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摘要 本文根据现存的恒温恒湿低温低湿空调系统存在的缺点，提出了 一种利用冷却盘管低露点除湿的方法和热气除霜方法相结合的恒温 恒湿低温低湿空调系统。建立了压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀几 部分的数学模型。通过数学计算得出各个部分在不同工况下的工作特 性。特别针对蒸发器在结霜工况下进行计算得出结霜特性对房间温度 湿度变化的影响。为进一步对系统进行优化提供了理论依据。 建立- r 恒温恒湿低温低湿系统实验台，通过实验验证理论模型的 正确性。实验测定各个参数变化对房间温度湿度影响以及对系统：1 二作 参数的影响。为系统进一步优化提供实验依据。 关键词：恒温恒湿低温低湿结霜实验研究 a s t u d y o nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n s t a n t t e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t ya i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mu n d e r f r o s t i n gc o n d i t i o n s a b sl r a c i 。 f h i s p a p e r i n t r o d u c e san e w a i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m o fc o n s t a n ta n dl o w t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yw h i c hc o m b i n e st h et w om e t h o d so fc o o l i n gc o i ll o wd e w p o i n td e h u m i d i f y i n ga n dh o t g a sd e f r o s t i n ga c c o r d i n gt o t h ed i s a d v a n t a g e so ft h e p r e s e n t o n e t h ct h en u m e r i c a lm o d e l sw e r es e t u po fc o m p r e s s o r , c o n d e n s e r ， e v a p o r a t o ra n de x p a n s i o nv a l v e t h ew o r k i n gp e r t b r m a n c eu n d e rd i f f e r e n tw o r k i n g c o n d i t i o n si so b t a i n e db ym a t h e m a t i cc a l c u l a t i o n s t t o wf r o s t i n g p e r f o r m a n c ew i l l i n f l u e n c et h ec h a n g e so ft h ei n d o o ra i rt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yu n d e re v a p o r a t o r f r o s t i n g c o n d i t i o ni s e s p e c i a l l ya n a l y z e d t h i sp r o v i d e sf u r t h e ro p t i m i z a t i o no ft h e s y s t e mw i t ht h e o r e t i c a lb a s i s i no r d e rt oc o r r e c tt h e a c c u r a c y o ft h em o d e l ，t h em o d e lo ft h ec o n s t a n t t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t ye x p e r i m e n tp l a t f o r m w e r e e s t a b l i s h e d d u r i n g t h e e x p e r i m e n t t h ep a r a m e t e rw e r et e s t e dw 7 h o s ec h a n g e sw i l i i n f l u e n c et i l e h u m i d i t yo l t h er o o ma n dt h ew o r k p a r a m e t e r o l t h e