 1 ) m 对风冷热泵制热运行时结霜的凶素进行了总结分析。w e im o n y a n l 4 h ( 2 0 0 2 ) 实验研究了结霜i 况下翅片管换热器性能，1 i 同的温度，相刈湿度， 风速等条件下测量了制冷量、总换热系数和爪降。d e n i zs e k e r ( 2 0 0 3 ) 实验 研究了翅片管换热器的结霜特性，比较了总传热系数及压降。w e i 一n y a n p u l ( 2 0 0 5 ) 实验研究不同翅片类型的肋片管换热器性能，讨论空气流量，相对 湿度，制冷剂温度及翅片彤，对换热器热力、流动性能的影响，提供了热流密度， 总传热系数及压降随时问的变化。郭宪民【5 1 】旧( 2 0 0 6 ) 等人对窄气源热泵蒸发 第章绪沦 器表面结霜特性及对机组的影响进行了数值模拟和实验研究。 1 2 4 除霜方式及除霜控制的研究 除霜过程是制冷热泵系统在短时问内发尘急剧变化的动态过程，机组的除霜 性能是衡量机组能甭在低温条件下工作及低温特性优劣的关键。对制冷和热泵系 统除霜的研究具有重要意义。e k u w a h a r a ，t k a w a m u r a ，m t a m a z a k i ( 1 9 8 6 ) 吲就如 何缩短热泵空洞器的除霜时叫进行了实验研究，通过系列的改进措施，存相同 的环境条件f ，使除霜时问从原来的4 分钟减少到1 分5 5 秒。d l o n e a l ， k t p e t e r s on - n k a j l a n d ，s s c h l i e s i n “1 9 8 9 ) 1 5 4 】采用实验的方法研究了反循环除霜 过程中制冷系统的动态特性，获得了反循环除霜过程r r l 压缩机功率、系统巾主要 部件内制冷剂压力和温度、制冷剂流量等参数以及换热器表面融霜状态随时问的 变化。w d r i nn u t t e ld l o n e a l ，w v a n c ep u 印e ( 1 9 9 0 ) 【5 5 】研究了气液分离器对使 用涡旋压缩机的空气源热泵结霜、除霜性能的影响，认为涡旋压缩机热泵系统不 装7i 液分离器j 缩短除霜时削。d l 0 n e a l ，k u r tp e t e r s o n ，n k a j l a n d ( 1 9 9 1 ) 川研 究了不同节流孔径有利于缩短除霜时问。史剑春【5 7 l 对采用双热力膨胀阀的热泵系 统，除霜时_ = j 专用热力膨胀阀i 。作的除霜特性b 毛细管节流系统的除霜特性进行 了刘比实验研究，结果表明，采用专用热力膨胀阀的系统在除霜时无明显的低压 衰减现象，并且高压建市的比较快，缩短了除霜叫问提高了机组的可靠性。 综上所述，在热泵发展的儿十年来，人们列热泵系统进行了人量理论与实验 研究，结霜对换热器和制冷系统性能的影u 向，除霜等方面进行了很多卓有成效地 工作，但从同前的文献米看，结霜理论和制冷系统的研究还是两个孤市进行的研 究领域。许多学者在研究结霜动态特性时，总是假设冷表而的温度保持恒定或者 蒸发温度定1 5 8 】；而有的学者虽然足对制冷系统进行深入的分1 = j 亍，却总是叫避结 霜工况这一难点| 59 | ；有的学者试图将两者结合起来，但是他们采用的方法却假设 结霜是一个稳态过程，对制冷系统也采用稳念处理。有关除霜过程的仿真方面， 所做的研究工作较少，在仿真模型中没有考虑从四通阀切换到高低压侧压力再平 衡这动态变化过秤。