（热能工程专业论文）房间空调器节能潜力的研究.pdf

摘要 摘要 节能是保护人类环境促进制冷事业发展的核心。近年来电力紧缺现象日益 突显，关于房间空调器的新国家标准已经出台，因此研究开发高能效的空调器 将会有广阔的市场前景。 本文分析了换热器性能的影响因素，在前人工作的基础上，通过模拟计算 比较了换热器各主要参数( 包括翅片间距、翅片类型、管内结构、迎风面积与 风量) 对空调器性能的综合影响，为空调器性能的提升提供了依据。并在此基 础上开发了房间空调器样机，其制冷能效比e e r 达到3 o o 。 本文同时阐明了基于虚拟仪器的房间空调器性能测试系统的优势，并开发 出一套基于h p 3 4 9 7 0 a 数据采集，开关单元和图形化编程语言l a b v i e w 的数据 采集系统。实践证明整个系统界面友好、操作方便：并且提高了测试的效率。 最后，本文对商效房间空调器的节能与环保潜力做出评估和预测。 关键词：房间空调器冷凝器蒸发器节能虚拟仪器 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t e n e r g ys a v i n gi s t h ek e yo fp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t ，a n di t p r o m o t e st h e d e v e l o p m e n to fr e f r i g e r a t i o n i nr e c e n ty e a r s ，l a c ko fe l e c t r i c i t yb e c o m e sm o r ea n d m o r es e r i o u s t h en e wn a t i o n a ls t a n d a r do fr o o mf i r - c o n d i t i o n e rh a sg o n ei n t oe f f e c t s ot h er e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n go fh i g h l ye f f i c i e n tl o o ma i r - c o n d i t i o n e rw i l lh a v e aw i d em a r k e ti nt h ef u t u r e b a s e do nt h ep r e c e d i n gw o r ko fo t n - g r o u p ，f a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h eh e a t e x c h a n g e r sp e r f o r m a n c ea r es t u d i e di nt h ep a p e r b yt h es i m u l a t i n ga n dc a l c u l a t i n g ， t h es y n t h e s i si n f l u e n c ew h i c hi sm a d eb yt h ep a r a m e t e ro f h e a te x c h a n g e r , s u c ha sf i n s p a c i n g ，f i nt y p e ，t u b i n gs t r u c t u r e ，f r o n t a la r e aa n da i rf l o wr a t ea r ec o m p a r e d t h i s p r o v i d et e c h n o l o g ys u s t a i nf o rp r o m o t i n gt h ee f f i c i e n c yo fr o o ma i r c o n d i t i o n e r i n s u c c e s s i o n ，t h es a m p l ew a sm a d ea n di t se e rr e a c h e d3 0 0 a tt h es a m et i m e ，t h es u p e r i o r i t yo fr o o ma i r - c o n d i t i o n e r st e s ts y s t e mw h i c hi s b a s e do nt h ev i r t u a li n s t r u m e n ti si l l u m i n a t e d at e s t i n gs y s t e m b a s e do nh p 3 4 9 7 0 a s w i t c hu n i ta n dg r a p h i cp r o g r a ms o f t w a r el a b v i e wi sd e s i g n e d i ti sp r o v e dt h a ti t s i