s y s t e m t h i s p r o v i d e s m a k ef u r t h e r o p t i m i z a t i o no f t h es y s t e mw i t he x p e r i m e n t a lb a s i s k e yw o r d s ：c o n s t a n tt e m p e r a t u r e a n dh u m i d i t y ，l o wt e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t y f r o s t i n g e x p e r i m e n t a ls t u d y 天津商学院蛳i 论殳结霜i 况下恒温t _ 1 m 系统性能研究 第| 章绪论 1 1 前占 本世纪以来，随着人类文明的不断进步，r 业、农、j p 、国防和科技现代化 的飞速发展，尤其在近些年以来电子技术、生物技术的不断进步，存人们的同 常1 j 活和上、i k 生产中x , j 丁环境的要求越来越苛刻，卒一e 的温度、湿度f 1 益成为 人们十分关注的两个重要的环境参数。 在h 常生活中，人们总是把容易腐烂的食物放在冰箱或冰柜里存放，把吸湿 剂和容易受潮的药品、食品、糕点包装在一起。不仅在人们的同常生活中，而且 在各种1 ：业牛产：部门内也广泛地对温度和湿度加以控制。工厂车问内，如果不对 环境的温度湿度进行控制，电气线路、精密仪器、自动化装置就会发生故障，以 致增加相当可观的维修费用。当今，通讯技术的发展日新月异，向通讯组件的生 产过程巾，对温度和湿度有着严格的要求。计算机房中，由于电子汁算机在连续 运转过程中，电子组件不断发热，若不进行空凋降温，组件就不能正常工作。高 湿度会导致设备表面结露，使纸张发粘。低湿度可能会发生静电效应，若环境温 度变化过于剧烈，计算机甚至可能停机。化学工业方面，原料气体f 乙烯、内稀、 顶：烯) 的生产反应中，水分会使催化剂失效，为此必须将气体脱湿至极低的程 度。维生素和抗菌素等约品的生产包装，也离不丹温度湿度的控制。存仓储、药 厂车间f i 、胶片7 l - i “存储等行业，对温度湿度亦有着严格的要求。然而，仅仅依靠 普通空调器是无法满足温度湿度精密控制的要求。这就用到恒温恒湿机来进行温 度温度的调节以满足工业生产的需要i 。4 1 。 恒温恒温机是种柜式空调装置，功能比较齐全。既能够降温降湿，又能够 加温加湿，并能够控制温度湿度。恒温恒湿机的控温、控湿要求是根封； 室内人员 的需要和科研、工艺的不同而确定的p 8 1 。般民用性建筑比如饭店、商场、剧 院、医院等场所，温度要求控制在2 4 。c 2 8 0 c ，湿度要求控制在4 0 - 6 5 。精密 仪器加工争m 温度要求= | 牵制存1 8 0 c 2 3 0 c ，湿度控制在4 0 6 5 。对下制药某 些车问、胶片储存仓库、手机电池生产车叫等场所温度要求控制在lo 。c 、一2 0 。c 以 卜，湿度要求控制在3 0 以r ，最低可以达到1 5 。， 1 2 恒温恒湿空调研究现状 6 0 年代初，在剀家科委十年规划中，将恒温恒湿技术列入围家重点攻关。阽 课题。由中国建筑科学院空调所负责，组成了空调设备、恒温恒湿指标、气流组 织、自动控制等专题组进行研究，于l9 6 5 年研究得出整套科研成果，包括商精 密恒温f2 0 05 。c - 4 - 02 。c 、+ - 0 1 。c ) 和般精度恒温f 2 0 0l 。( ) 等技术 没计计算方法，采取的措施设备选用方法；同时义纰织对全国典型哪2 进行恒温 天津髑学酸颐 谜文：结霸t 聪f 恒泓恒温系统性能 i j 允 普查和实测总结，于6 0 年代提出了适合我国国情的恒温工程整套设汁方法。从 护结构、送风温差换气次数、气流组织方式与计算、设备选犁以及注意事项都 有r 明确规定，这些编入了空气调节设计手册，广泛应瑚予史际工程，至今 办在使用。进入了7 0 年代以后，技术在进步，生产工艺又提出了更高要求，我 l d 在北京光学仪器厂光栅刻线室成_ 功地实现高精度恒温，达到国际水平1 “”。近 些年来，特殊的工, l i d 房及公共建筑要求低温低湿空调环境h 益增多( 表i 1 ) ， 有些环境湿度要求征15 以下，表内并未列出。通常把室内温度低于1 4 。c 和相 对湿度低于4 0 称为低温低湿空调环境，其中低湿是灭键。l 亓j 叫实现低温低湿 的处理过程也在不断完善，实现低温低湿的核心设备除湿机也在不断提高，实现 低温低湿的守调环境更不断发鹱“。 表j 一1要求低温低湿空澜环境举例 室内参数 建筑物名称特殊要求 温度o ( 、相对湿度 军j 炸药生广车j 开j 12 ( ) 除尘、防爆 炸药、弹药库 123 0 4 ( ) 际尘、防爆 制药厂制粉及包装车削 l22 ( ) 3 0 洁净、无菌 制片及蜍层车间 1 43 ( ) 洁净、无菌 针剂及灌装车j 1 ；i j 】43 0 4 ( ) 洁净、兀菌 精密仪器、电子厂房、制造、装配、 l44 0 洁净、恒温 储存牟n q 胶布、磁带厂房涂柿、包装、储存 1 44 ( ) 洁净、防火 i ，| _ 二问 、q 案、收、藏博物馆 1 4 4 0 防火 r 一。 