（制冷及低温工程专业论文）翅片管式蒸发器的仿真与实验研究.pdf

浙江丈学磺一l ：学位论文 翅片管式蒸发器的仿真i 亏实验研究 翅片管式蒸发器的仿真与实验研究 李君 ( 浙江大学制冷与低温研究所，杭州，3 1 0 0 2 7 ) 摘要 蒸，垃搽怂删；令装置中最重要的组成部分之一，它的运行状况甑接必系列略个 制冷系统l l i f i t f l q 优劣。应用仿真技术可以模拟蒸发器的运行状况，进而为其殴汁 和运行的优化提供指导和参考。本文的工作主要出以下四部分组成：小型制冷装 置蒸发； 的实验研究、仿真软件的开发、蒸发器性能研究和c f d 软件模拟。 搭迎j j lj j i 小型制冷装置蒸发器实验研究的测试实验台，通过实验得到了大 量各种l ：眦l - fj 。x ：蒸发器性能参数的实验数据，运用这些实验数据对蒸发器的性 能做出，嫱的计价，为改进蒸发器的性能以及制定合适的设计标准提供参考，并 为仿真孵花挝供先曼的数据样本。 建、 ：j 小型；f j | l 冷装置蒸发器分布参数仿真模型，并探讨了有关参数的确定、 防真算i 正：流提和仿蘑程序的应用等方面的问题。采用v i s u a lc 编程工具 丌发出j ，舔“：器仿真软件，模拟在各种工况下蒸发器的性能，对蒸发器的性能做 出较精确的州则，仿真程序采用模块化思想设计，充分利用面向对象设计语占的 特点，川炎| | ：_ j j | j c 把蒸发器仿真计算中涉及到的变量和函数分为空气侧、制冷剂 侧及结阳i 个m f 模块，增强了程序的可读性、可移植性及可扩展性。 利i p i ”股的仿真软件模拟蒸发器的性能，通过图表分析的方法分别比较仿 真结果和l 。史验数捌以及仿真结果和文献数据的吻合程度，表明本仿真模型和算法 是可二；喜n 0 汁雉柑竖可以满足工程应用的需要，仿真软件具有一定工程实用价值。 选取蒸处擀部分结构参数及热力参数作为变量，利用仿真软件模拟各参数的变化 计蒸发器能的彬响并对结果做了分析。 采 】l 、f d 软仆f l u e n t 模拟空气在本实验所用蒸发器中的流动和换热情况，在 不同的迎| l m 逃i 、得到了然发器温度场和压力场。结果表明c f d 软件在制冷领 域有着较j ：的应j t j 施景。 关键词：嵌发搽；实验；仿真：模拟：优化； c f d 浙江大学硕士学位论文 翘片管式蒸发器的仿真与实验研究 s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d yo na f i n n e dt u b ee v a p o r a t o r l i j u n ( i n s t l t u t eo f r e f r i g e r a t i o n a n d c r y o g e n i c s ，z h e j i a n g u n i v e r s i t y , h a n g z h o u ，3 1 0 0 2 7 ) a b s t r a c t e v a p o r a t o ri sam a j o rc o m p o n e n ti nar e f r i g e r a t i o ns y s t e m ，a n di t so p e r a t i o nw i l l a f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mg r e a t l y w i t ht h et e c h n i q u eo fs i m u l a t i o n ，w ec a n s i m u l a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h ee v a p o r a t o r , s oa st op r o v i d eg u i d a n c ef o ri t sf u r t h e r o p t i m i z a t i o ni nd e s i g na n do p e r a t i o n i nt h i sp a p e r , f o u rp a r t sa r ei n c l u d e da sf o l l o w s ： e x p e r i m e n tr e s e a r c h ，d e v e l o p m e n to ft h es i m u l a t i o ns