n t e r f a c ei sf r i e n d l y , i tn o to n l yc a nb eu s e dc o n v e n i e n t l y , b u ta l s oc a ni m p r o v et h e r a t eo ft e s t i n g i nt h ee n d ，t h ep o t e n t i a lo fh i g h l ye f f i c i e n tr o o ma i r - c o n d i t i o n e r se n e r g ys a v i n g a n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i n ga r ee v a l u a t e da n df o r e c a s t e d k e y w o r d ：r o o ma i r - c o n d i t i o n e r ；c o n d e n s e r ；e v a p o r a t o r ；e n e r g ys a v i n g ；v i r t u a li n s t r u m e n t u 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文全部或部分 内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：翌坐新签名：望 日期：燮：i ：! 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 近几年来，随着人民群众生活水平的大幅度提高，对住宅需求猛增且不再 满足于6 0 - 7 0 m 2 类似的两室一厅范畴，在一些经济发达地区更是朝着多居室、小 别墅的方向发展。在此条件下空调成了家庭必备的家用电器，1 9 9 2 年至2 0 0 2 年我国房间空调器产量分别为1 5 4 万台、2 9 2 万台、3 6 0 万台、4 5 0 万台、6 7 7 万台、8 4 9 万台、1 1 5 7 万台、1 3 3 8 万台，1 8 2 6 6 7 万台、2 3 1 2 8 8 万台和3 1 0 0 万台，2 0 0 4 年达4 8 0 0 万台，年均增长率保持在2 0 以上。需求品种已由以前窗 式为主向分体式为主变化，柜机需求迅速增长。国务院发展研究中心2 0 0 3 年度 的调研结果显示，目前我国城市居民家庭的空调整体拥有率已达到4 6 5 ，与 2 0 0 0 年相比增长了1 2 个百分点，表明这两年我国城市空调消费市场已进入快 速增长阶段“1 。 空调产业的发展是以促进人们居住的舒适性、健康性，及对能源的有效利 用，保护地球环境等基于可持续发展的观点为原则而取得进展的，其发展背景 特别体现在能源和环境方面。 当前，能源问题日益成为世界各国最为棘手的问题。2 0 0 0 年我国消耗能源 1 3 o 亿吨标准煤，约为世界能源消费量1 2 4 3 亿吨标准煤的l o 5 ，丽我国产生 的国民生产总值1 0 8 万亿美元，仅占世界总量3 1 8 万亿美元的3 4 。这说明 我国单位能源消耗所创产值仅占世界平均水平的三分之一0 1 。另据统计，目前 我国家用空调的年耗电量为4 0 0 亿k w h 以上，随着空调的进一步普及，这个数 字还将进一步增加，空调已日渐成为能耗大户。尤其近年来，在我国许多城市 的夏季用电高峰时期，都出现了由于用电紧张，供电部门被迫实施强制性错峰 用电的现象，影响了居民的正常生活和企业的生产经营。粗略计算，如果将空 调的平均效率提高1 0 ，就可以每年节省3 7 g w 的发电量，为国家节约1 6 0 亿 元人民币，因此提高其电能利用率是一项量大面广的节能技术。 从环境保护的角度出发，防止温室效应对人类的危害要求控制化石燃料燃 北京工业大学工学硕士学位论文 烧排放出的c 0 。量，它对于地球温暖化的影响占1 2 以上，为此对化石能源不仅 是关心其“枯竭”的问题，同时要重视c o 。排放问题，通过提高一次能利用效率， 少用化石燃料以减少排放量是理所应当的。1 9 9 7 年1 2 月，联合国气候变化框 架公约缔约方第三次会议在京都召开，确定了发达国家温室气体的减排目标。 日本早己提出，在工程建设中应以寿命周期c 0 2 排放量( l c c o 。) 评估其对环境 的影响，在家庭中推行可以计算住户c 0 2 排放量的“环境家计簿”，这显然是环 保意识的进步。空调器的低效率用电是增加大气温室效应的间接因素，因此， 随着环境保护运动的蓬勃发展，要求进一步提高房间空调器的能量利用效率。 节能是标志空调器质量好坏的重要指标，各主要空调器生产大国都制订了 节能法规，迫使空调器的能效比不断提高。日本在房间空调器的节能方面已走在 世界前列。1 ，1 9 9 9 年4 月1 日生效的新节能法在旧法规的基础上作了较大提高。 