爵像制t i ：】库 l2 1 44 【) 洁净、防火 1 3 低温低湿空调常用的除湿方法 天津商学院颤士论文 结霜工况下恒温恒湿系统性能研究 实现低温低湿的处理过程，主要有三种方法，即冷却除湿、固定床吸附除湿法和 转轮除湿法。 ( 一) 冷却除湿 冷却除渝的原理就是“湿空气被一次冷却到露点温度以下，除去冷凝水之后 再进行加热”的方法，因此也可以称为露点法。由于用冷冻机作为冷却的手段， 所以又称为冷冻除湿。广义而言，也可以不用冷冻机。例如可以使用井水为冷源， 但笼统地把它称为冷却除瀑。冷却除湿又可以分为窄气喷水室方式和冷土f j 盘管方 式。一般在露点不低( 即露点在l5 。c 以上) 的情况卜，可以采用空7l 喷水审方式 在必须冷却和同时要求滤尘时也使用这种方式。露点在15 0 c 以下时，则必须使 用冷却盘管方式l 图1 1 1 。 址理空气入口 厂- l _ 1 7 图1 1 喷水室结构 矬瑶空气出口 在喷水室方式中作为冷源的有使用地下水的自然冷水也有使用冷冻机的人 工冷水方式。无论使用哪种冷源喷水室的结构都大致相同。喷水室中有喷水装 置，水池和档水板。唉水装置能对所有的气流均匀地喷淋冷水。档水扳的作用是 使水滴不会逸出。这种方式仅用少量的水就能提高传热效率，但是缺点是管理麻 烦，所以使用的不多。 冷却盘管式的冷却除湿又可阻分为直接蒸发盘管的冷却除温和用冷水( 不冻 液) 盘管的冷却除湿以及冷却盘管的低露点除湿。直接蒸发盘管式冷却除湿的原 理是在冷却盘管中直接减压蒸发来自往复式或回转式压缩制冷机的高压液体冷 媒，以冷却通过盘管外侧的空气，使之冷却到所要求的露点以下而进行除湿。直 灭津商学院顺f 论文 结霜丁况下恒温恒懦系统性能酬究 接蒸发盘管式的冷却除湿装置与一般的冷冻装置没有多大的差别【图1 2 1 。 与般的冷冻装置比较，直接蒸发盘管的除湿装置有以下特点。 1 压缩机能够进行低露点除湿的运行。 2 在负荷变化时，可由热力膨胀阀调节供液室，确保除湿能力。 3 制冷装置可以根据被处理空气的参数合理地运行。 4 设置了控制相对湿度的再热装置，可以用压缩机的排热作为它的热源， 或者采用电加热装置。 5 只要设置除霜装置，低露点( o o c 以f ) 条件下也能够正常进行除湿。 6 夏季也能对高温度的室外气体进行直接冷却除湿。 图1 2直接蒸发盘管冷却除湿机系统图 口 用冷水( 不冻液) 盘管的冷却除湿原理是，在盘管内通入用制冷机获得的冷 水或者低温不冻液，冷却通过盘管外侧的空气至要求的露点温度而除湿。可以使 用往复式压缩机冷水机组和离心式制冷机或者以水为冷媒的吸收式制冷机作为 冷水和不冻液的发生装置。冷水( 不冻液) 盘管比直接蒸发盘管适合于更大的制 冷机容量。与直接蒸发冷却作用比较，冷水( 彳i 冻液) 的传热效率好，并能严格 控制流量，因此能f 确地调节冷却甜管出1 3 状态，这些都是这种方式的特点。与 直接蒸发方式比较，冷水( 小冻液) 能蓄冷蓄热，冈此适用于负荷变化激烈的地方。 但其装置比直接蒸发方式复杂，设备费、运转费高 图i 一3 】。 冷却盘管的低露点除湿方法是指盘管表而温度低 一结霜临界值，即空气的磷 点温度低于o 。c ，它是种带除霜装置的冷却除湿装置。肖拎、口盘管 。没有任俐 天津商学院硕士论文结霜工况下恒温恒湿系统性能研究 除霜装置时，一旦露点低于o o c ，霜便会在盘管表面不断地增长，最终堵塞空气 通道，妨碍传热，丢失除湿功能。因此设备不能连续运转。在允许结霜的冷却除 湿法中，有连续运行和间歇运行两种方法。前者沿空气流动方向平行放置两个冷 却盘管，用切换的方法处理霜的增长。这时，采用某种方法除去暂停工作的冷却 盘管上的冰霜 图1 4 】。没有备用冷却盘管的冷却除湿机，肋片表面的霜会不断 增长，如需要达到某种程度时还不至于阻塞空气通道，妨碍传热，则在设计时就 必须使冷却盘管的肋间距，传热面积和肋片的阻力等留有充分的余地。而此类冷 却除湿装霄除霜的过程中，又必须中止它的工作，因此除了特殊用途以外，一般 都不使用它”4 “”i 。 过溏器玲却盘首再热器遵风机 生【理空气玉、口 图1 3冷水( 不冻液) 盘管方式冷却除湿装置 冷却水 出口 图1 4连续运行低露点除湿装置 女l 理空气出口 广_ j 苓 处 天津商学院硕 论文 结霜t 况下恒韫恒湿系统忡能研究 ( ：) 固定床吸附除湿法 吸附现象是指广生在相异一相的边界面i j 的边界匠现象。吸附就是把分1 r 配列程度较差的气相分子浓缩至分予配列程度较高的固柏。使t 相浓缩的物质叫 做吸附剂，被浓缩的物质叫做吸附质。吸附有物理吸附和化学吸附两种，前者是 由吸附剂和吸附质分子之问的吸附力，也称为范德瓦尔吸附力所引起的可逆现 象。如果固体表面对气体的引力人于气体分子之间相互的引力时，气体就会被浓 缩在吸附剂表面卜。在平衡状态下，吸附剂表面的吸附质的分压和与之接触的该 气体的分压相等，若气辅的分压或者相当湿度降低，该气体就会脱附。化学吸附 也叫做活化吸附，是在高温条件下的吸附，而且是小可逆的。固定床吸附除湿法 采用的是物理吸附，常用的吸附荆足硅胶。