（工程热物理专业论文）阳台壁挂太阳能空气源复合热泵系统的仿真模拟和实验研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 针对太阳能集热器因太阳能辐射运行不稳定和空气源热泵冬夏季运行缺陷等问 题，设计开发了一台1 5 匹阳台壁挂太阳能一空气源复合热泵，通过对现有太阳能热效 应利用装置及热泵工况进行分析，确定了太阳能一空气源复合热泵在夏季、冬季和过 渡季的运行模式，并对该装置进行了理论和实验研究。 建立了阳台壁挂太阳能一空气源复合热泵系统的仿真模型，包括：压缩机、蒸发 器、毛细管、冷凝器和阳台壁挂太阳能热水器换热器。利用制冷剂工质、湿空气及水 的物性资料，建立r 2 2 、湿空气及水的物性数据库。用v i s u a lb a s i c 语言编制了系统仿 真软件，通过与样机实验数据对比，其误差在允许的范围之内，系统模型的精度达到 系统主要性能的要求。 利用人工环境模拟实验室及高精度测试和数据采集系统，对阳台壁挂太阳能一空 气源复合热泵样机各运行模式的典型工况进行了实验研究。提出了样机夏季、冬季和 过渡季各运行模式，分析了国家相关标准中规定的测试工况下系统的运行特性，得出 了样机制冷( 热) 量、水温、耗功、吸气温度、排气温度、蒸发压力、冷凝压力、c o p 等参数的变化规律。实验表明，在样机各部件合理匹配的情况下，阳台壁挂太阳能一 空气源复合热泵样机在名义工况和最大负荷工况下的制冷c o p 和制热c o p 、夏季高温 运行和冬季除霜运行的效果都优于同工况下空气源热泵的相关参数，在名义工况和低 温工况下的制热水平均c o p 和达到的水温及其时间都优于同工况下的单_ 热源热水器 的相关参数，在超低温工况( 室外2 5 ) 下的阳台壁挂太阳能一空气源复合热泵样机 能实现启动。 阳台壁挂太阳能一空气源复合热泵系统将太阳能热利用与空气源热泵有机结合， 从而实现供冷、供热及供热水三位一体功能。一方面，阳台壁挂式太阳能热水器换热 器吸收的热量可以有效改善空气源热泵冬季运行工况，提高供热效率，保证系统供热 性能的可靠性和稳定性：另一方面，空气源热泵又可以提高夏季阴雨天气、过渡季节 和冬季太阳辐射较弱时，太阳能热水的温度。根据水温和室内外温度的变化，复合热 泵系统在太阳能热效应利用技术与空气源热泵之间适时转换运行。系统的优化运行对 于降低建筑能耗、节约能源具有重要的意义。新型大口径阳台壁挂式太阳能热水器换 热器在安装上与现有空气源热泵协调一致，美观大方，对于高层建筑太阳能热水系统 山东建筑大学硕士学位论文 的利用及建筑一体化设计具有不可比拟的优势。 关键词：阳台壁挂太阳能，空气源热泵，运行模式，系统仿真，实验研究 i l 山东建筑大学硕士学位论文 s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a ls t u d yo ns o l a r - a i rc o m p o u n d s o u r c e h e a tp u m ps y s t e mo fw a l l h a n g i n go nb a l c o n y w e il i n b i n ( e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db yw a n gq i a n g a b s t r a c t a w a l l - h a n g i n go nb a l c o n yo fs o l a r - a i rc o m p o u n ds o u r c eh e a tp u m pw i t hp o w e r c a p a c i t yo f1 5 h pw a sd e s i g n e di nt h i sp a p e rf o ru n s t e a d yo p e r a t i o no fs o l a rc o l l e c t o ra n d o p e r a t i n go b j e c t i o no fa i rs o u r c eh e a tp u m pi ns u m m e ra n dw i n t e r b a s e do na n a l y s i so f e x i s t i n gs o l a re n e r g yt h e r m a la p p l i c a t i o nd e v i c ea n da i rs o u r c eh e a tp u m p ，t h eo p e r a t i o n m o d e so fw a l l h a n g i n go nb a l c o n yo fs o l a r - a i rc o m p o u n ds o u r c eh e a tp u m pd u r i n gt h e s e a s o n so fs u m m e r , w i n t e ra n dt r a n s i t i o nr e a s o nh