旧法规规定制冷薰小于4 o k w 的空调器的季节能效比s e e r 应达到2 9 7 ；而新 法规做了更详细的规定：制冷量小于2 5 k w 的分体挂壁式空调器的s e e r 应达到 5 2 7 以上，2 5 3 2 k w 的分体挂壁式空调器的s e e r 应达到4 9 0 以上，3 2 4 o i ( w 的分体挂壁式空调器的s e e r 应达到3 6 5 以上。从2 0 0 0 年起，日本推出 的节能类空调器，s e e r 值均达到5 o 以上。在美国，空调能效比低于2 8 的就 不准在市场销售。美国到2 0 0 6 年实施的新能源标签，规定了分体式空调器的 s e e r 应达到3 5 2 以上，分体式热泵型空调器的s e e r 应达到3 8 l 以上。这说明 国际上各国政府都非常重视能源的有效利用问题，有必要深入地研究空调器及 设备的节能技术。 我国己加入w t o ，这给房间空调器的制造业带来了巨大的生机，同时也使 我们面对新的挑战。国内市场国际化，国际市场一体化，空调器市场竞争进入 白热化，而节能和环保已成为市场竞争的焦点，同时也是空调器行业发展永恒 的主题和热点“1 。国内外对空调器能耗要求越来越高，欧美等国家更是利用其 近乎苛刻的能耗要求作为绿色技术堡垒来限制广大发展中国家产品对其如口贸 易。目前我国的房间空调器的产量已跃居世界第一位，但性能和质量与国外先 进的产品相比仍有差距。为了引领市场，必须不断创新，开发新型节能与环保 空调器。因此，对目前空调器的高效节能的分析研究，以提高空调器的整体能 效，有着迫切要求和重大意义。 2 ， 第l 章绪论 1 2 当前国内空调器的性能状况 我国旧标准房间空气调节器能源效率限定值及节能评价值( g b l 2 0 2 1 3 - - 2 0 0 0 ) 8 1 对房间空调器的能效比按规格作了详细规定( 见附录1 ) ，可以看出我 国标准与世界水平的差距所在。因此，空调节能己日渐成为刻不容缓的大事， 节能问题应该成为国家政策引导的方向以及空调企业倾力发展的方向。为了有 效促进节能技术的应用、引导市场消费，国家发改委、国家质检总局、中国标 准化研究院开展了我国能效标识制度及空调器能效标准的研究制定工作，并于 2 0 0 4 年9 月1 6 日发布了国家标准房间空气调节器能效限定值及能源效率等 级嘲( 见附录2 ) ，该标准已于2 0 0 5 年3 月1 日正式实施。新国标按照能效比 将空调能源效率标识为1 到5 级，l 级最节能，最低即5 级能效限定值为2 6 ， 低于该能效比的空调将不容许进入中国市场。 为了对当今市场上销售的国产空调器的性能水平有一个较全面的认识，课 题组收集了共计数十个厂家的1 5 0 0 余组空调器的参数。从收集的空调器的性能 系数可以发现目前空调器的制冷性能系数大都介于2 2 3 2 之间( 如图l 1 ) 。 若把这些性能系数看成一组样本，那么对于该样本数据进行概率计算便可了解 整个行业的概况，由计算可知：空调器的制冷性能系数( e e r ) 服从期望值为 _ 。_ - _ _ 。1 。- 。一 2 6 3 ，标准方差为0 2 的正态分布( 如图l 一2 ) 。按正态分布的特点可得出： 性能系数低于2 3 的空调器占据整个统计样本的4 4 ，即有理由相信目前市场 上的空调器仍有4 4 不合格：性能系数小于2 6 的空调器占3 2 ，即目前市场 上的空调器有三分之一达不到新标准要求。 裁 噼 耀 芒 8 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 0 样本编号 图1 一l 空调器性能系数( e e r ) 统计图 f i g u r e l - lt h es t a t i s t i cg r a p h o f a i r c o n d i t i o n e r s e e r 北京工业大学工学硕士学位论文 图1 2 空调器性能系数( e e r ) 正态分布 f i g u r e1 - 2n o r m a lc u r v eo f e e r o f a i r c o n d i t i o n e r 1 3 节能方法概述 房间空调器作为一种维持室内环境空气状况的有效工具在我国已有近四十 年的发展历史，总的来说。其发展经历了三个阶段：二十世纪六、七十年代， 空调器作为一种可对房间内空气进行调节( 制冷、制热) 的设备而进行的普及型 开发设计阶段：二十世纪八十年代，由于能源危机，进入节能型空调器开发设 计阶段；进入二十世纪九十年代以后，我国空调器进入大发展时期，节能、环 保、舒适成为这一阶段研究的主题。可以说从其诞生之日起，节能降耗的研究 就没有停止过，从收集到的资料来看，空调器的节能研究主要集中在以下几方 面： 1 3 1 采用高效元器件 4 3 1 1 采用高效压缩机 旋转式压缩机比往复式压缩机节电l0 9 6 以上，涡旋式压缩机比往复式压缩机 节电2 0 以上。近来三洋的s a p e 4 0 8 6 型空调器采用一种超节能的直流压缩机。1 ， ：鸺协坦。瞄旺x ，。雌配船求 第t 章绪论 这种压缩机使用强磁力的8 片钕磁石，将转子的体积和重量减少到原来的二分 之一以下，只须较小的电力就能使其运转。