o f t w a r e ，p e r f o r m a n c ea n a l y s i s a n ds i m u l a t i o nw i t hc f d a ne x p e r i m e n t a p p a r a t u si s s e tu pt ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo faf i n n e dt u b e e v a p o r a t o r , a n dal o to fe x p e r i m e n td a t ah a v eb e e no b t a i n e du 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 s t h ee x p e r i m e n td a t ac a nb eu s e di ne v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h e e v a p o r a t o rp r o p e r l y , p r o v i d e sb a s i sf o rt h ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n to ft h ee v a p o r a t o r a n dp r o v i d e ss u f f i c i e n td a t as a m p l e sf o rs i m u l a t i o n ad i s t r i b u t e d p a r a m e t e rm a t h e m a t i c a lm o d e li sb u i l tf o r t h ee v a p o r a t o r a n d p r o b l e m ss u c ha st h ed e t e r m i n a t i o no fs o m ep a r a m e t e r s ，s i m u l a t i o na l g o r i t h m s ， c a l c u l a t i o nf l o wp r o c e s sa n dt h ea p p l i c a t i o no fs i m u l a t i o np r o g r a ma r ea l s od i s c u s s e d t h es i m u l a t i o ns o f t w a r ei sd e v e l o p e dw i t hv c + + ，w h i c hc a nb eu s e dt os i m u l a t et h e p e r f o r m a n c eo ft h ee v a p o r a t o ru n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa n d p r e d i c a t e t h e p e r f o r m a n c eo ft h ee v a p o r a t o rp r e c i s e l y t h ep r o g r a mi sd e s i g n e dw i t ht h ei d e ao f m o d u l a r i z a t i o na n dt a k e sf u l la d v a n t a g eo ft h ed e s i g nl a n g u a g e t h r e em o d u l e sa r e i n c l u d e di nt h ep r o g r a mw h i c he n h a n c e dt h er e a d a b i l i t y , p o r t a b i l i t ya n de x p a n d a b i l i t y o f t h ep r o g r a m t h e e v a p o r a t o rs i m u l a t i o ni sc o n d u c t e dw i t ht h ea b o v es o f t w a r e ，a n dc o m p a r i s o n s a r ea l s oc o n d u c t e db e t w e e ns i m u l a t i o nr e s u l t sa n dd a t af r o me x p e r i m e n ta n dl i t e r a t u r e i f 塑坚盔竺堡主! 