a v eb e e nm a d e t h es i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a ls t u d i e so ft h i sd e v i c eh a v e b e e nc o n d u c t e d t h es i m u l a t i v em o d e lo fs o l a r - a i rc o m p o u n ds o u r c eh e a tp u m po fw a l l h a n g i n go n b a l c o n yh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，i n c l u d i n gc o m p r e s s o r , e v a p o r a t o r , c a p i l l a r y , c o n d e n s e ra n d s o l a rw a t e rh e a t e r e x c h a n g e rw a l l - h a n g i n go nb a l c o n y t h ep r o p e r t i e sd a t a b a s eo fr 2 2 ，w e t a i ra n dw a t e rh a sb e e ne s t a b l i s h e db yr e l a t e dp r o p e r t i e si n f o r m a t i o n t h es i m u l a t i o ns o f t w a r e o ft h es y s t e mh a sb e e nc o m p i l e db yv i s u a lb a s i c t h ee r r o r so fs i m u l a t i o nr e s u l t sc o m p a r e d w i t he x p e r i m e n t a lr e s u l tw e r ei nt h ep e r m i s s i o ns c o p e t h ep r e c i s i o no fs i m u l a t i o nm o d e l h a sr e a c h e dt h em a i np e r f o r m a n c er e q u e s to fs y s t e m t h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e so fs o l a r - a i rc o m p o u n ds o u r c eh e a tp u m po fw a l l h a n g i n go n b a l c o n yh a v eb e e nc o n d u c t e di na l lo p e r a t i n gm o d e sb yu s i n ge n v i r o n m e n ts i m u l a t i o n l a b o r a t o r ya n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo fh i g ha c c u r a c y t h eo p e r a t i o nm o d e so fm o d e l m a c h i n ei ns u m m e r , w i n t e ra n dt r a n s i t i o nr e a s o n sh a v eb e e np r o p o s e d t h eo p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i co fm o d e lm a c h i n eh a sb e e na n a l y z e di na l lo p e r a t i n gm o d e su n d e rr e l a t e d n a t i o n a ls t a n d a r do ft e s tm e t h o d s t h ec h a n g i n gl a wo fs o m ep a r a m e t e r ss u c ha sw a t e r t e m p e r a t u r e ，p o w e ri n p u t ，c o p , r e f r i g e r a t i o n ( h e a t i n g ) c a p a c i t y , s u c t i o n ( d i s c h a r g e ) t e m p e r a t u r e ，a n de v a p o r a t i n g ( c o n d e n s i n g ) p r e s s u r e ，h a v eb e e no b t