通过使用超高速高精度的数字式控 制，实现了无传感无刷直流压缩机的位置检测和变换极性，因此与交流变频相 比，成功地并最大限度地提高了直流变频的工作效率，实现了高效率化。 1 3 1 2 提高换热器性能 从传热学的角度出发，提高换热器性能主要体现在三个方面：制冷剂在管 内冷凝、蒸发过程的( 内侧) 强化：换热器与外界空气进行热交换的( 外侧) 强化；换热器整体配置，管路的分布，即换热器整体的温度分布应均匀。具体 措施如下： 1 ) 内侧强化传热的研究主要集中在内螺纹管的螺纹槽深度、螺纹槽数量、 螺旋角度等因素对传热的影响程度。 2 ) 外侧强化传热的研究主要包括翅片的结构形状，翅片间距等因素。采用 波纹开缝翅片后的传热性能明显好于普通平直翅片。 3 ) 加大室内外侧换热器面积，从日本各厂家的情况来看，为了达到高性能 的效果，2 0 0 0 年的日本空调产品设计已放弃了小型化的要求，开始向 大型化发展。例如采用三段式蒸发器，换熟面积可增大1 3 。1 。 4 ) 调节换热器内分路的流量均衡是提高换热器效率的有效方法。 5 ) 风量的大小对空调器的节能水平也有着很重要的意义，室外机采用大出 风口设计，加速空气循环速度，可使换熟效率显著提高。但对于一个结 构固定的系统而言，风量的增加存在一个最佳值，若超过这个值能效比 就不会有大的提高；同时，增加风量还要综合考虑噪声等问题。 1 3 2 优化系统设计 1 ) 房间空调器的节流装置一般为毛细管或热力膨胀阀，其调节流量的能力 较差。1 9 8 0 年美国的p e n n a l o 研制成功电子膨胀阀，以过热度为目标 进行制冷剂的流量控制，从而使系统更加匹配。 2 ) 对管路进行合理选择，避免压力损失( 尤其压缩机回气侧的压力损失) 而造成的输入功率加大和制冷量下降。 北京工业大学工学硕士学位论文 i i 1 3 3 使用过程中的节能 自从变频技术进入空调领域以来，频率变化范围越来越宽，可达l o 1 5 0 h z 。 由于压缩机频率可变范围大，使房间空调器的供冷、供热范围也较大，通过控 制压缩机的转速来达到商效、省电、恒温的效果。变频空调器在启动时以较大 功率运转，其制冷或制热速度比普通空调器快一倍。达到设定温度后，压缩机 以低速运转来保持室内恒温，不需频繁开停( 而每一次启动，压缩机功耗是正常 情况下的5 8 倍) 。特别是变频技术减少甚至避免了普通空调启停控制中存 在的弊端停机时冷凝器与蒸发器为达到压力平衡会造成高低温制冷剂的混 合热损失。 采用模糊逻辑控制能达到节能的目的。例如：通过传感器获得室温变化、 室外温度、湿度、房间情况等大量数据，将这些实测数据与大量经验数据比较 并进行综合判断，得出最优的室内状态参数，适时调节压缩机的转速、输出功 率进而达到节能的目的。 近年，随着大房间使用的增加，大功率机型通过引进范围空调”1 的概念，使 用人体探知器进行局部空调控制实现了节能。控制方法是如果房间里各处都有 人时进行全部空调，只是局部有人时，只进行局部空调的方式来节省机器无益的 耗电。 目前，房间空调器性能指标的提高，主要是依靠制冷压缩机的性能提高和换 热器的性能提高来实现。在3 0 年前，制冷压缩机的性能系数约为2 3 ，到目前， 最好的约为3 5 ，已提高了5 2 ，再提高就很难，而从热交换器的强化去提高空 调器的性能指标潜力较大。热交换器强化后，使空调器的传热温差缩小，制冷 循环的外部不可逆损失减小，从而使空调器的能效比提高，以达到节能的目的。 1 4 研究目标 本课题以5 匹柜式房间空调器的冷凝器和蒸发器为重点研究对象，在师姐 建立并经验证的空调器数学模型基础上通过模拟计算得出冷凝器和蒸发器参数 对空调器性能( e e r ) 的综合影响程度并加以比较，在此基础上开发一台高能效 空调器，从而为提升空调器性能的经济技术比较提供前期研究资料。最后，对 6 - 高能效空调器的节能与环保潜力给予阐述，并编制相应的预测软件。 1 5 本文所做的工作 1 ) 调研国内空调市场的产品性能状况 2 ) 分析换热器性能的影响因素，给出与换热器有关的计算参数并应用于空 调器的数学模型；通过模拟计算得出换热器参数对空调器整体性能的影 响程度。 3 ) 开发了k f r - 1 2 0 l w s 空调器样机，其能效比达3 0 0 。 4 ) 基于虚拟仪器的思想开发了空调器的数据采集系统，为改进后样机的综 合测试减轻工作量。 5 ) 对空调器的节能与环保潜力作出预测。 7 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章换热器性能的影响因素 与空调器数学模型简介 房间空调器俗称家用空调，是一种小型的制冷装置。按结构形式分为整体 式和分体式，其中整体式中的窗式机、分体式中的壁挂机和落地式空调( 俗称 柜机) 最常见。房间空调器一般由压缩机、冷凝器、毛细管和蒸发器四大件组 成。其工作过程包括：压缩过程、冷凝过程、节流过程、蒸发过程。本文主要 研究冷凝过程、蒸发过程中冷凝器参数和蒸发器参数对空调器性能的影响程度。 冷凝器和蒸发器在制冷系统中属于换热部件，二者的结构相似，但制冷剂 在二者中的状态变化却相反。