竺堡苎 塑苎竺苎鍪垄塑箜堕皇兰塞墼竺塞 t h r o u g ht h ea n a l y s i so ff i g u r e sa n dt a b l e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es o f t w a r eh a sa g o o da c c u r a c y t h e r e f o r et h es o f t w a r ec a nm e e tt h en e e d so fe n g i n e e ra p p l i c a t i o n s b a s eo nt h ea b o v er e s u l t s ，s o m ep a r a m e t e r so ft h ee v a p o r a t o ra r es e l e c t e dt o a n a l y z e t h e i ri n f l u e n c e st ot h ep e r f o r m a n c eo fe v a p o r a t o r t h ea i r f l o wa n dh e a tt r a n s f e ri nt h ee v a p o r a t o ri ss i m u l a t e dw i t hf l u e n t s o f t w a r e o fc f d t h et e m p e r a t u r ef i e l da n dp r e s s u r ef i e l da r eo b t a i n e da td i f f e r e n th e a d 。o n a i r f l o w s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e a p p l i c a t i o no fc f dh a sab r i g h tf t l t u r ei n r e f r i g e r a t i o nf i e l d k e y w o r d s ：e , , a p o r a t o r ；e x p e r i m e n t ；s i m u l a t i o n ；o p t i m i z a t i o n ；c f d 1 1 1 浙江丈学硕士学位论文 翅片管式蒸发器的仿真与实验研究 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 当今社会，制冷技术与人们同常生活的关系越来越密切。尤其足近年柬，随 着国民经济和人民生活水平的提高，制冷和空调行业得到迅速的发展，与此同时 也造成能耗的大幅度增加，缺电、缺油、缺煤，此类信息见诸报端的频率不断升 级。资料表明，暖通空调能耗约占我国总能耗的2 2 7 5 ，并有逐渐上升的趋势。 在我国经济保持快速增长的同时，重要能源的紧缺正逐步成为制约我国经济发展 的瓶颈。因此，开发和研制高性能、低能耗的制冷系统是制冷和空凋技术领域的 重要课题，也是“可持续发展”国策的追切要求。 蒸发器是制冷装鹭中最重要的组成部分之，它的运行状况直接关系到整个 制冷系统性能的优劣。因此，蒸发器的研究一直得到了国内外学者的密切关注。 作为剐冷装置的低温换热器，蒸发器与低温热源进行热量交换。在制冷模式下它 从冷环境中吸收热量通过冷凝器排放到高温环境中去：在制热模式下它从低温 环境吸收热量，并通过冷凝器排放到高温区。在传统的换热器设计过程中，往往 是通过必要的分析和适当的方法，在制造成本和系统效率之间折中，首先根据经 验选定结构和换热面，然后设计者需要确定各有关结构尺寸，通过多次假设、迭 代试算，直至得到满足设计要求的换热器。在对蒸发器进行研究和设计过程中， 人们除了对其进行理论上的分析计算以外，还常常需要对系统的某些特性进行实 验研究。这种实验研究按照实验方式来分一般有两类：在实际系统上进行的真实 实验和在模型上进行的简化实验。从理论上讲，以上两种实验方法都是严谨的、 科学的，它们可靠直观的反映装置的特性，但也存在一些不足之处。