在实验方面，由于缺乏适应。 j 大型风冷热泵系统的人工环 境，实验研究则更娃不足。 1 3 本文所做的主要工作： 本文的研究对象为高静压管道式风冷热泵空悯机，系统主要由涡旋压缩 机、风冷冷凝器、毛细管及风冷蒸发器组成。对陔热泉样机本文所做的主要工作 如卜： 第一章绪论 1 3 1 建立热泵窄调器制冷系统的稳态分布参数模型，并在此摹础上建立结霜工况 下热泵窄调器的准动态模型。其中计及毛细管的“闪点延迟”、“壅塞流”现 象，换热器两相区采用分相流模型，并考虑了换热器结霜刈风量的影响及换 热器前后排管几结霜及换热器性能的差异。 1 3 - 2 采用顺序模块法求解热泵空调器在冬季结霜工况下运行的动念模型，用数 值计算方法求解结霜量、翅片温度、冷凝压力、蕉发压力、制热量、c o p 等 随结霜时问的变化，利用所得结果，分析结霜刑系统性能的影n 向。 1 3 - 3 利用焓差法空渊器性能实验室提供的室内外j 不境，建立热泵空调器结霜性 能实验台，研究热泵空渊器结霜工况下的动态性能及除霜性能，实验中测量 了结霜量、制热量、霜层厚度等随时问的变化。霜层厚度采用显微照相法测 最，并分析环境参数及j x l 速对结霜厚度、结霜量及除霜性能的影响。 奉文的创新之处在于：1 采用显微照相技术测量结霜厚度，并深入分析了各 种剀素对霜层厚度和结霜量的影响；2 对一台风冷热泵空凋器进行了除霜性能的 实验研究，并深入分析了进风温度和相刈温度对结霜及除霜性能的影响。3 ，事外 换热器变风量刈结霜厚度、制热量、c o p 等参数的影响。 第章空气泌! 热泵空凋器系统数1 学模刑 第二章空气源热泵空调器系统数学模型 热泵空调器主要由四大部件组成：冷凝器、蒸发器、毛细管及压缩机。卜而 就四人部件分别建立其数学模型。 2 1 压缩机的数学模型 就制冷系统仿真而言，压缩机数学模型的建曲：主要有两种方法【，一种是从 压缩机效率入手建模，采用指示效率、机械效率、电机效率和输7i 系数四个指标 说明压缩机的实际性能，根据这几个指标i u 以得出压缩机电功率、质量流量等参 数。这种方法比较直观，而可以了觯压缩机件能与结构的火系，对研究压缩机的 性能足必不j 少的方法。f h 是，采用这利，方法所涉及的参数较多，比如，输气系 数中又包含容积系数、压力系数、温度系数、j h f 漏系数等，而日必须得考虑些 经验资料，这将使计算精度得不到保证。另外，这种方法所需的一些参数，特别 足压缩机结构方面的参数难以获得。由于这些原因，一些学者撇丌爪缩机的内部 结构以及压缩机的种类，用类似“黑箱”的方法研究压缩机的性能。这种方法只 考虑肌缩机的功耗、用制冷剂流量和蒸发温度、冷凝温度、吸气过热度等的火 系，根据压缩机实验资料( 性能曲线) 来建市压缩机模型。文献【6 1 j 中的空渊器 的压缩机模拟就是用这种方法来建模的。 由丁本文的研究目的不在于1 | ：1 i 缩机本身，不对其进行过多深入的探讨。另一 方面，山于条件有限，很难获耿涡旋压缩机的内部结构尺寸，所以本文采用第_ 种方法来建立模型，即在保证计算精度的前提卜以厂家提供的压缩机实验数据拟 合得出涡旋压缩机的性能曲线。本文实验用压缩机为西安庆安有限公司牛产的 j t l 6 0 b c y 1 l 涡旋压缩机，其性能参数如表2 1 、表2 2 、表2 3 所示。 表2 一l压缩机制冷量 冷凝温蒸发温度( 。c ) 度( 。