制冷剂从冷凝器入口到出口依次经过了过热区、 两相区、过冷区，属于凝结换热的相变过程；而制冷剂从蒸发器入口到出口经 过两相区，干度逐渐增加，直到完全蒸发后进入过热区，属于沸腾换热的相变 过程。另外，蒸发器和冷凝器的主要区别还表现在：冷凝器空气侧不存在潜热 交换，而对于蒸发器，当外表面温度低于空气的露点温度时，不但有显热交换 还存在潜热交换。 换热器性能的研究离不开对其数学模型的了解，换热器模型有集总参数模 型和分布参数模型之分，早期的模型一般采用集总参数法建立。该方法1 “ 把换热器按过热区、两相区和过冷区分段处理，从而根据各个区段的平均换热 公式计算换热量，由于制冷剂的换热系数沿换热器管长的变化较为复杂，特别 是两相区的换热系数沿程差距很大，所以计算精度下降。近年来越来越多的人 “”“”“”“”采用分布参数法建模，这种模型充分考虑了两相流动和换热的特点， 把换热器沿管长分成若干个微元段，以局部参数( 换热系数、阻力系数、空隙 参数) 计算微元段的换热量和制冷剂的分布量，把上一个微元的出口参数作为 下一个微元的入口参数，根据连续性对微元求和得到换热器的换热量等重要参 数。a n a n d “的模型采用了分布参数模型，并在蒸发器模型中引入动量方程；张 华俊“”的冷风型空调器的换热器模拟和张秀平”83 的表面式蒸发器的模拟均建立 了分布参数模型；葛云亭“”1 建立的换热器模型对制冷剂的流型划分的比较细， 考虑到了两相区的空隙率、滑动比等参数随管长的变化。一般换热器模型均假 - 8 第2 章换热器性能的影响因素与空凋器数学模型简介 设空气侧气流均匀分布，但d o m a n s k 1 指出实际情况下气流并非均匀分布，因 此其建立的蒸发器模型考虑了空气的一维不均匀分布。本章在奁阅相关文献的 基础上分析了换热器性能的影响因素，并且得出换热器的有关计算参数。 2 1 换热器性能的影响因素 图2 一l 理论循环的l g , v - h 图和t - s 图 f i g u r e2 - ti g = p - ha n dt - sg r a p ho f t h e o r yc i r c u l a t e 图2 1 是空调制冷循环在压一焓图和温一熵图上的表示。1 2 表示制冷剂 蒸汽在压缩机中被压缩的过程，2 3 4 5 表示高温高压的制冷剂蒸汽在冷凝 器中的冷凝过程，5 6 表示节流过程，6 7 1 表示制冷剂在蒸发器中的蒸发 ， 过程。瓦表示室外环境温度，瓦表示室内温度。正是由于2 - - 3 - - 4 - - 5 过程与 ， t 间有温差，才使制冷剂放出的热量经冷凝器散发至室外空气：同理，6 7 ， 一1 过程与瓦也有温差，制冷剂的蒸发过程才得以进行，同时也把室内的热量 带走。然而由制冷原理可知：在相同的冷热源条件下，冷凝温差( t 一疋) 、 ， 蒸发温差( 瓦一瓦) 越小，制冷系统的热力学完善度越高，运行越经济。 但是，在实际的空调器设计时，如果该冷凝温差、蒸发温差太小，则冷凝 器和蒸发器的换热面积必然增大，引起初投资的急剧增加，这种情况在大多数 情况下是不可取的。因此，当今的空调器设计主要致力于提高换热器性能，即 采用适当大小的换热器( 换热器的尺寸符合产品整体结构的设计) ，通过优化换 热器的各种参数提高其换热性能。，从而使空调器的整体性能也得到改善。 9 北京工业大学工学硕士学位论文 2 1 1 冷凝器性能的影响因素 房间空调器一般采用整体翅片管式冷凝器，这种冷凝器不需冷却水，适用 性强、使用方便。工作时制冷剂在冷凝器管路内依次经过过热区、两相区、过 冷区并放出热量；空气强制冲刷冷凝器外部而把热量带走。 本文研究的风冷翅片式冷凝器，管材采用0 9 4 m m 的紫铜管，制冷剂分8 路 并联流经冷凝器，并采用上下两台轴流风机。结构示意如图2 2 ，翅片结构参 数示意如图2 3 。 叫单卓 崤l 雌。 吲 耵1 n r m 圈2 2 冷凝器结构图图2 3 翅片结构参数示意图 f i g u r e2 。2t h ec o n f i g u r a t i o no f c o n d e n s e r f i g u r e2 3t h es c h e m a t i co fp i n sc o n f i g u r a t i o n 以冷凝器管外面积为基准表示的传热系数。”： 三：垒+ 粤+ _ + + l 一 ( 2 一1 ) k a ，a jm 。5 a 。r n f 式中t 传热系数( w m 2 t k ) ； 口r 制冷剂侧换热系数( w m 2 - k ) ； 口a 8 r 空气侧换热系数( w m 2 k ) ； 艿管壁厚度( m ) ； 五管壁导热系数( w m - k ) ； 、分别为管壁与翅片的接触热阻、污垢热阻( m 2 k w ) ； _ r 每米管长管内面积( m 2 m ) ； 1 0 第2 章换热器性能的影响因素与空调器数学模型简介 以每米管长平均面积( m 2 m ) ； 4 ，每米管长翅片侧总面积( m z 矗) ； 砺，一翎率旷等= 华 砺，翅片总效率 。 