a i n e d t h ee 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 tc o pa n do p e r a t i n gp e r f o r m a n c eo nc o n d i t i o n so fh i g ht e m p e r a t u r ea n d i i i 山东建筑大学硕士学位论文 d e f r o s t i n go fm o d e lm a c h i n ea r ew e l lt h a nr e l a t e dp a r a m e t e r so fa i rs o u r c eh e a tp u m pu n d e r n o m i n a lm o d ea n dm a x i m u ml o a dm o d e t h ec o p , r e a c h e dw a t e rt e m p e r a t u r ea n dr e q u i s i t e t i m eo fm o d e lm a c h i n ea r ew e l lt h a nt h er e l a t e dp a r a m e t e r so fs i n g l es o u r c ew a t e rh e a t e r u n d e rn o m i n a lm o d ea n dc r y o g e n i c a l l ym o d e t h em o d e lm a c h i n ec a ns t a r tu n d e rl o w e s t t e m p e r a t u r e ( - 2 5 。c ) s o l a re n e r g yt h e r m a la p p l i c a t i o nh a sb e e nc o m b i n e dw i t ha i rs o u r c eh e a tp u m pi n s o l a r - a i rc o m p o u n ds o u r c eo fh e a tp u m pw a l l - h a n g i n go nb a l c o n y t h em u l t i f u n c t i o n a l s y s t e mo fc o o l i n g ，h e a t i n ga n dh e a tw a t e rh a sb e e nr e a l i z e d i tc a nn o to n l yi m p r o v e o p e r a t i n gp e r f o r m a n c eo fa i rs o u r c eh e a tp u m pi nw i n t e rb ya b s o r p t i o no fs o l a rw a t e r h e a t e r e x c h a n g e r , i m p r o v et h eh e a t i n gc oe f f i c i e n c y , e n s u r et h er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo f h e a tp e r f o r m a n c e ，b u ta l s oi m p r o v et h et e m p e r a t u r eo fw a t e rh e a t e ri nt h er a i n ys u m m e r , w i n t e ra n dt r a n s i t i o ns e a s o n s t h es y s t e ms w i t c h e si ns o l a re n e r g yt h e r m a la p p l i c a t i o n t e c h n o l o g ya n da i rs o u r c eh e a tp u m pb yt h ec h a n g i n go fw a t e rt e m p e r a t u r ea n di n d o o r ( o u t d o o r ) a i rt e m p e r a t u r e t h eo p t i m i z e do p e r a t i o no fs y s t e mh a ss i g n i f i c a n c ef o re n e r g y s a v i n ga n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i n g t h en e wt y p e s o l a rw a t e rh e a t e r e x c h a n g e ro f w a l l - h a n g i n go nb a l c o n yi sa c c o r d a n c