在这种除湿方法中，室外新鲜空气绎 过硅胶固定床吸附除湿，同时放出吸附热，相应温度升高，再经过表冷器以+ 5 。c 冷冻水降温除湿处理，并且与回风按照定比例混合至送j x l 点。这种方法设备简 单又仃能，但是缺点是设备庞大，吸附剂硅胶的置换和再生麻烦+ 也比较困难， 硅胶的吸湿量随着使用时删波动变化，引起室内温度和相当湿度也波动变化，不 容易稳定和控制，控制环境参数不易保证。 ( 三) 氯化锂转轮除湿法 氯化锂转轮除湿机利用一种特制的吸湿纸来吸收卒气中的水分。吸温纸是 咀玻璃纤维滤纸为载体，将氯化铿等吸渝荆和保护加强剂等液体均匀地吸附在滤 纸上烘干而成。存在于吸湿纸内的氰化锂吸收水分以后牛成结晶水而小变成盐水 溶液。常温时吸湿纸i ? 水蒸气分压力比空气中水蕉气分j f i 力低，所以能够从空气 巾吸收水蒸气；而高温时吸湿纸卜水蒸7 i 分压力高于空气的水蒸7l 分压力，因此 又可以将吸收的水蒸气放出束。如此反复循环使用使u j _ 达到连续除湿的f _ _ i 的。 到 i 5 。 雾灞 o 龟譬潦 搿i 一舔i 蔫! 孽 千爆空气出口 再生空气入口 、再生用加热器 吸谩转乾 图1 5氯化锂转轮除湿l ：作原理图 这种除湿装置由于其结构上的限制，不能获得低露点的卜卜气，这种装霄 blf#书 天津商学院硕士论文 结霜工况下恒温恒湿系统性能研究 的优点是除湿设备先进，操作简单连续，节能安全，在任何条件下都能进行除湿。 转轮除湿机在近几年来发展很快，在国外瑞典和德国最先进，在国内杭州、常州 和无锡发展较快。 根据资料显示，国内外对低温低湿的研究进展，大都采用盘管表面温度在结 霜临界温度以上的除湿方法。如果要进步降低温度湿度，就要采取冷却盘管低 露点除湿法，即盘管表面结霜进行除湿的方法。如果采用冷却盘管低露点除湿的 方法，就要涉及到对盘管的除霜问题。目前对于盘管表面除霜问题主要有以下几 种方式1 2 。2 9 i ( 一) 四通阀换向的除霜方式 在普通的制冷系统中，冷暖切换由四通阀完成。除霜开始后，四通阀出制 冷时的位置换成制热时的位置，压缩机排出的高温高压气体经过室内换热器放热 除霜，同时，为了减少与室外空气的热交换，停止室外风机。为了防止热风吹入 室内，室内风机也停止。结束除霜后，换向阀再换向，恢复制冷运行。这种除霜 方法需中止制冷循环会造室内温度升高。 ( 二) 淋水除霜方式 这种方式是在冷却盘管、肋片表面淋水以加热管道。即使对于大容量盘管 也能在很短的时间内把霜除去，并且系统简单价格便宜。但是如果淋水后小能 及时把余水除净，反而会加快结霜的速度。当淋水温度过高时，淋水时产生的 热蒸汽会在用冷单元的表面上结露或结冰。合适的淋水温度应在1 8 2 0 。c 之间。 融霜水经阐收，加热后可反复使用。 ( 三) 电热除霜方式 这是一种预先在冷却盘管的管束中向适当的位置配置带绝缘皮的电热丝或 电加热管的融霜方式。这种融霜方式确定所需的电加热器功率的方法简单，而且 加热融霜可靠。缺点是除霜时间长，可能出现电气绝缘性能降或者短路事故，运 转费用也比其它方式高。 ( 四) 热气除霜 这种除霜方式，要室内的供暖或制冷仍在进行。这种除霜方式是将压缩机出 口的高温高压冷媒气体直接送至冷却盘管，升高盘管温度进行除霜。与基本制冷 系统相比在压缩机排气端与室内换热器的出口之1 训连结一根旁通管，并由电磁阀 控制其通断。与其它方式相比其差异是直接从冷却盘管内向外传出热量，因此能 够快速除霜。在低温范围内，这种除霜方式是有效的。但这种方式存在三个问题， 一是进入压缩机吸气口的制冷剂中含有液体，易使压缩机造成液击，缩短其使用 寿命。二是吸气压力提高，使压缩机压缩比降低，压缩机吸气侧制冷剂的比容减 少，制冷循环量增加，使压缩机的运转电流和噪音增大。三是装置相对复杂，管 天津商学院蛳i 论殳结霜i 况下恒温t _ 1 m 系统性能研究 耻也比较麻烦。 在宅调器巾最常用的是电热除霜，但是采用这种除霜方式就要相应的增加运 转费用，不利于钳能降耗。 1 4 问题的提出 随着工业生产的发展，一些要求低温低温环境的场合r 盗增多( 表1 1 ) ， 就目前掌握的资料来看，低温低湿机所能达到的最低温度足l5 、i6 0 c ，湿度在4 5 以上。温度对于低温低湿环境大都采取冷却除湿与转轮除湿相结合的方法，或 者采用两级制冷冷凝除湿的方法，或者采取两套制冷系统使之采用冷却盘管的低 露点除湿的方法。冷却除湿与转轮除湿相结合的方法中对于冷却盘管表面温度要 有严格控制，使之保持在结霜临界值以上，控制比较复杂，容易造成甜管表面结 霜事故。采用两级制冷冷凝除湿的方法一级表冷器使用+ 5 。c 的冷冻水，后级表 冷器改用o 。c 或。5 。c 的冷冻箍水进行一次除湿，后一级表冷器表向温度有着严格 的要求，必须保持在o “c 阻上，甭则容易发生冻结现象。采用两套制冷系统低露 t l 除湿的方式，系统复杂，设备庞大，投资较多。如何对现存的低温低湿空调系 统进行优化便成为当前急需要解决的个题目。 1 s 本课题研究内容及意义 本课题的研究内容是i 、针对低温低湿宁调存在的问题，提m 一一种采用冷却 盘管低露点除湿晌方法和热7t 除霜方法相结合的低濡低湿空调系统，使其濡度达 到13 1 5 0 c 湿度达到3 0 4 5 。