以+ 爿，4 7 式中4 每米管长翅片闻管面面积( m z m ) ： 每米管长翅片侧面面积( m z m ) ； 7 7 ，翅片效率 忽略管壁热阻、接触热阻和污垢熟阻( 2 一1 ) 简化为 上+ ! ：_ l fl + 竺! 墨l _ 上 、 c l 。a 。 q 。氐f q 4 fa a 。a 。a o f q 。f3 a ，a 。 ( 2 2 ) 生：堕虹二生丛生：1 一生：s( 2 3 ) a ! 捌o3 f 每玉丝：y 。叫 a 。积o 。 ( 2 5 ) 由单位管长的冷凝器体积为： 矿= s l 5 2 = s 1 2c o s 3 0 。( 正三角形叉排) ( 2 6 ) 在单位温差下，单位传热量所需冷凝器体积为： 兰：上：上：s 1 2c 0 s 3 0 。fl a r a = ，r1 q 七4 0 ，7 七4 0 ， 口，4 i占+ t o ，j 令 铲品鸯= 丢( t + ( 2 7 ) ( 2 8 ) 惫 等上上 北京工业大学工学硕士学位论文 当戎值最小时，吖七岛，也是最小值，此时单位温差传热量所需冷凝器体积 最小，即冷凝器的传热性能最佳。 ( 2 8 ) 式中的其它参数如下： 翅片效率： 一th(mh7)r1 1 2 尹 式中 m = 一当量翅片艄，拈宣2 ( 利卜。s 1 i l ( c 洲。圳 当量翅片高度嘶， l 氏 儿l 矗川 ( 2 9 ) ( 对于正三角形叉排布置，c = i 0 6 3 ) 制冷剂侧换热系数： 口，= o 5 5 5 8 d o - 0 2 5 ( 瓦一l ，- o 2 5 ( 2 1 0 ) 式中b 氟利昂制冷剂的物性集合系数( 疋= 5 0 ，r 2 2 取1 3 2 5 4 ) 7 j ，雷壁温度( ) 制冷剂侧换热系数还与传热管有关，内螺纹管比光管的换热系数提高了i 2 倍，人字槽内肋管的换热系数比光管提高了4 倍啪1 。 空气侧换热系数”1 ： 专叫百b “( 2 - - 1 1 ) 式中丸空气的导热系数( w m k ) 也一当量懿以= 等畿名 c = a ( i 3 6 0 2 4 r e 1 0 0 0 1 h = 0 4 5 + o 0 0 6 6 b d , 4 = 。s t s 一。s b t + 0 0 0 0 4 2 5 l ( b 吐 j 2 - 3 x 1 0 - 6 l ( b 笥 m = - 0 2 8 + 0 0 8 r e 1 0 0 0 互何 第2 章换热器性能的影响因素与空调器数学模型简介 r 。：监* ! ”一2 耳虿瞄翮h j ，j ， w ，冷凝器迎面风速 另外空气侧换热系数还与翅片形式有关波纹翅片比平直翅片的空气侧 换热系数约大2 0 ，开缝翅片比波纹翅片的空气侧换热系数约大1 0 。”。 由上面推导可知，在管材、翅片材料给定的情况下，描述换热器性能的相 关函数值可以由换热器的结构参数表达如下： 丸2 以( 哦_ s ，口，口。，r i ) ( 2 一1 2 ) 由于管内侧换热系数口，、空气侧换热系数口。，、翅片效率也可由冷凝器的 结构参数及迎面风速得出： 口，= 口，( d op i p e ) p 扭冷凝器铜管类型，可为光管、内螺纹管 0 【m _ a r ( d o s 1 s f6 fw y f i n ) _ ，跏翅片类型，可为平直翅片、波纹翅片、开缝翅片 叩，。r l j ( d oq 口。) 因此，影响晚值的独立变量数为7 个 也= 丸( 如j l5 ，0w ，p i p e 加) ( 2 1 3 ) 在确定管型和翅片类型后，其它约束条件如下 6 o m m r d o 1 2 o m m 2 0 m m 五3 0 m m 1 4 m m 一町1 8 m m 0 1 0 m m 一 尻o 1 5 r a m 2 5 m s 一 w y 3 5 m s 北京工业大学工学硕士学位论文 2 1 2 蒸发器性能的影响因素 蒸发器和冷凝器同样作为空调器的换热部件，制冷剂在二者中的变化过程 正好相反。由于在两相区的冷凝和蒸发的换热机理不同，并且蒸发器中不存在 过冷区，再者，当蒸发器表面温度低于空气露点温度时，空气中的水蒸气会在 蒸发器表面结露，出现所谓湿工况，所以描述蒸发器的空气侧换热关联式与前 述冷凝器的关联式有所不同。但是尽管存在上述差别，因为其结构和功能上 的类似，可以对冷凝器和蒸发器采用形式统一的数学模型。 本文研究的蒸发器是风冷翅片式换热器，管材采用a 7 8 的紫铜管。制冷剂 分l o 路并联流经蒸发器并吸热蒸发；空气由柜机下部的回风口吸入，冲刷蒸发 器并放出热量，降温后的空气从柜机上部的出风口送入室内。蒸发器结构示意 如图2 4 。 图2 4 蒸发器结构图 f i g u r e2 - 4t h ec o n f i g u r a t i o no f e v a p o r a t o r 以蒸发器管外面积为基准表示的传热系数： a 0 _ _ _ 4 c + 鲁 厶+ 赤( 2 - - 1 4 ) 式中七传热系数( w m 2 k ) ； a ，制冷剂侧换热系数( w 1 1 1 2 k ) ； 空气侧换热系数( w m 2 k ) ； 占管壁厚度( m ) ； 1 4 - 第2 章换热器性能的影响因素与空调器数学模型简介 兄管壁导热系数( w m k ) ； 、分别为管壁与翅片的接触热阻、污垢热阻( m 2 k w ) 4 每米管长管内面积( m 2m ) ； 以每米管长平均面积( m ：m ) ； 凡，每米管长翅片侧总面积( m z m ) ： 吼，翅片总效率( 计算公式同冷凝器) ； 孝析湿系数踟( 稳态工况下为定值，可作为常数处理) 芒：1 + 2 4 6 d m - d w 。 