ew i t he x i s t i n ga i rs o u r c eh e a tp u m po ni n s t a l l m e n t i t h a si n c o m p a r a b l ea d v a n t a g ef o rt h es o l a rw a t e rh e a t i n gs y s t e mo fh i g hb u i l d i n ga n d i n t e g r a t i o no fs o l a r - e n e r g yw i t ha r c h i t e c t u r e k e yw o r d s ：s o l a re n e r g yo fw a l l - h a n g i n g o nb a l c o n y , a i rs o u r c eh e a tp u m p ， o p e r a t i o nm o d e ，s y s t e ms i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h i v 山东建筑大学硕士学位论文 密度 压力 动力粘性系数 漏热系数 效率 导热系数 换热系数 热力学温度 定压比热 管道半径 比容 雷诺数 普朗特数 努谢尔数 物性集合参数 长度 压缩机 冷凝器 毛细管 蒸发器 系统 制冷剂 空气 水，加热 液相 气相 过热区 两相区 过冷区 两相区 进口 出口 k g m 3 p a p 蔷 主要符号参数表 w ( m 2 k ) w ( m 2 l 2 0 时，接通四通换向阀线圈电路，首先进入常规制冷模式；当室外空气温度( 温 传2 ) t 2 4 5t 2 5t 3 8t 3 8t 2 5t 1 1 5t 1 1 5 阀l 阀2 、， 阀3 x 、， x 阀4 阀5 、，、， 阀6 x 4 x 阀7 阀8 x n 四通阀 热水阀 注： 表示开启，x 表示关闭 山东建筑大学硕士学位论文 2 3 1 夏季运行控制 1 太阳能热水器中热水温度( 温传1 ) 下降到t 1 = 4 5 以下时，通过可编程序控 制器或单片机自动手动接通四通换向阀线圈电路，接通电磁阀1 、5 的线圈电路，开启 壁挂太阳能热水器换热器和室内换热器的制冷剂通路。切断电磁阀2 、3 、4 、6 、7 、8 的线圈电路，关闭室外换热器的制冷剂通路。 2 太阳能热水器中热水温度( 温传1 ) 上升到t 1 = 4 5 以上且室外空气温度( 温传 2 ) 在t 2 = 4 0 以下时，通过可编程序控制器或单片机自动手动接通四通换向阀线圈电 路，接通电磁阀2 、5 的线圈电路，开启室外换热器和室内换热器制冷剂通路。切断电 磁阀1 、3 、4 、6 、7 、8 的线圈电路，关闭太阳能热水器换热器制冷剂通路。 3 室外空气温度( 温传2 ) 上升到t 2 = 4 0 以上时，通过可编程序控制器或单片机 自动手动接通四通换向阀线圈电路，接通电磁阀1 、5 的线圈电路，开启室内换热器和 太阳能热水器换热器制冷剂通路并打开热水阀。切断电磁阀2 、3 、4 、6 、7 、8 的线圈 电路，关闭室外换热器制冷剂通路。 2 3 2 冬季运行控制 1 室外空气温度( 温传2 ) t 2 = 5 以上时，通过可编程序控制器或单片机自动手 动切断四通换向阀线圈电路，接通电磁阀4 、6 的线圈电路，开启室外换热器和室内换 热器制冷剂通路。切断电磁阀1 、2 、3 、5 、7 、8 的线圈电路，关闭太阳能热水器换热 器制冷剂通路。 2 室外空气温度( 温传2 ) 下降到t 2 = 5 以下且太阳能热水器中热水温度( 温传 1 ) t l = 1 5 以上时，通过可编程序控制器或单片机自动手动切断四通换向阀线圈电路， 接通电磁阀3 、6 的线圈电路，开启太阳能热水器换热器和室内翅片管换热器制冷剂通 路。切断电磁阀1 、2 、4 、5 、7 、8 的线圈电路，关闭室外翅片管换热器制冷剂通路。 3 室外翅片管温度( 温传3 ) 下降到t 3 = - 8 以下且太阳能热水器中热水温度( 温 传1 ) t 1 = 1 5 以上时，通过可编程序控制器或单片机自动手动接通四通换向阀线圈电 路，接通电磁阀2 、7 的线圈电路，开启太阳能热水器换热器和室外翅片管换热器制冷 剂通路。切断电磁阀1 、3 、4 、5 、6 、8 的线圈电路，关闭室内翅片管换热器制冷剂通 路。 4 室外翅片管温度( 温传3 ) 下降到t 3 = 8 以下且太阳能热水器中热水温度( 温 传1 ) t i = 1 5 。c 以下时，通过可编程序控制器或单片机自动手动接通四通换向阀线圈电 路，接通电磁阀2 、5 的线圈电路，开启室外翅片管换热器和室内翅片管换热器制冷剂 山东建筑大学硕士学位论文 通路。切断电磁阀1 、3 、4 、6 、7 、8 的线圈电路，关闭太阳能热水器换热器制冷剂通 路。 5 室外空气温度( 温传2 ) 下降到t 2 = 1 0 。c 以下且太阳能热水器中热水温度( 温 传1 ) t i = 1 5 * c 以上时，通过可编程序控制器或单片机自动手动切断四通换向阀线圈电 路，不保证热水正常使用模式：接通电磁阀3 、6 的线圈电路，开启太阳能热水器换热 器和室内翅片管换热器制冷剂通路。