2 、通过对系统进行可行性分析，建立低温低 温空调的循环特性模型，分析其运行特性，得出蒸发器、冷凝器、爪缩机、节流 阀的最佳匹配规律。3 、选择制冷剂，优化控制系统，结合实验研究确定融箱的 最佳时机。 术课题的研究意义在丁：采用冷却盘管低露点除湿方法将对低温低温窄调系统做 进一步的优化，能够更好地满足工业生产的需要。采用热气除霜的疗法，较现d 一 比较常用的电热除霜力泫更节能。能够顺应形势的发展，提高能源利用效率，加 强环境保护。从以上观点来看，奉课题的研究与乍广。卜活有着密切的火系，具有 很强的实际意义。 天津商学院蛳i 论殳结霜i 况下恒温t _ 1 m 系统性能研究 第二章低温低湿空调系统数学模型的建立 系统数学模型分为稳态模型和动态模型。稳态模型是模拟系统稳定工作时的 情况， 般不含有时涮量的代数方程组求解得到的结果：动态模型是模拟系统动 态特性的，多由含有时问项的+ 组方程联立求出。低温低湿窄调系统中的蒸发器 和冷凝器都是较大空间换热的，要把空气参数改变一个差值，需要较长的时间， 其上作过程可以看作是一个连续的甲衡过程，所以般建立稳态模型，即在某一 给定的运行条件下模拟系统的性能。如果要研究运行条件连续变化时系统的性 能，i q 以采用离散这个变化过程的方法，取出有代表性的点依次输入模型，计算 得到性能的变化情况。 本文提出的冷却盘管低露点除湿的方法和热气除霜方法相结合的低温低湿 空调系统主要部件有：压缩机；冷凝器；蒸发器；膨胀阀四个部分组成，蚓此 分别建立了各个部件的数学模型。 2 1 压缩机模型 压缩机是压缩制冷空凋系统的“心脏”，对丁压缩机特性的研究、压缩机结构的 优化、压缩机与装置各个部件的匹配历来是制冷空调装置研究的一个重要方向。 2 1 1 建立压缩机稳态工作模型 小型全封闭活塞式压缩机在结构卜可以认为山丌启式压缩机加上电机、机 体、机壳、和润滑油组成，制冷剂在压缩机巾的流动町分为吸气温升过程、气缸 巾月i 缩过程和排气时的降温过程。其稳态模拟，最常见的方法是通过计算输汽系 数、效率乘以理想压缩过程的t l 算结果得到实际的耗功、制冷量和质量流节等 系列结果i ”。”i 。这种方法计算输汽系数时需测较多的量，比较麻烦，人多都根 据经验米取输汽系数，盲目性较大。另外一种方法是以压缩机性能曲线为依据， 取点进行数据拟合而得到的模型i ”i 。由于本模型重视整体特性的研究，日压 缩机采用l g 公司的产品，其特性表由生广：厂家提供，比般理论推导的准确性 高，故采用第种方法。特别指m 的是，由丁压缩机性能表是在工质确定；蒸发 器山口过热度和冷凝器出厂_ 】过冷度确定；冷凝温度t 。和蒸发温度l 。：严格的讲是 l j 缩机山口压力和进l i 压力所别应的饱和温度，1 h 是由于爪缩机排气管和吸气管 的压降很小，故电可采用实际的冷凝温度和蒸发温度来表示。 从压缩机性能表中，取出运行i x 间足够多的点，用最小二乘法”| 丰咀合成1 、 而的表达式p 圳： m a s s c o m p = a ( ) + a i t 。+ a 2 i c + a 3 t j + a 4 t ! + a s t c t c 十a t , t ：t c 干_ a vi c t j + a s t ：i j 1 1 天津商学院硕士论文 结霜工况下恒温恒煨系统性能研究 p o w c o m p 0 2 8 0 - - b i t c + b 2 t c + b 3 t ：+ b 4 t ：+ b s t c t c + b ( 1 t ：t 。+ b 7t 。t ：+ b s t ：t ： 2 2 式中： m a s s c o m p ：压缩机中制冷剂制冷流速k g s p o w c o m p o ：压缩机中功率消耗 k w a ( 广a 8b ( r b s ：性能曲线拟合系数 公式21 l 和2 1 2 只适用于此种压缩机在拟合工况下的性能曲线的性能模拟，对 于不同工况，不同型号的压缩机，其性能的模拟要重新进行。 2 i 2 性能拟合公式的推广使用 在很多情况下，冷凝器出口处的过热度和蒸发器出口处的过热发不“f i r a 两足式 2 1 1 和2 i 2 的要求要完全按照公式要求进行模拟计算，儿乎4 ；可能，则应对蒸 发器出口处的过热度达不到要求时的拟合公式计算结果进行修正i 川i 。 1 ) 质量流率的修正： m a s s n e w li + f ( v 1 1 1 a p ，v n e w 一1 ) m a s s m a p 2 - 3 式中： m a s s n e w ：修j 下过的质量流率 k g s m a s s m a p ： 式21 1 计算所得的质量流率k g s v n e w： 实际的压缩机吸气比容m 3 k g v m a p ： 规定过热度下压缩机吸气比容1 1 1 弧g 2 ) 压缩机功率的修正： p o w n e w 一一m a s s n e w a h i e n , n e w p o w m a d m a s s m a p h i c n m a p 1 2 4 修正过的压缩机功率k w 式2 