f 一t 。 其中m 、d m 空气平均温度、湿度： ，。、d 。管壁面温度及对应的湿度 同理，忽略管壤热阻、接触热阻和污垢熟阻( 2 1 4 ) 简化为： l1 削o ，口，a ， 由单位管长的蒸发器体积为： y = 置j 2 = s 1 2c o s 3 0 。( 叉 ) ( 2 - 1 6 ) 在单位温差下，单位传热量所需蒸发器体积为： 旦。! ：一：l ：! i ! 竺! ! ：fl + 坠丝! ：1 ( 2 1 7 ) q k a o ，a t 姒口，口，a ，l s + 川，孝j 令：丸= 嚣考= d o + 淼 ( 2 - - 1 8 ) 当纯值最小时，吖屯如，也是最小值，此时单位温差传热量所需蒸发器体积 最小，即蒸发器的传热性能最佳。 ( 2 - - 1 8 ) 式中的其它参数如下： 上 毒 北京工业大学工学硕士学位论文 翅片效率： 乃= 掣 c z 邗， 式中m = 当量翅片高度( 同2 - 8 一l 式) 制冷剂侧对流换热系数： 旷口譬毖 ( 2 _ 2 0 ) 口 式中日系数，由蒸发温度确定； 吼每根管流量( k g s ) 吼单位面积热流量( w m 2 ) 同样，制冷剂侧换熟系数与传热管有关，内螺纹管比光管的换热系数提高 了1 2 倍。 空气侧对流换热系数： 本文研究的蒸发器和冷凝器的结构形式差不多，蒸发器空气侧换热系数仍 可用( 2 一1 1 ) 式。 当空气析出水份时，出现潜热交换，这使空气侧对流换热系数有所增加： 口。，=c口。，(2-21) 式中r 湿工况时空气的换热系数( 、卅m 2 k ) ； 口。，干工况时空气的换热系数( w m 2 k ) ： c 呻正系数 对于叉排管束：c - - - - i 3 3 6 6 1 4 9 3 6 0 8 x 1 0 。r e 。+ 2 8 9 3 5 6 x 1 0 。r e 。2 由上面对蒸发器模型的推导可知，在管材、翅片材料给定的情况下，描述 蒸发器性能的相关函数值可以由蒸发器的结构参数表达如下： 妒。= 妒。( d os ls ，a ，口。，耳，毒) ( 2 2 2 ) 由于析湿系数孝在稳态工况时为定值，可作为常数处理，并且管内侧换热系 1 6 - 雾 第2 章换热器性能的影响因素与空调器数学模型简介 数口，、空气侧换热系数a 。、翅片效率也可由蒸发器的结构参数及迎面风速得 出： 口，= 口，( d op i p e ) a 。，2 a 。，( d os ls ，力w y 加) 刁，2 f l y ( d o s l0 口。亭) 因此，影响丸值的独立变量数为7 个： ， 垂。= ：串e ( d os l s j 6 rw yp i p e 舟n ) ( 2 - - 2 3 ) 在确定管型和翅片类型后，其它约束条件如下： 6 o n u n d o 1 2 o m m 2 0 m m s 1 3 0 m m 1 6 m m 一 。 图4 5 数据采集示意图 f i g u r e4 - 5s c h e m a t i co f d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 数据采集系统的硬件由h p 3 4 9 7 0 a 数据采集开关单元( 简称“数采”) 和 一台电脑( p c ) 组成。3 4 9 7 0 a 数据采集开关单元是一种高性能、低价位的数 据采集和开关主机，十分适于数据采集和数据记录的应用。其背面有3 个插槽， 可以与其提供的模块组合。3 4 9 0 1 a2 0 路多路复用器是其自带的一种模块，它 主要有两种功能：一是可接受电流信号：二是能将热电偶测得的电信号转化为 温度值且具有内部补偿的功能。“数采”可通过标准的r s - 2 3 2 接口( 串口) 与 柏 第4 章房间空调器数据采集系统的开发 p c 连接。 4 5 2 软件 如前文所述，本文选用l a b v i e w 作为开发平台，更重要的一点是h p 3 4 9 7 0 a 数据采集开关单元提供l a b v i e w 的软件驱动程序，这样软件开发人员就可以避 开底层的通讯协议而方便地将3 4 9 7 0 a 通过标准的r s - 2 3 2 接口集成到实验系统 中。也就是说开发人员可以把精力集中在自己的专业领域不必为p c 与数采的通 讯而费时间。 测试软件主要由数据采集模块、数据转化处理模块、数据动态显示模块、 文件输入输出模块等组成，流程框图如图4 6 所示。软件每个程序均由两部分 组成：一部分是前面板，它由各种类型的虚拟指示仪表( 压力表、温度计) 、测 试数据的实时显示屏以及控制仪表构成( 如图4 7 ) ；另一部分是程序框图， 即所谓的后面板，也就是控制软件运行的图形化程序语言，它是整个测试软件 的核心( 如图4 8 ) 。 