切断电磁阀1 、2 、4 、5 、7 、8 的线圈电路，关闭 室外翅片管换热器制冷剂通路；保证热水正常使用模式：接通电磁阀4 、8 的线圈电路， 开启太阳能热水器换热器和室外翅片管换热器制冷剂通路。切断电磁阀1 、2 、3 、5 、 6 、7 的线圈电路，关闭室内翅片管换热器制冷剂通路。系统启动稳定运行后，接通电 磁阀4 、6 的线圈电路，开启室外翅片管换热器和室内翅片管换热器制冷剂通路。切断 电磁阀1 、2 、3 、5 、7 、8 的线圈电路，关闭太阳能热水器换热器制冷剂通路。 2 3 3 过渡季节运行控制 过渡季节热泵无需向室内供冷、供热，太阳能热水器中热水温度( 温传1 ) t 1 = 4 5 c 以下时，通过可编程序控制器或单片机自动手动切断四通换向阀线圈电路，接通电磁 阀4 、8 的线圈电路，开启太阳能热水器换热器和室外翅片管换热器制冷剂通路。切断 电磁阀1 、2 、3 、5 、6 、7 的线圈电路，关闭室内翅片管换热器制冷剂通路。 2 4 系统的特点 阳台壁挂太阳能一空气源复合热泵系统将太阳能热利用与空气源热泵有机结合， 从而实现供冷、供热及供热水三位一体功能。一方面，阳台壁挂式太阳能热水器换热 器吸收的热量可以有效改善空气源热泵冬季运行工况，提高供热效率，保证系统供热 性能的可靠性和稳定性；另一方面，空气源热泵又可以提高夏季阴雨天气、过渡季节 和冬季太阳辐射较弱时，太阳能热水的温度。根据水温和室内外温度的变化，复合热 泵系统在太阳能热效应利用技术与空气源热泵之间适时转换运行。系统的优化运行对 于降低建筑能耗、节约能源具有重要的意义，其市场应用价值和经济效益也将是巨大 的。 阳台壁挂太阳能一空气源复合热泵系统的特点如下： 1 空气源热泵替代家用制冷机和常规供热系统，可以提高系统的效率，解决了常 规系统的运行能耗和不可靠性。 2 将太阳能热水器复合到空气源热泵系统中，当空气源热泵系统在室外环境温度 较低的条件下运行时，解决了制热量的不足及室外风侧换热器结霜的问题，改善了空 山东建筑大学硕士学位论文 气源热泵的冬季运行工况，提高了系统的供热可靠性。 3 太阳能热水器与空气源热泵的结合，保证了太阳能热水器在夏季阴雨天、冬季 及过渡季节依然能提供较高温度的生活热水。 4 空气源热泵和太阳能热水器的结合达到了节能与环保的双重目的。这一研究成 果将为家用热泵和热水器的发展提供新的思路。 阳台壁挂太阳能一空气源复合热泵系统既充分发挥了空气源热泵结构简单、安装 方便的优势，又有效利用了低品味的太阳能，一方面改善了冬季空气源热泵运行工况， 另一方面在夏季阴雨天气及过渡季节时有效提高了太阳能热水温度。 阳台壁挂太阳能一空气源复合热泵系统采用新型大口径阳台壁挂式太阳能热水器 换热器，只是在普通的空气源热泵的基础上增加了一个阳台壁挂式太阳能热水器换热 器，得到了高于单个空气源热泵和单个太阳能热水器相加产生的经济效益；新型大口 径阳台壁挂式太阳能热水器换热器在安装上与现有空气源热泵协调一致，美观大方， 对于高层建筑太阳能热水系统的利用及建筑一体化设计具有不可比拟的优势。 山东建筑大学硕士学位论文 第3 章数学模型的建立和算法设计 3 1 压缩机模拟 压缩机是压缩式制冷空调的核心部件，压缩机性能的优劣以及与装置各部件的匹 配程度直接影响整个系统的性能，因此对压缩机建立数学模型，进行计算机仿真是目 前广泛采用的研究方法【2 4 2 5 1 。 目前压缩机数学模型的建立有两种方法：一种是采用压缩机的指示效率、机械效 率、电机效率和输气系数四个指标表示出压缩机的性能，如功率、制冷剂质量流量和 温度。近年来关于压缩机数学模型的研究比较多，如：s m s a m i & a d a h m a n i ( 19 9 6 ) 利用容积效率为主导，求取压缩机的流量、功耗、单位功和出口状态，该模型比较简 单，易于求解【2 6 1 。s u n g t a ik i m ( 1 9 8 5 ) 建立了小型封闭压缩机数学模型，包括了膨胀、 吸气、压缩和排气过程，还考虑了压缩机的机械损失、气缸耗功和气阀损失等2 7 1 。另 一种是抛开压缩机的内部结构和种类，只考虑压缩机功耗、制冷剂质量流量、制冷量 和蒸发温度、冷凝温度的关系，根据压缩机的性能曲线或参数表、实验资料等来建立 压缩机集中参数模型。 由于本课题是针对整个系统进行模拟，采用活塞式压缩机，故利用第一种方法建 立压缩机数学模型，亦即在确定的压缩机结构尺寸的条件下，根据压缩机的入口参数， 求出其出口参数，包括流过压缩机的制冷剂质量流量、功率、制冷量和排气温度。 3 1 1 压缩机数学模型 为了便于建立活塞式压缩机数学模型，作如下假设： 1 ) 压缩机气缸内制冷剂流动是理想的均匀一维状态。 1 制冷剂流量计算 珑一= 五卫 ( 3 1 ) 式中， 为开式压缩机环节吸气口的制冷剂气体比容，五为输气系数，屹为压 缩机理论容积输气量。对于活塞式压缩机 = f 焉n 刀 ( 3 2 ) 式中，d 为活塞直径，s 为活塞行程，为转速，i 为气缸数。 