c ) 2 01 51 07 6- )0)1 01 5 3 5 5 87 29 01 0 d1 1 01 3 ，41 6 1l g 0 ， 4 5 6 48 o9 31 0 01 2 11 d 51 7 3 52 0 5 5 5 7 08 18 81 0 81 3 o1 5 6 21 8 7 第一章卒气源热泵卒阔器系统数学摸刑 农2 2 乐缩机耗功率 ( w ) 冷凝温蒸发温度( 。c ) 度( o c ) 2 01 51 07 65051 01 5 3 5 2 9 5 03 0 0 03 0 5 03 1 0 03 1 2 03 1 5 03 1 7 53 2 0 03 2 0 5 4 5 3 6 5 03 7 2 53 7 5 03 7 7 53 8 2 53 8 5 03 8 7 53 9 0 0 5 5 4 5 8 04 6 0 ( ) 4 6 2 54 6 7 54 7 1 0 4 7 5 0 4 7 7 5 表2 3乐缩机质啦流啦 ( k s ) 冷凝温蒸发温度( 。c ) 度( 。c ) 一2 0 1 51 0 7 65 0 51 01 5 3 5 o 0 3 5 3o 0 4 3 40 0 5 3 60 0 6 1 6o ，0 6 4 8o 0 7 8 l0 0 9 3 00 1 0 8 8 o 1 2 6 6 4 5 o 0 4 1 80 0 5 1 6o 0 5 9 7o 0 6 3 8 0 0 7 6 3 0 0 9 0 6o 1 0 7 3 o 1 2 5 7 5 5 o 0 4 9 5o 0 5 6 9o 0 6 1 5o 0 7 4 5 0 0 8 8 7o 1 0 5 5o 1 2 5 1 2 1 1 涡旋压缩机性能拟合 影响制冷压缩机性能的主要参数为蒸发温度i 。、冷凝温度t 。因此雎缩机的 制冷量o 。m 、压缩机耗功率n 。、制冷剂质量流量m j 表示为蒸发温度t 。和 冷凝温度t 。的函数： q 。= 厶( f 。，f 。) n = f n q ! ，t ! 、 ，鲫= ，。( f 。，f 。) 根据j 家提供的性能数据采用曲线拟合的方式可确定函数表达式。本文将采 用蒸发温度、冷凝温度的二元二次曲线形式对以卜函数进行拟合，设卜，u j 表 示成如下形式： q = 凡( f 。，f 。) = 口l f ；+ ! f ，+ n 3 e + 4 f ，+ n ，f ，f ，+ “ = ，( r 。，r 。) = 白l f ；+ 凸! r 。+ 6 3 f ；+ 6 4 f 。+ 扫5 f 。f 。+ 凸。 ，h = 厂。o 。，f ，) = c i f ? + c ! f 。+ c 3 f ；+ c 4 f 。+ c j f ，f 。+ c 6 根据压缩机性能曲线数据求解式r f l 待定系数，”f 得： 制冷量的拟合公式： 第一章空气源热泵肇稠器系统数学横刑 q 。2 0 1 5 f i 一1 1 8 5 孔，+ 6 2 2 1 如j + 6 2 1 4 3 f 。一3 4 如，f 。+ 1 7 7 2 2 ( 2 1 ) 功率的拟合拟合公j ： _ v 。删= o 9 2 9 1 7 f ? 一7 0 7 9 & 。一o 1 6 9 0 5 f ；+ 3 _ 3 1 4 3 f 。+ o ，0 9 8 5 7 n 。f 。+ 2 2 5 6 ( 2 2 ) 质量流量的拟合公式： m 。= 一7 5 p 一7 z ：一1 0 8 7 9 e 一4 f 。+ 3 4 2 8 6 p 一5 f ；+ 2 6 2 5 5 p 一3 r 。 + 3 51 4 3 p 一6 f 。f ，+ 0 0 8 2 6 2 4 ( 2 - 3 ) 根据以上拟合公式所计算川 术的拟合曲线分别如图2 一l 、2 2 、2 ，3 所示。 一p p斗_ _ 斗十， 十一 争i c = 3 5 ，一 ，r 一一 _ ， 。 9十 1 4 e 。廿 ：z p 幽2 1j f ! 缩机制冷量性能曲线剀2 2m 缩机功率性能曲线 i 一1 c = 4 5 谚 + 1 c = 5 5 毋 ，学。 扩 簪r彩 扩“ 算i 彩 岁。 辞缮 劁2 3 压缩机质精流培性能曲线 第一二章空气源热泵空惆器系统数学模型 2 1 2 压缩机出口温度的计算 山于压缩机性能拟合只能得到压缩机功率、质量流量、制冷量，小能得到压 缩机的排气温度，下面就介绍采1 【_ 实验数据整理的方法米计算压缩机排气温度 【6 3 】。 刈 ：某一压缩机，多变指数基本小变，故n 值可取为一个常数，本文根据实 验数据计算得到的压缩过程多变指数为n = 1 2 7 7 5 ，所以压缩机的排气温度就j 由 下式求得： 2 时 a ， 2 1 3 压缩机质量流量及输入功率的修正 厂家提供的性能曲线般足在特定工况下测定的，在训算机模拟实际工况且 过热度或吸气温度与实际工况有差异时，根据d a b i n 和r j c e 提出的修丁f 方法束 修正爪缩机的输入功率j 质鼍流晕，其表达式如下甜1 ： ”z 。= ，+ f ( 詈一t ) ，”。 2 钟。 式中：u 。为测定工况下的吸气比容，7 l 。为测定工况卜的质量流量，幽为实 际工况下压缩机排气与吸气比焓差，幽。为测定工况卜压缩机排7 i 与吸7 i 比焓 差。根据文献【6 4 】，可取f ；0 7 5 。 2 2 冷凝器数学模型 冷；疑器是制冷装置中的重要设备，它的作用是将压缩机排出的制冷剂过热蒸 汽冷却并凝结成液体。在这一过程巾， 柚周围的介质放热。冷凝器的种类有多种， 对于小型的热泵型空调器，目前运用最广泛是风冷翅片管式换热器，其结构紧凑， 换热效率较高。 制冷剂存冷凝器中的流动过程般由i 种状态构成，即过热念、饱利念和过 冷念。人们存模拟冷凝器中制冷剂1 作过程时，通常只是在卜述三种状态的基础 第一章空气源热泉卒嘣器系统数学模， 上采用半均换热公式计算，而管外的换热通常则是采用统换热公式进行计算。 事实上，制冷剂和管壁之问的换热是随着制冷剂的温度、压力和17 度的变化而变 化的，即在所划分的每个区域内，换热系数也不相同。皋r 卜述的认u ，所以对 冷凝器采用i 区段模型，将其分成过热区、两相区和过冷区二个区段分别建模计 算。在两相区巾，采用分布参数模型，在建模时，为了使方程组封m i 叮解，存质 量、动量及能量i 大。、 。j 亘定律的基硎 上，引入了与之有关的滑动比关系方程。具 体建市模型时，通过准则数f r ，w e 的大小判别流型，对其分别建立相应的模型。 这样建札的模型提高了计算的精确性，但足求解过程相对于均相模型复杂。 在冷凝器和蒸发器的建模过程中，为了满足工程精度要求，又要最大限度简 化计算，做出如卜几点假设【6 5 | ： ( 1 ) 制冷剂在管路r r l 作一维轴向流动。 ( 2 ) 在任何流动截面l i 汽、液压力相等。 ( 3 ) 汽液截面上的凝结量咀液相流速流动。 ( 4 ) 对水平管不计重力的影响。 ( 5 ) 只考虑制冷剂与管壁之问，管壁与空气之削的择向热量交换，不讣轴 向的热传递。 