1 2 训算得到的压缩机功率k w 实际工况下等熵压缩至冷凝器的焓差k j k g 在规定过热度下等熵压缩至冷凝器器的焓差k j k g 2 1 3 本计算模块主要参数的计算： 1 ) 压缩机进口焓： 在已知蒸发器出口处制冷剂焓值情况f ，求出管道吸收热量，其和就为压缩 一黧唧 ：m m m m舯叭删龇蛳 天津商学院碗上论文 结霜t 犹r 恒温恒坶系统忡能 l j f 究 机迸n 焓值 h i n c o m p 2 h o u t v + q s u c k m a s s c o m d 式中： h i n c o m p ：压缩机进口焓值 k j l k g h o u t v ： 蒸发器出口焓值 k j k g q s u c k ：吸气管热损失率k j s 在实际汁算中，由于蒸发器出口到压缩机进f 1 段很短， 热量交换可以忽略，故可近似认为 it i n c o m p = h o u t v ，一气 加之有保温捌料，其 2 6 2 ) 压缩机迸门焓： h o u t c o m p 。( p o w c o m p q c a n ) m a s s c o m p + h i n c o m p 2 - 7 式巾： h o u l c o m p ：压缩机进v i 焓值k j k g q c a n ：压缩机壳体热损失率 k j s 压缩机热损失率与空气流动形式、压缩机进口制冷剂参数、压缩机种类、 规格等有关系，通常采用图解法求得 3 7 1 ，其方法取压缩机传给周围介质的 能量与供给压缩机的能量之比q c a n p o w c o m p 作为变化参数，制出了它 受到各个因素影向变化的曲线，可以州接求出q c a n 。 3 ) 冷凝器进口焓值 h i n c o n d = h o u t c o m p q d i s m a s s c o m p 式巾： h i n c o n d ：冷凝器进口焓值 k 1 k g q d i s ：压缩机排气管热损失率k j i s 在实际计算当中，可以近似认为 h i n c o n d = h o u t c o m p 2 8 2 9 2 1 4 程序编制思路及程序流程图 1 j 缩机入i3 参数由蒸发器出口参数确定，接着根据压缩机性能表拟台方程计 算制冷剂流量和压缩机功率( 初试时冷凝温度是设定的) ，由式! 一3 和2 4 修f l 二， 再计算压缩机壳体散热，求出压缩机出参数作为冷凝器进口参数。 天津商学院硕士论文结霜工况下恒温恒瀑系统性能研究 2 2 冷凝器模型 压缩机模块开始1 f 输入压缩机进口1 制冷剂热力参数i i 求出压缩机质量流牢和功率 并按照过热度情况进行修正 t 计算压缩机热 损失率及压降 ， 进入下一模块； 图_ 2 - 2 压缩机模拟计算流程图 冷凝器作为装置的高温换热器，与外界环境进行热量交换，存制冷模式下是 将系统产生和吸收的热量( 直接或e i j 接) 排放到高温环境中去。 本文所建立的冷凝器模型采用步进计第的方法，把制冷剂流道分为若干微元 段，用上一个微元出口状态参数作为下一微元入口参数，由于管内、外定性温度 都是未知的，所以出口参数都是先假设，然后迭代计算出温度、压力的变化情况， 2 2 1 控制体的选取 步进计算方法首先要选取控制体。控制体的选取如图2 - 3 。其中d x 为管间距 d y 为翅片间距。 图2 - 3 控制体的选取 ：。=_=_叫_ j _ 。一、1 心 。一 一一 天津商学院硕士论文 结霜工况下恒温恒湿系统性能研究 进出控制体能量交换如图2 4 。 。 l 、 d m a 图2 - 4 制冷剂和空气进出控制体参数 为了既能满足工程需要又能够最大限度的简化计算，有必要忽略掉次要因 素，对模型进行简化： ( 1 )空气和制冷剂在控制体内的参数和流量不随时间变化； ( 2 )空气在换热器内部无横向渗混； ( 3 )制冷剂在各路上分液均匀； ( 4 )制冷剂气、液皆视为不可压缩流体： ( 5 )所以热量传递均在空气和制冷剂之间进行，不计管子方 向的热传导。 若是多路冷凝器，则耿上一排翅片管出口宁气平均参数作为卜- 排翅片管 入口空气参数。 2 2 2 控制体内能量平衡方程 在微元段内建立空气和制冷剂的平衡关系式。 空气侧热交换平衡方程： c p a a t ；d m 。= 吒( 7 j 一7 ：) ( 4 + e 4 ) d y 2 - 1 0 制冷剂侧热平衡方程： a h ，d m 一! 互二互! 堕 l i l ( d o q ) + 1 + l n ( d f d , ) 2 2 ，口，d 2 空气侧和制冷剂侧的热交换平衡方程 a h ，d m ，= c p , a a t 。d m 。 2 2 1 2 天津商学院硕j 论文 结霜工况下恒温恒湿系统r 阜能研究 制冷剂侧压力平衡方程 d p , = 一只= 一，( i ，x 。f ，t ) 式中： c i ，。：空气侧的定压比热 口。：卒气仞j 对流换热系数 爿。：控制体内基管外表面积 n ：显热交换翅片效率 a r ：控制体内翅片表面积 。：管壁导热系数 r ：翅片导热系数 2 2 3 控制体内有关参数的计算 k j k g k k w r n 2 k m i t i 。 