输气系数可用如下公式计算 山东建筑大学硕士学位论文 五= 以以乃砧 ( 3 3 ) 式中，凡、以、乃、乞分别为容积系数、压力系数、温度系数、泄露系数。 式中，瓴= ( o 1 0 o 1 5 ) p c 。 式中，瓴= ( o 0 5 0 0 7 ) p , 。 纠一口 降川 ( 3 4 ) 以= 1 一百l + a 百a p , ( 3 5 ) 疋：墨 。 正 ( 3 6 ) 式中，瓦、五分别为蒸发温度与冷凝温度，见、见分别为冷凝压力与蒸发压力，衄、 瓴分别为排气和吸气压力损失，口为相对余隙容积( 一般取o 0 2 o 0 6 ) ，如为泄漏 系数( 一般取0 9 5 o 9 8 ) ，m 多变膨胀指数( 一般取0 9 5 1 0 5 ) 。 2 压缩机功率计算 m ：m c o , , , ( h 2 - h a ) ( 3 7 ) 7 7 f 式中，j l l 、如分别为压缩机吸、排气焓值，仇为压缩机指示效率，为压缩机机械效 率。 仍2 乏+ 6 乞 = o 8 5 0 9 0 式中，乞为蒸发温度，b 为系数( 氟里昂压缩机一般取0 0 0 2 5 ) 。 输入电功率 岛：盟 式中， r 。为压缩机的电动机效率( 一般取o 8 ) 。 ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 山东建筑大学硕士学位论文 3 排气温度的计算 p 盟 = 乙铲) ( 3 11 ) j l c 式中，为排气温度，为吸气温度，如为排气压力，只。为吸气压力， k 为多 变压缩指数( 一般取1 0 5 1 1 8 ) 。 3 1 2 算法设计 输入压缩机参数，蒸发温度t e ， 冷凝温度t c ，理论输气量v t h 毒 计算压缩机吸排气压力p s u c ，p d i s 上 i计算压缩机吸排气焓值h - ，h 2 上 计算压缩机轴功率n c ，质量流量m c o m 图3 1 压缩机性能模拟程序流程图 3 2 毛细管模拟 毛细管作为一种节流元件，具有简单、价廉、稳定的优点，广泛应用于小型制冷 空调装置中。毛细管连接冷凝器和蒸发器，是小型制冷装置中的关键设备之一，虽然 几何结构参数简单，但制冷剂在内部流动非常复杂，国内外学者对此进行了大量的研 究，一般认为制冷剂在绝热毛细管内的流动状况如图3 2 所示，图中，a 和只分别表 示制冷剂在毛细管内的沿程压力和制冷剂沿程温度所对应的饱和压力。在装置运行于 正常的稳定工况时，毛细管进口状态是过冷液体。过冷的制冷剂液体在进出口压差驱 动下进入毛细管的过冷液体区i 。制冷剂在流动过程中因流动摩擦产生压降，当压力 下降到液体温度对应的饱和压力时，制冷剂便无法保持液体状态，理论上开始出现闪 山东建筑大学硕士学位论文 发，进入亚稳态液体区i i 。但实验研究结果表明制冷剂不会立即闪发，而是当汽液相 间的压力差满足气泡产生和生成所需的力学条件时，制冷剂才开始闪发，进入亚稳态 气液两相区。随后制冷剂压力下降很快，制冷剂流速迅速上升，甚至达到当地音速， 出现壅塞现象，进入热平衡态气液两相区。这时，毛细管出口处的制冷剂压力将大 于或等于毛细管的背压，制冷剂流量将不再受背压的影响。 r 出 图3 2 制冷剂沿毛细管管长的压力分布 3 2 1 毛细管数学模型 毛细管是一根细长的圆管，在小型制冷装置范围内，毛细管长度一般从几十厘米到 几米，内径则在l m m 左右。由制冷剂在绝热毛细管内的流动状态，可知制冷剂在其中 流动速度很大，远高于其在换热器中的流动速度，制冷剂流过毛细管所需要的时间常 数也远小于系统的时间常数，因此毛细管进出口状态的影响也可以认为是即时的，采 用稳态模型即可。下面采用绝热毛细管的近似通用积分模型，它运算速度快，且避免 了因采用分布参数模型而造成的稳定性差的问题【2 8 】。为了建立绝热毛细管的数学模型， 主要采用了如下假设： 1 ) 制冷剂在毛细管内的流动为一维绝热均相流动； 2 ) 忽略亚稳态流动。有研究表明，这一假设会带来约l 6 的偏差，由于这一 山东建筑大学硕士学位论文 值不大，故在建模时可以不考虑亚稳态流动。 i 基本模型 连续性方程： m ：n - d 2 g = 常数 ( 3 1 2 ) 能量方程( 绝热) ： + 导g 2 ，2 = 常数 ( 3 1 3 ) 动量方程： 一勿= g 2 d v + 丢丢v g 2 d l ( 3 1 4 ) 式中，p 、v 、m 、g 分别为流体的压力、比容、质量流量和质流密度，d 和分别 为毛细管的内径和长度，厂为沿程摩阻系数。 过冷区模型： 具体地，对于过冷区，过冷液体比容和沿程摩阻系数可认为不变，对( 3 1 4 ) 式积 分，得过冷区长度： k = 瓦2 d a p s = c 、。 ( 3 1 5 ) 式中，印盯表示过冷区压降，下角标s c 表示过冷区。 