2 2 1 管内制冷剂换热数学模型 1 单相区部分数学模型 当冷凝器内制冷剂处丁过热蒸汽段或者是过冷液体段时，都可以归结为单相 区模型。其摹本方程如下 质量。、 。叵方程： 动量守恒方程： 能量守恒方程 三( 刖，) ：o d z 知囝= 一芸一孚d z啦月 ( p 儿a ，) = 一倒m ) q ， d z ( 2 5 1 f 26 1 f 27 ) 其中： 叮，= 口，( t l ，) 式( 2 5 ) ( 26 ) ( 27 ) 二个方程中有二个未知数尸，“。，丁，方程封闭可解。 换热系数采剧下式计算例， 肌= 0 0 2 3 r e 。8 ”3 ( 28 1 塑：至至篁塑垫垂窒塑墨墨丝塑堂塑型 2 、两相区部分数学模型 冷凝器内的制冷剂在整个流拌中大部分处于两相区，两相) _ ：= f 勺工质接触剑温 度较低的壁面时，发生凝结，饱和蒸汽放出潜热后变为液体，管内的流动状态对 换热影响很大。对于管内两相区强制流动，】质的流速很大，以致于在汽液界面 造成了一个很大的切应力，浚切应力对冷凝液膜厚度的，史化影响很大，直接影响 到换热的效果，所以，流速是影响管内冷凝热交换的重要因素。 存两相区，根据制冷剂管内质量流速的不i j ，冷凝器中管内制冷剂一般可能 存在一种流犁，即雾状流，环状流及波状流。根据厅数，耽数的不同组合，流型 划分如下【6 7 】： 雾状流：w e 4 0 和f r 7 环状流：w e 7 本文根据以上的组合，来判别不同的流型，分别对可能冉现的流型建立相麻 的模型。w e 数的训算关系式如下所示【6 7 】： 其中： 汽相单独在管内流动时的雷诺数：r e ，；! 型 、 液相单独在管内流动时的雷诺数：r 。，。：堕二型 “， 马丁内利参数：x 。 汽相摩擦因子：驴、= 1 + 1 0 9 9 f r 数的计算公式如下1 6 7 1 ： ( 29 ) 所一n ， 生川 ：一耐：一耐 衍一删：南 w 。 r r 盼 阢 第二章卒气源热泉空渊器系统数学模j m s 嘁”5 矿 拍叫甜盯”， 其中： 伽利略准则数：g = 鲥3 ? a 雾状流 r e b 茎1 2 5 0 r e b 1 2 5 0 _ i 、 。，、 、 ， 一一j ， 、。 ： 。 。 二 _ _ _ 一一= 一一 ， 、 ：、 。 _ 、，j oj jr w 。i - j r f 2 1 0 1 幽2 4 骞状流不恿图 对于雾状流，其流动截面情况如图2 4 所示，可以假定汽液两棚流的流速相 等，即“、= “，= “。，凼此可以采片j 均相模型的方法来建立模型。 利用质量守恒，动量守恒和能量守恒方程，lu 以得到雾状流的基本方程如下： 质量守恒方程：亡( p ”h ”) = o( 2 一】1 ) 能量守恒方群 ：托l 1 兰c 附泞一篆一竿 c z 吨， 芸+ 昙叫务吼 c z 邗， 第一章宅气源热泵空调器系统数学模刑 在上述的方程巾有二个未知数：p ，n ，“。，方程封闭i u 解。 在以上方程巾的参数定义如下 窄隙率：。：生为汽斗同所占的截而积与管内截面积之比 爿 管内截面积：爿= j 剧! 管内壁周长：5 。= 耐 m m 制冷剂。管内擘的摩擦剪应力： r 。= ，旦警量 n m ! 摩擦阻力系数 两相混合雷诺数为： 两相混合粘度 厂= o 0 4 6 r e 二0 二 耻，丝 肛。 “。b 等) 管内壁热流密度： q ，；a ，( 一l 。) = a ，丁 其中r 制冷荆温度， k l 。管内壁壁温， k ，壁面过冷度， k 努赛尔数采用下式计算(