k w m - k k w m k i ) 空气侧对流换热系数a 。 平直翅片管空气侧对流换热系数a 。参阅文献1 3 8 的公式来计算，a 。可利用j 冈子来计算，因予的定义式为： i 辄p 2 j ： 生，竺“ 2 州 p r 2 “a 对于4 排管换热器，因子的计算可以采用文献f 3 8 】的经验公式： i 4 = 0 2 6 7 5 p + 1 3 2 5 1 0 4 p = r e 托；4 百s i 瓦s 2 百a m i n 一5 式中 s ：管间蹲 r e d = g d 。i ( a 。豇。) 管j q b i h j 距 换热器厚度 换热器外表面积 换热器迎风面积 管外径 m m m m m 灭津商学院硕七论文 结霜工况下恒温恒瀑系统性能研究 “：空气动力粘度系数k g ( m ) 对于其他排数的换热器，可以采用下述公式进行修正 五一1 二! 竺! 竺i ： ，j1 4 1 2 8 0 r e , - 一 j 戈中： r e l = g 。i ( 。，) 2 ) 制冷剂侧对流换热系数 制冷剂在单相区，包括气体冷却区和液体冷瑚j 区，使用最广一泛的关联式 为迪圈斯一贝尔特( d i t l u s b o e t t e r ) 公式l ： n u ，= 0 0 2 3 r e 8 叫1 2 - 15 加热流体日寸n = o4 ，冷却流体时n = o3 。此公式适用于流体与壁面具有中 等以下温度差的场合。式中采拜j 流体平均温度“( 即管道进、出u 两个截面平均 温度的算术平均值) 作为定性温度取管内径r ，为特性尺度。实验验证范围： r e r 21 0 。1 ，2 1 0 1 ，i h ，2 0 7 1 2 0 l 一：、6 0 两相区制冷剂的状态可以分为两个区域：两相湿壁区和过渡区。如图2 - 5 所 示。过热态制冷剂进入换热器随着干度的减小换热系数逐渐增加，达到个最大 值以后，沿制冷剂流动方向产生一层液膜，随着制冷剂的流动液膜厚度逐渐增加。 从而制冷剂的对流换热系数逐渐减小。很多文献对于湿壁区和过渡区的划分有着 不同的浼法，文献f 4 3 】以干度x = 0 8 为界束划分，p i e e r c h 。“l 等人以x = 0 9 为 界进行划分，本文采用文献 4 7 1 推荐的划分方法，以x = o 7 5 为界进行划分。 对 流 换 热 系 数 湿 壁 k 过过 渡热 k。区 度 图2 - 5 换热器内制冷剂分区 大津商学院硕i 论史 甜i 霜i 况下t h 溢恒m 系统抖能斜 j _ t 阴桐湿壁陬换热系数： 文献 2 7 关系式适用于r 2 2 、r 1 2 、r l 1 掣：oo 0 0 9 。 只p ? 。彪， ”s 当1 0 ” r e ( d ，) ! 00 3 4 时 ，= ( d ，o ， 0 0 2 9 + 0 3 0 4 r e ( d ，( ) u ”、 当r e ( d ( 0 ) ! 3 0 0 时 ，= 0 3 1 6 ( d ，( 。r e “一 当r e ( d ( - ，) 1 2 - 0 0 3 4 刚，采用直管段汁算方法求得 b ，：弯头管中心线长度n l ：弯火管两边中心线间距 弯头段两年h 区制冷剂压降： p ，：- 坐盟 2 d 譬 式叫_ l ，： v ，：7 i 体流速 1 1 1 s p ：气体密度k g n 1 一 2 2 2 ，漳粕。茸院触j 睡i ，。，。l 。 一 e x p ( o 2 1 5 c ，d ) 1 2 5 r e ：气体雷诺数 2 2 4 冷凝器模块计算流程图 l 奎焦墼盐缒 l 输入冷凝器进l | 参数 和结构参数 _ _- f - ：二二一 假醴微元出口参数 j 一一 上 j f 制荽翥蔷蒺烈系数f 上 一一 计算空气侧 i制冷剂侧换热量 1 一 j 一一 l判断此微元是 i 直管段或弯头段并计算压降 t 一 i 计算微元出v i 参数 _ _ lf 旧i t - g t 一微垂， 、 ，+ 比较计算值与假设值 ”、之差是否满足精度， 、，+ j 是 否，判断冷凝器、 足否计算完皂， 一 i 是 l 结束本模块1 1 塑：! ：型 = 坚型型l ! 篁堕二：望羔 否 、 2 3 蒸发器模型 本文采用的蒸发器是一般热泵空调机所采用的翅片管式蒸发器。蒸发器由 紫铜管和铝制肋片制成。 2 3 1 蒸发器结霜条件 针对某一给定迎面风速v ，蒸发器表面湿空气可以分为三个状态”，即i 一干冷区域c b d 以下，不结霜或结露：i i 一凝露区域a b d ，即产生凝结水：i i i 一结霜区a b c ，通常称为a b c 结霜曲线。根据湿空气热质传递原理，湿空气温 蔓! 堂垦竺生生! 一一 竺至三塾! 堡塑堂堡墨竺丛生些! ! 降特性t 要取决r 进1 “i ( 即环境空气) 的温球温度。计算结果表明，结霜结 露转变曲线接近十等湿球温度，在4 1 7 1 x , 1 湿度( p l b 图中接近商线，干湿冷上 转变曲线l f l 接近直线。 幽2 6 q h ，曲线 线 圈2 8 v 、= 4 i n s 时叩一t 曲曲线圈2 - - 9i - - n f 曲线 图2 7 和2 8 分别表示v 、= 2 m s 和4 m s 情况卜三个区域的变化。