比如，直接 在实际系统上进行实验，往往会不经济、不安全，有时甚至傲不到；而后者相比 前者虽然有较大的改观，但仍然存在较多的限制，比如对于一个复杂的系统来说， 影响因素很多，不但很难用一个物理模型来进行模拟，而且通常要花费很多的时 间和物力财力开发模型，进行实验的前期准备工作量很大。 计算机技术的发展为进行太规模的数值计算提供了有力的支持。在计算机模拟 中，实际系统的特性和运动规律用数学形式表达出来，它们通常是一组微分方程或差 分方程，通过一定的方法将其离散，并开发程序应用计算机求解。用来模拟实际系统 运动规律的数学形式称为数学模型。计算机技术在制冷领域广阀的应用前景得到众多 学者的广泛关注，有关制冷系统及部件的仿真模型也得到越来越深入的研究。 浙江大学硕士学位论文翅j l 管式蒸发 的仿真o j 实验研究 把计算机仿真技术应用到制冷装置的设计和特性研究中，一方面可以把人们从 繁琐冗长的数学计算中解脱出来；另一方面，利用计算机仿真技术研究装置的特性 不再受实验场地、测量精度、实验环境和时间以及开发资金等因素的限制。此外， 悖统的设计方式得到的是一个可行解，不一定是最优的设计方案，也很难据此提出 优化措施。丽利用计算机快速计算能力模拟系统不同结构参数和运行工况下的特性， 可以为系统优化提供依据、指明方向，设计出最优的设备。市场上制冷设备越来越 丰富，性能越来越好，这得益于设计思想和实验手段的多样化。越束越多的实事表 明，利用计算机模拟、辅助甚至代替物理实验是一个趋势。本文j i 是把仿照技术与 蒸发器的研究结合起柬，解决目前蒸发器优化设计和性能研究力i f | i 存矗：的川题，f 发出具有工程应用价值的仿真软件以指导实践，具有重要的现实意义。 1 2 研究现状 1 2 1 仿真的定义和特点 计算机仿真( c o m p u t e rs i m u l a t i o n ) 技术是当前应用最广泛的实用技术之， 它的产生和发展有着浓厚的工程应嗣背景。根据国际标准化组织( i s o ) 标准中的 数据处理词汇的解释，“模拟”、s i m u l a t i o n ) 是选取一个物理的或抽象的系 统的某些行为特征，用，弓一系统来表示它们的过程，“仿真”( e m u la t i o r ) 足用另 数据处理系统，主要是用硬件来全部或部分的模拟某一数据处理系统，以至于 模仿的系统能像被模仿的系统一样接受同样的数据，执行同样的程序，获得同样 的结果。本文探讨的仿真是这两者的通称。 仿真技术的应用极大的促进了生产技术的进步。以换热器的设计为例，换热 器的流体流动和传热规律十分复杂，而换热器本身的结构也是多种多样的。在常 规的设计中，是先定下产品的性能目标，然后推断其工作状况，最后确定产品结 构。然后是样机反复实验，经过大量的分析改进工作，最终确定换热器的各个结 构参数。如果需要了解产品特定工况下的运行特性，就要在特定条件下进行实验， 这就带来许多麻烦和资金消耗。因此，国内外学者在加强实验研究的基础上，也 加强了对蒸发器性能模拟方面的研究。对予制冷装爱的仿真研究，主要是为产品 丌发服务。对于仿真过程而言，是先定下产品的机沟，然后看其工作过程如何， 在计算出其工作过程的基础上得到研究对象最后的性能。不茸而喻，计算机技术 及数值计算方法的发展成为推动这种模拟手段的强有力的工具。 仿真和优化是同一方法的不同体现。仿真是在确定结构参数后，检测性能的 过程。通过仿真，可以得到系统或部件的多项性能，从而对所确定的结构参数是 浙江大学硕士学位论文 翅片管式蒸发器的仿真与实验研究 否合理做出客观的评价。为了寻找一组较合理的结构参数，需要作不断的调整预 先确定的结构参数，不断的仿真，这是优化过程，它可以通过配置优化程序完成。 或者直接根据经验和要求，由操作者来完成。 随着c f c s 替代研究工作的进展和人们节能意识的增强，制冷装嚣呈现多元 化发展趋势：蒸汽压缩式制冷依然占据市场主导地位，吸收式、吸附式、半导体 等制冷方式凭借各自的优势发展迅速。仿真技术在发展初期主要集中应用在蒸汽 压缩式制冷装置中随着制冷技术的发展仿真技术在各种制冷装茕的研究领域逐 渐得到重视。另外专家系统、人工智能、最优化理论等技术运步融入到传统的模 拟方法巾，进一步扩展仿真技术在制冷领域的应用。总体而言，计算机仿真技术 的特点呵以简单概括如下： ( 1 ) 利用对系统或部件运行过程的仿真模拟方法替代传统的实验方法，可以 在大量节省人力物力的同时，提高开发效率，缩短丌发周期。 ( 2 ) 加强r 对过程特性的研究和分析，逐步以动态分析方法替代传统的静j r 盯 方法，使简化后的数学模型与实际系统或过程更加接近，计算的准确性订较大疆高， ( 3 ) 从单个部件的仿真到整个系统的仿真，使人们对部件特性和系统特| 生进行 芏面的研究成为可能。仿真技术在产品开发和系统及部件性能改进过程中，起到 了方向性的指导作用，逐渐地显示出它的优越性。 ( 4 ) 最优化方法的广泛应用，包括最优化设计和最佳工况调节和控制等，极 大地提高了系统设计和过程控制的质量。 ( 5 ) 变以往的典型工况设计为全过程工况设计，提高了系统的可靠性、可调 性和系统运行的效率。 ( 6 ) 仿真技术芷不断地吸收其它领域的研究方法其适用范围及研究手段芘 不断的扩展。 l - 2 2 仿真技术在制冷领域中的应用 早在2 0 世纪六、七十年代，国内外制冷界就开始利用计算机进亍空调器性能 模拟研究。当时主要是理想循环模拟和半理想循环模拟，这些模拟忽略部件在运 行过程中的不可逆因素，造成模拟结果和实际相差比较大，模拟的结果只是用来 粗略的估算运行性能和理论说明，远远不能满足工程上的需要。 换热机理和规律的研究以及在此基础上建立起来并逐渐完善的换热数据库， 为仿真研究提供了更可靠的半经验的适用于多种制冷剂的通用关联式。与此同时， 计算机技术的发展为精确的数值计算提供了有力的支持，模拟范图随之扩大、模 浙江大学硕士学位论文翅片管式蒸发器的仿真与实验研究 拟手段也逐渐丰富起来。模拟结果越来越接近实际功能越来越强大，基本上可 以满足工程上的需要。从此，模拟程序成为分析制冷系统、改善制冷系统性能的 有效工具。参照前面仿真的定义可以知道，此时的模拟可以称作仿真。随着相关 领域研究的深入许多新的技术逐渐应用到制冷设备的研究中来，如人工智能、 计算流体力学等。 众多学者为仿真技术在制冷领域的应用做出了不懈的努力，他们的工作对令天 的研究具有重要的借鉴意义。j a m e e l u r r e h m a nk h a n ，s y e d 地z u b a i r 提出了特 征性能系数曲线( 1 c o p i c 。n d ) 来表现不同状况下系统特性，并用实验荧联式 建模对整个系统进行动态仿真，提出了换热器优化的方向1 2 i 。张华俊等，西安交大) 用步进法建立了冷风型空调系统的稳态模拟模型1 3j ，其中的换热器部分，模型中考 虑了翅片形状、管排等因素对换热的影响，并且验证此模型对空调器模拟的可靠性， 进而预测了蒸发器、冷凝器迎面风速的变化对空调器性能的影响。针对翅片管式蒸 发器，徐彬等探讨了蒸发器的计算机辅助设计i 4 】。在r n ，n k o u r y 、l m a c h a d o 、 k a r i s m a i l 提出的模型中，把蒸发器和冷凝器分成好多控制容积，对于每一个 控制容积列出与时问暂关的物质、能量和动量平衡方程，通过改变压缩机速度剐伺 门丌度的组合束使蒸发器出口过热i ) j 。j o h nj u d g e 、r e i n i a r dr a d e r m a c h e r 研究 了应用单一制冷剂和混合制冷剂时的情况，分制冷剂、管道及翅片和空气三方面讨 论了换热器的稳态和暂态模型【6 】。孙学军等( 上海交通大学) 应用动态仿真技术对 汽车空调蒸发器作了优化 7 1 。车晶提出了以年运行费用为目标的忧化方案【8 1 ，并进 行了试验研究分析。张小松等( 东南大学) 运用空调器的分布参数数学模型，对空 谖涣热器进行系统优化研究【9 】。他认为，空调制冷系统中的换热器要通过调整其结 掏参数使整个系统达到最优才是空调器设计的目标所在，即系统目标的优化才是空 调换热器优化的归宿。随着h c f c s 替代工作的进展，有学者建议将一些非共沸制冷 剂作为替代品用于制冷装置中，张绍志、陈光明( 浙江大学) 提出了翅片式燕发器 的分布参数模型，用以模拟采用r 4 0 7 c 为制冷工质时空气侧的结霜过程f 。老瞒琪 等( 西安交大) 建立了制冷系统的多输入多输出模型，系统模型中包含了用集总参 数法和相移动边界法建立的热交换器动态模型，引入“平均空泡系数( y ) ”的概 念，得到简单的控制模型i 。丁国良、张春路( 上海交大) 研究了系统仿真所用的 动态和稳态模型【1 2 1 ，并把人工神经网络应用在冷凝器的仿真中，在国内率先提 出了智能仿真的概念。 