i 是 c 霹 图4 - - 6 测试流程框图 f i g u r e4 - 6f r a m eg r a p ho ft e s t i i l gp r o g r a r n 4 1 第4 章房间空调器数据采集系统的开发 测量压力、电功率时：设定该通道为直流、设置量程( 自动) 等 2 ) 实时显示空调器各部件的相关参数 图4 8 便是虚拟的操作与显示面板，图中间左侧是空调器四大部件的 流程图( 制冷剂按顺时针方向分剐经过压缩机、冷凝器、节流装置、蒸 发器) ，位于蒸发器两侧的温度计指示室内机的进出风温度并可选择数 值显示；左上角是两块压力表，用于实时显示冷凝压力和蒸发压力：压 力表右侧的显示框可实时显示室内外风机与压缩机的电功率：空调流程 图右侧的波形图可根据需要动态显示单个或多个测量值( 图4 9 为调 试阶段测试的空调器室内机进风与出风温度的动态显示) ：整个面板下 方是各个测点温度与压力的数值显示。 图4 9 波形图 f i g u r e4 - 9w a v e f o r mc h a r t 3 ) 保存测得的实验数据到e x c e l ，以便日后研究。 4 。6 本章小结 本章基于虚拟仪器的思想，整合相应的硬件设备开发了房间空调器的数据 采集系统。虚拟仪器在制冷空调领域的应用仍处于起步阶段，本文所做也是应 用虚拟仪器的一次有益尝试。 i i 奎士些盔兰三兰璺圭兰垡鲨三 第5 章空调器节能与环保潜力 课题组开发出的k f r 一1 2 0 l w s 空调器的e e r 达到3 0 ，由于这种高效空调 器日渐得到人们的认可，其在市场上所占的比重将不断增加，因此有必要对高 效空调器的节能与环保潜力做出预测。基于新标准能效比准入门槛由过去的2 3 提高到2 6 ，按目前统计结果预计，空调器产品的性能将会服从期望值为2 9 3 ， 标准方差为0 2 的正态分布( 如图5 1 ) 。图中实线所示为实际的空调器的性 能系数正态分布，虚线所示为预测的空调器的性能系数正态分布图。 加 ! | i ； 哆、。 圈5 一l 实际和预测的空调器性能系数正态分布对比图 f i g u r e5 - ln o r m a lc u r v ec o n t r a s tb e t w e e nf a c ta n df o r e c a s to f e e ro f a i r - c o n d i t i o n e r 5 1 空调器耗电量的确定 5 1 1 空调器的总装机容量 由公式：总装机容量= ( 产品数量产品的单台耗电量) 可计算出空调器的总装机容量。 - “ 第5 章空调器节能与环保潜力 其中： 产品数量根据市场份额的统计数据确定。 产品的耗电量按以下方法统计： 把样本中空调器按不同规格分为4 类( 1 匹、1 5 匹、2 匹、3 匹以上) ，这 4 类空调器的平均电功率分别为0 9k w 、1 5 k w 、1 9k w 、2 8k w 左右。根据 有关统计数据，各类空调所占的市场份额分别为3 8 、2 6 、1 8 、1 2 ，则 总装机容量的计算如下表： 表5 1 按2 0 0 0 万台( 国内销售) 计算的装机容量 t a b l e5 - 1t h et o t a ll o a da c c o u n t e di nt e l m so f 2 0m i l l i o nu n i t ( d o m e s t i cs e l l ) 规格市场份额数量( 万台)耗电水平( k w ) 输入功率( 1 0 3 k w ) 1 匹机 3 8 7 6 0o 96 8 4 0 1 5 匹机 2 6 5 2 01 57 8 0 0 2 匹机 1 8 7 6 3 6 01 96 8 4 0 3 匹以上 1 2 2 4 02 8 6 7 2 0 装机容量 2 8 2 0 0 表5 - - 2 按4 8 0 0 万( 我国年产量) 台计算的装机容量 t a b l e5 - 2t h et o t a ll o a da c c o u n t e di nt e r m so f 4 8m i l l i o nu n i t ( a n n u a lo u t p u t ) 规格市场份额数量( 万台)耗电水平( k w )输入功率( 1 矿k w ) 1 匹机 3 8 1 8 2 4 o 9 1 6 4 1 6 1 5 匹机 2 6 1 2 4 81 51 8 7 2 0 2 匹机 1 8 8 6 41 91 6 4 1 6 3 匹以上 1 2 5 7 62 81 6 1 2 8 装机容量 6 7 6 8 0 5 1 2 空调器的年耗电总量 由公式：年耗电总量= 总装机容量年平均运行时间 可以计算出空调器的年耗电总量。 其中空调器的运行时间取年均4 0 0 小时，则按2 0 0 0 万台和4 8 0 0 万台分别 计算的空调器的年耗电总量为i1 2 8 亿k w h 和2 7 0 7 亿k w h ，由此可知耗电量 北京工业大学工学硕士学位论文 i i 是极其巨大的。 5 2 空调器性能提升所带来的直接与间接收益 由