比较2 7 和2 8 可以看出，v 、从2 m s 提高到4 m s ，结霜区域面积几乎减少了一半。下 湿冷却转变曲线提高1 0 1 5 ，结霜结露转变曲线歹：移2 。：有。图中虚线为等 结霜速率线，由于霜层密度较小，一般凝露量( 凝霜鼋) w 。0 6 2 5 f 0 - s k g i n l o s 盘管表面结霜已经较严重。从等结霜速率线分布还可以看出，在干球温度为 一5 t 8 5 ，结霜最严重。环境温度t 。h 一5 ，结霜速率狨小， 这主要是由十湿空。t 中绝刘含湿量减小。结霜结露转变f i 线十盘管传热面积、镎 天津南学院坝i 论文 结霜1 况f 恒温恒湿系统件能研究 排数、迎风面积等因素有密切关系。管排数对霜露转变湿球温度影响如冈2 9 所示，n i 4 ，影响较小。本课题研究的蒸发器要求在丧而结 霜r 况l 、上作，应保证蒸发器在a b c 区工作。 2 3 2 蒸发器的物理模型 制冷剂在管内流动，换热系数和制冷剂温度在管长方向不断发生变化，按照 制冷剂在管内的状态可以分为两相区和过热区。蒸发器结霜过程叶1 ，霜层密度、 厚度、导热系数以及霜层表面温度都随时叫的变化丽小断发生变化， ml i 礼：蒸发 器的不同位置上也有所不同。可以把蒸发器视为由r l ：多基本微元集合而成的。单 个微冗体如魁2 10 。这样，只要建立微元体的模型就可以对不同排深、不同尺 寸的蒸发器进行大致相同的模拟计算。由于蒸发器的结霜过程是一个动态过程， 随着时间的增长，霜层的厚度也在增长，同时霜层的物性也存发生着变化。因此 时州步长的选择的确定很重要。如果时间步长过小则会大量的占用计算机内存， 步长过大则不能准确模拟结霜过程。本文中选取日t 问步长为“( ) 秒。 图21 ( j 蒸发器微元体 为_ 广既能满足工程需要叉能够虽夫限度的简化计臂：，有必要忽略掉次要阂 素，对模型进行简化： f1 ) 制冷剂的进门参数和流量不随时间变化： ( 2 ) 制冷剂存各个分路上分液均匀； ( 3 ) 制冷剂的汽、液态均为不可i 缩流体： ( 4 ) 在弯头处的漏风及换热量小计，仪计算制冷刺f ：弯头处 的m 力损失； r 5 ) 空气米流均匀，横截面内各处的速度均匀； ( 6 j 空气在蒸发器内没有横向掺混，蒸发嚣汾i _ ： k 力1 甸f h 换 热忽略不计： ( 7 ) 空气侧流量根掘压降由i ；= l 机特性曲线汁算： ( 8 )窄气侧对流换热系数在时间步长内视为不变。 2 3 3 微元体内数学模型的建立 天津商学院顶i 论文 结霜工况下怄温恒韫系统性能研究 1 ) 空气侧方程 连续方程 由质量守恒定律得： 挚出m ，出“塑肇盟+ 亟肇盟+ 塑妥型】出妙出：o 0 f办却也 由于肋片作用，认为空气仅沿y 方向流动，所以方程简化为： 监+ 塑型! ! ：o a f 砂 能量方程： 进入微元体能量为：p 。h 。“。d z d x 流 _ j 单元体的能量为：p 。 。“。出出+ 品( 成 。“。出出) d y 单元体内热源为：q t 单，i 体焓增量为：p 。垫出由d z 根据能量守恒定律： 流入单元体的能量一流出单元体的能量+ 单元体内热源= 单元体的焓增 以上各方程，整理为： 见( 鲁心嘉卜挑一q 空气含湿量方程： 进入单元体水蒸气质量流量为：p 。u 。d x d z 流出单元体水蒸气质量流量为：a u 。血出+ 塑学d r 单元体内湿源：n 单元体的水蒸气质量变化率为：重! 笔盟出锺皿： 根据水蒸气台湿量平衡方程式： 流入单元体的水蒸气质量流量一流出单元体的水蒸气质量流量+ 单元体内 湿源= 单元体含湿量变化率 以 二各式带入方程得： 夫滓离学院蟛! l 论义 结霜工况下恒温1 f h 懈系统性能研艽 ( 丽c ? d p ，等卜舭一w【“瓦叩“万j 妣舭一” 2 ) 制冷剂侧方程： 蒸发器管内制冷剂在流动过程中处于阿相l x ，出口处还会有过热产生，但是 管内两相区所占的管 乏远远大丁j 过热段，为r 简化计算，本文将抓住主要矛盾， 只考虑管内制冷剂处于两相区的情况。两棚区则存在着复杂的两相流动，肘两相 流的理解和掌握是建立制冷剂侧模型方程的关键，由于两相流的流型有很多种， 本文根据文献 5 们假设两十i i i 区处于环状流动，i i 】饱和制冷剂液体紧贴管内壁形 成环状澈膜流动，饱和气体在环状液膜内流动。如图2 一：j 所示 p l l 叫p q + 豳 砷一皇l 嘶+ 豳 ：p i i li： z：4 - 出。 a p ， 一c 垃 0 2 图21i 制冷k i l n 微元选取示意图 连续方程： 汽相：兰( 口) p 、) + 晏( ( 盘) p t ) = 墒。 ( 22 5 ) ( t t 液相： 【( 1 一( a ) ) p l 】十。兰【( 1 一( a ) ) 户，“， = ，自 ( ! ：“ ulu i 其中( a ) = a j4 4 = a ，+ a ， 动量方程： 能量方程 气相 、|； 、_ f 耋； 玎 少 “ p， s一 p = 一 型。 一七 一 p一0 墅。， 卯正 卜 缸 | _ 协