两相区模型： 对于气液两相区，焓和比容用下两式计算： h = + x ( h g - h ：) ( 3 1 6 ) v = 吁+ x ( v g 一吁) ( 3 1 7 ) 将( 3 1 6 ) 和( 3 1 7 ) 两式代入能量方程( 3 1 3 ) 式，得 h f 2 + x 2 ( h s 2 - h f 2 ) + t g 2 【吁2 + x 2 ( v 9 2 - v ，2 ) 】2 = 红+ j 1g 2 评( 3 1 8 ) 整理后可解得微元出口干度： l ：- b + b 2 - 4 a c ：一兰l( 3 1 9 ) k = 一= 1 = = = = = ；= k j i y ， 2 a b + 4 b 2 4 a c 式中， 山东建筑大学硕士学位论文 口= 去g 2 ( v 9 2 一v ，2 ) 2 ( 3 2 0 ) ，、g 7 b = g 2 v f 2 ( v 9 2 一2 ) + 心2 一2 ( 3 2 1 ) c = 寺g 2 ( 哆2 一订) + ：- h , ( 3 2 2 ) 为了积分求解( 3 1 4 ) 式，建立如下方程 矿= 1 + l q ( 1 p 一1 ) ( 3 2 3 ) 白= ( 疚呓) q ( 1 1 呓) ( 1 一废) 。2 ( 3 2 4 ) 岛= v l g 2 p 。 ( 3 2 5 ) 一 l 一。 r ：姜三 ( 3 2 6 ) 式中p = p p z ，1 ，= v v i ，苡= 死p l ，v 三= 屹v l ，a 和m 是两相区的进口压力和比 容，见和屹是两相区的出口压力和比容；c 】和c 2 为常数，c i = 0 9 2 8 5 3 3 ，c 2 = 1 0 9 1 5 6 。 数值实验表明，沿程摩阻系数厂沿程变化不大，不妨取进出口值的算术平均。将式 ( 3 2 3 ) 、( 3 2 4 ) 和( 3 2 5 ) 代入( 3 1 4 ) ，整理得 志k 。( 1 p = 也等+ 岛口 ( 3 2 7 ) 1 + 一1 ) 2 v 一 对上式积分，得 如一i n 呓一而k 一一去k c 度呓) 28ks 1 , 1 ，r = 一v ：一lj 庆一1 一上l n f 苡谚) i( 3 ) 2 ( 1 一) 【_ 州1 一毛u 1 川i 。 结合式( 3 2 6 ) 得两相区长度 l r e = 2 d l * 岛 ( 3 2 9 ) 2 壅塞流 随着毛细管背压的降低，制冷剂流速开始增加，流量加大，当流速达到音速时， 此时的流量为极限值，出现“壅塞”，此后制冷剂流量也将不再受到毛细管背压的影响， 因此在进行流量计算时必须考虑壅塞流动的情况【2 9 1 。 壅塞流量： 山东建筑大学硕士学位论文 式中， 瓯= 融爿。 1 一v g v f d s gd v g = l 上一j g 乙s g s rd p d p 土：羔二生生一生 g ；s g s fd p d p 3 摩阻系数和粘度计算 对于毛细管流动的沿程摩阻系数的计算，采用c h u r c h i l l 关联式 ( 3 3 0 ) ( 3 3 1 ) ( 3 3 2 ) 问嘲2 + 赤 西 棚， 止 2 4 5 7 1 n ( 7 0 9 1 瓦 肚l 3 7 斟5 3 0 ) ( 3 3 4 ) ( 3 3 5 ) 式中，r e = 詈，为r e y n 。l d s 数。在丢无法确定时，可考虑取3 2 7 1 0 叫3 0 1 。u u c h u r c h i l l 关联式课覆盖整个r c 数区域，且考虑了毛细管内粗糙度的影响。对于两 相区摩阻系数的计算，只需在r e 数的计算中采用两相粘度万。 对于两相区的粘度计算采用m c a d a m s 模型 lx1 一x = 2 q - 弘 p gp f 4 出口壅塞压力与壅塞流量的关系3 1 】 p 门c h = 扬瓦 瓯 = 2 6 2 x 1 0 5 p o j 5 2 0 ( 3 3 6 ) ( 3 3 7 ) ( 3 3 8 ) 山东建筑大学硕士学位论文 式中，下标，表示参考状态点。当毛细管进口状态为过冷液体时，参考状态点就是两相 区的进口状态，是对应进口温度的饱和液态。 3 2 2 算法设计 图3 3 计算毛细管流量的算法流程图 3 3 冷凝器模拟 冷凝器作为制冷系统高温换热器，与高温热源进行热量的交换，其传热性能优劣 对于整个系统的性能有着很大影响。制冷模式下是将系统产生和吸收的热量排放到高 温环境中去，制热模式下是将系统产生和从低温环境吸收的热量排放到用热空间。 制冷剂在冷凝器中的换热是相变换热，以利用制冷剂冷凝潜热大的优点。在设计 工况下，制冷剂以过热蒸气状态进入冷凝器，逐渐冷却到气液两相状态，并进一步冷 山东建筑大学硕士学位论文 却至过冷液体状态后离开冷凝器，进入节流结构。当系统运行工况发生改变或因为制 冷剂充注量不足等其它原因时，冷凝器的换热量、制冷剂的出口状态都将发生变化， 从而影响装置的制冷量或制热量。 冷凝器的建模方法很多，有集中参数模型( 又分为全集中、分区集中参数模型) 、 分布参数模型等。本课题是对整个系统装置进行模拟，并不需要反应制冷剂在冷凝器 中的分布换热特性，只要在一定的精度下，达到稳定和快速的仿真即可。因此，冷凝 器模型采用分区集中参数模型【3 2 3 3 1 ，即将冷凝器分为过热区、两相区和过冷区，如图 3 4 所示。然后分段对每区进行模拟计算。 过冷区两相区过热区 + 空气 ， ， 冷凝器管壁j 图3 4 冷凝器模型示意图 制冷剂 3 3 1 冷凝器数学模型 建立冷凝器稳态分区集中参数模型时，为了既能满足工程精度要求，又能最大限 度地简化模型，加快计算速度，对冷凝器换热模型作以下主要假设： 1 ) 冷凝器为逆流型换热器； 2 ) 管内制冷剂的流动为沿轴向一维流动，且不考虑压降； 3 ) 管外空气的流动亦视作一维流动； 4 ) 管壁热阻忽略不计。 1 基本模型： 在模型中，将冷凝器分为三个相区来考虑：过热区、两相区、过冷区，每个区分 别进行计算。对任一区，可以建立如下的方程组： 空气侧流动换热方程 q = ( 吃2 一k ) ( 3 3 9 ) 制冷剂侧流动换热方程 管内外换热量平衡方程 q r = m ，( 绋。一绋2 ) ( 3 4 0 ) q o = 翘 2 2 ( 3 4 1 ) 山东建筑大学硕士学位论文 每区导热方程 制冷剂侧平均温度 空气侧平均温度 管壁长度 q r = 眦( 乙一乙) ( 3 4 2 ) 乙= 半 = 半 ，4 l = - - - l - n d i ( 3 4 3 ) ( 3 4 4 ) ( 3 4 5 ) 式中，q 、h 、丁和m 分别为换热量、焓值、热力学温度和质量流量，么为每区面积； 下角标a 代表空气侧，代表制冷剂侧，m 代表平均值，f 代表管内；漏热系数善取o 9 ； u 为总表面传热系数，计算公式为 u = b 者) - 1 4 6 ) 式中，q 为制冷剂侧表面传热系数，为空气侧表面传热系数；罢为冷凝器内、外有 效传热面积之比。 通过上述方程组求得每个区域的长度 三： 圭二盘丛二竺 4 7 ， ( 2 二一? 1 册) r , d i 2 制冷侧换热关联式： 制冷剂侧单相区( 过冷区、过热区) 换热系数采用d i t t u s b o e l e r 换热关联式【3 4 ，3 5 】： n u j = 0 0 2 3 r e o - 8p r o 3( 3 4 8 ) 舯，n u ，：华，r e ：盟。 制冷剂侧两相区换热系数采用s h a h 换热关联式 3 6 】： 山东建筑大学硕士学位论文 口弦=q(1一x)o名+丁38x。ts(1-x)。4 r = p lp c ( 3 4 9 ) ( 3 5 0 ) 式中，口弦为两相区换热系数，为过冷区换热系数，x 为两相区干度，p 为饱和压力， p c 为临界压力。 3 空气侧的换热关联式： 对于平直形翅片冷凝器，采用李妩等人试验得出的换热综合关联式3 7 】： n u = o 9 8 2 r e 。m 4 。( 以s f 1 m 0 8 8 7 ( 等厂9 0 以= d o + 2 万 “n m = u y z 占：( 3 1 - - d o ) ( s f - 8 ) s 、s f b 2 竽 ( 3 5 1 ) ( 3 5 2 ) ( 3 5 3 ) ( 3 5 4 ) ( 3 5 5 ) 式中，s f 为翅片间距，s 。为垂直于空气流动方向管间距，s ：为沿空气流动方向管间距， d 3 为翅根直径，a o 为管外径，万为翅片厚度，n 为管排数，吼为进风量，4 为迎风面 积，n u ：单，r e = u , , n x d 3 。 以v 4 新型阳台壁挂太阳能热水器换热器( 冷凝器用) 水侧换热方程 总表面传热系数 管内外换热量平衡方程 每区长度方程 q 。= m 。c 州( f 。2 一t w l ) ( 3 5 6 ) u = b 击) 1 q w = 鲍 ( 3 5 7 ) ( 3 5 8 ) 山东建筑大学硕士学位论文 3 3 2 算法设计 三：( 圭二盘丛l 二竺5 9 ) ( 乙一乙) 磁 图3 5 冷凝器仿真算法( 输入制冷剂流量，输出出口过冷度) 3 4 蒸发器模拟 蒸发器作为制冷装置的低温换热器，与低温热源进行热量交换。在制冷模式下是从 用冷空间吸收热量，通过冷凝器排放到高温环境中去；在制热模式下则是从低温环境 吸收热量，通过冷凝器排放到用热空间。制冷剂在蒸发器中的换热是相变换热，一般 来讲，制冷剂以低干度的气液两相状态进入蒸发器，逐渐受热蒸发，最后以过热气体 状态离开蒸发器。 3 4 1 蒸发器数学模型 蒸发器的建模仿真较为复杂，对于空冷型蒸发器，会出现析湿现象。另外建模时还 要考虑制冷剂在管内流动时存在的加速压降和摩阻压降。本课题对蒸发器的建模同样 采取分区集中参数模型【3 2 , 3 3 。鉴于蒸发器的复杂性，本课题在建模时作以下假设： 1 ) 制冷剂与管外介质处于逆流状态； 山东建筑大学硕士学位论文 2 ) 管壁径向温度一致，不考虑管壁热阻； 3 ) 从简化模型算法的角度出发，故忽略蒸发器内的压降。 1 基本模型： 制冷剂在蒸发器内分为两个相区：两相区和过热区，每个相区可建立如下方程： 制冷剂侧换热方程 q = m ，( 以。- h r ：) = 口，4 ( 瓦一乙) ( 3 6 0 ) 式中，为制冷剂侧换热系数，4 为管内表面积，瓦为管壁温度，乙为制冷剂平均温 度。 乙= 互导 ( 3 6 1 ) 风侧换热器空气侧换热方程 q 4 = m o f h o 。一吃2 ) = 缸。a o ( z 帅一瓦) ( 3 6 2 ) 式中，为空气侧显热换热系数，f = 若兰豸为析湿系数，为空气侧平均温度。 乙= 雩粤 ( 3 6