仿真技术应用的探讨几乎涵盖了制冷领域的各个方面，但是大多较专著于仿 真实现的技术问题，而忽略了仿真软件的验证或者虽有验证，但只是简单的比较 了个别工况下仿真结果与实验数据的偏差，这不足以说明在其它工况下该软件的 浙江人学坝 ：学位论文翅片管式蒸发黯的仿真与实验研究 可用性。仿真程序的开发需要实验的辅助，它的最终目的是指导实验甚至替代实 验。本文将开发蒸发器仿真软件与实际的物理实验联系起来，在各种工况下进行 大量的实验，获取实验数据以作为仿真程序验证的数据样本；应用被验证为可靠 的仿真软件，就可以不受时间、地点和资金的限制，模拟实际系统的运行特性。 经得起实践检验的仿真软件可以认为是可靠的，是可以指导实践的。也只有在这 种仿真软件才具有实际价值，仿真技术才能够从研究走向工程应用。 另一方面，c f d 商用软件性能同趋完善，应用范围日趋扩大，早已超越传统 的流体力学和流体工程的范畴。c f d 软件在我国的应用起步较晚，在制冷领域的 应用则更少。丁国良，o e l l r 【c hlr 使用有限元程序f i d a 7 6 埘冰箱内郝的二维 空气流场进行了模拟l l 。奄莉等使用c f x 模拟了温室内气流和热量传递过程。 汪蕊等利用c f x 4 4 馍拟了旋转薄膜蒸发器内流体的流动过程和速腹分佑【怕i 。王 军等利用f l u e n t 软件对分体室内机采用四折式蒸发器时的贯流风机系统进行了 1 1 d 模拟mj 。在众多的c f d 软件中，f l u e n t 是应用面最广的软件之一，它针对不 司的用户需求还丌发了多种专用版本，以其方便的网格划分、强大的数值模拟功 能、直观清晰的流场显示等特点开始为各专业人士青睐。 一些学者已经把c f d 软件应用到制冷装置的研究中，但研究范围有限，模拟 方法单一，目前仅应用于冷凝器的研究中，而且较多的采用了二维流场模拟的方 法。本文中作者将把c f d 软件f l u e n t 引入到蒸发器的研究中，应用三维流场模拟 的方法研究蕉发器的流动和换热特性。 1 2 3 蒸发器的仿真模型 作为系统仿真的基本单元，部件仿真一直是研究者研究的重点。具体到蒸发 器来讲，由于涉及到的输入、输出参数较多、流动和换热情况复杂等因素，所用 的模型和算法比较复杂。根据参数的集中程度可以把以前蒸发器仿真研究中所采 用的模型分为以下四类： ( i ) 集总参数模型 这类模型是最简单的一类模型它将整个蒸发器看作一个结点，所有分布参 数都被平均化并采用经验和半经验公式简化计算。对于没有相变的换热器，可以 采用对数平均温差法来计算换热器的稳态性能，这是典型的一类单结点模型【1 8 l 。 对于有相变的换热器，对数平均温差法已不再适用，如果希望通用单结点模型来 准确预测蒸发器的稳惫性能，则需要有相当准确的传热公式和流动阻力公式。集 总参数法模型简单、计算快捷，在一定范围内可以满足研究的需要。但是，如果 浙江大学硕士学位论文趣片管式蒸发器的仿真与实验研究 要研究换热器内的各种性能，如不同换热面的换热性能、不同管路和换热面的压 强损失、不同结构对换热器性能的影响等，采用集总参数法就无法达到预期的目 的。本模型在早期的制冷仿真中较常用，今天多用于定性分析和教学研究。 ( 2 ) 分布参数模型 为了克服集总参数模型的弊端，许多学者致力于分布参数模型的研究，w a n g h ，t o u b e rs 、g r a l dew ，m a c a r t h u rjw 【2 0 】、p l o u g - s o r e n s e nl ，f r e d s t e dj p ，w i l l a t z e nm 、以及a t a e r0e ，i l e r ia ，g o g i i sy p q 是其中的代表，在他们的 研究中把换热器划分为许多个控制容积，并对每一个控制容积按照集总参数法建 模，或旨宜接对偏微分方程进行离散化。分布参数模型具有计算精度高、适应性 强等优点，缺点是计算曩大、稳定性差，不太适合实用化的仿真与实时控制。 ( 3 ，分区模型 剖冷剂在换热器中沿流动方向有明显的相态分布，按制冷剂侧状态可以把换 热面积分勺汽液两相区和过热气体区，并对其分别建立集总参数模型，利用不同 的关联式描述其流动和换热特点，这种建模方式称为分区模型。过热匿的i 刊冷制 参数变化幅度不大，两相区的制冷剂温度近似不变( 如果忽略压降) ，使得参数 集结成为可能。这类模型比分布参数模型计算量小，比集总参数模型讨算精度高， 是目| j i 应用最为广泛的一类建模【“l 。 ( 4 ) 神经冈络模型 人工神经元是生物神经元特性及功能的数学抽象，神经网络通常指由大量神 经元互连而构成的一种计算结构，它在某种程度上可以模拟生物神经系统的工作 过程，从而具备解决实际问题的能力，用这种建模方式建立的模型即为神经网络 模型。近年来，研究者提出了采用人工神经网络辨识和预测部件稳态特性的方法， 获得了较传统方法更好的回归稽度。但是，这类建模方法依赖于大量的实验样本， 可移植性较差，目前还处于起步阶段，在制冷领域多应用于冷凝器的研究【2 3 l 刚。 在上述模型中，根据是否考虑时间变量作为划分标准，又可以细分为稳态模 型和动态模型。稳态模型用来仿真制冷装置的稳定运行状况，该模型认为制冷系 统的参数不随时间变化而变化，是系统运行的一个假想的特殊工况。稳态仿真具 有收敛速度快，可准确的反映稳定状态下系统或部件的运行情况等优点。如果要 考虑系统启动、停止、结霜、除霜等有显著变化的过程，则需要引入时间变量， 即应用动态仿真。 以前的研究多局限于建立单一的数学模型，使得开发出来豹仿真软件存在这 样或那样的问题，或者计算精度不商，或者计算量太大造成程序不稳定等。本文 将在全面考虑多种模型优缺点的基础上，建立蒸发器的分区分布参数模型。该模 浙江大学硕士学位论文 翅片管式蒸发器的仿真与实验研究 型集成了分步参数模型和分区模型的优点，更符合蒸发器实际的换热特点，具有 较好的工况适应性和较高的计算糟度。 l 。3 研究目的和任务 国内外众多的学者对蒸发器的仿真进行了大量的研究，但太多局限于单一模 型的建立并且模型的可用性和准确性还没有得到充分的验证。本文综合考虑多 种模型的优缺点，对丌发实用的仿真软件进行了进一步的研究。井目把流动换热 机理研究及数值计算方法的最新进展应用到本研究中，充分发挥了计算机仿真技 术的作用。基于上述考虑，并结合冷风型翅片管式蒸发器的特点，文章包括如下 方面的研究任务： 第一，小型制冷装置蒸发器的实验研究。在自行搭建的小型制冷装置实验台上 进行非结霜工况下的实验研究，测量蒸发器制冷剂侧的流量、进出口温度和压力， 空气侧进出口温度、湿度和迎面风速等数据，为信面苈真软件的验证提供数据样本。 第二，建立翅片管式蒸发器仿真模型。对冷风型翅片管式蒸发器进行研究， 以汽液两相流动和传热传质理论为基础，从基本的守恒方程出发，建立蒸发器分 区分币参数模型。在对蒸发器进行合理简化的基础上，按照制冷剂状态把蒸发器 换热丽分为过热区和两相区，然后依照等分换热量的原则分别把过热区和两帽区 细分为若干个微元段。在微元段的计算中，除了考虑制冷剂侧的状态之外，还考 虑了空气侧的状态，并作为重要的换热条件。 第三，开发仿真软件。结合上面建立的蒸发器仿真模型，利用v c - + 编程工具 开发仿真软件。软件定位在可扩展性强、应用范围广、计算精度高、计算速度快、 运行稳定和使用方便等基础上。该软件将作为蒸发器设计选型、运行特性、性能 优化、变工况等研究的辅助工具。 第四，仿真软件的验证和蒸发器性能的研究。比较实验数据、文献数据与同等 工况下仿真软件的计算结果，并通过数据列衰及趋势圈的方式比较它们的偏差以及 偏差发展的趋势，来验证仿真软件的准确性；在通过上述验证的基础上，使用仿真 软件研究分析各种因素对蒸发器性能的影响。 第五，应用c f d 软件模拟蒸发器的流动和换热。利用c f d 软件f l u e n t 数值模 拟能力，选取适当的计算区间建立模型，模拟蒸发器空气侧的流动和换热，分析 流体的温度场和压力场，为蒸发器性能优化指明方向。 浙江太学硕士学位论文翅片管式燕发嚣的仿真与实验研究 第二章蒸发器实验 本章阐述了作者实验所用的小型制冷装置实验台的搭建、系统调试以及实验 数据采集的方法，通过实验手段测试在各种工况下蒸发器的陛能，并为后面蒸发 器仿真程序的验证提供大量的史测数据样本。 2 1 蒸发器简介 蒸发器是一种伴随着蒸发( 沸聘) 相交的热交换器，它在系统中的作用是冷 却放玲介质并对外输出冷量。制冷剂一般以气液两相状态进入蕉发器中吸收啵 冷介质( 水或空气) 的热量后蒸发成为过热气体。 根掘被冷介质的不同，蒸发器可以分为冷却空气式和：争却液体式两大类。冷 却空气式蒸发器( 简称空冷器) 广泛用于冰箱、冷藏柜、空调器及冷库中。此类 蒸发器多出铜管做成蛇管式，剑冷剂在管内蒸发，空气在管外流过被冷却，通常 被统称为干式蒸发器或直接膨胀式蒸发器。按照引起空气流动的原因，冷却空气 式蒸发器又可以分为自然对流式和强制对流式两类。为了强化空气侧的换热，管 外侧常装有各类铝质翅片来增加蒸发器的换热面积。冷却液体式慈发器通常采用 管壳式换热器的结构形式，板翅式、套管式和盘管式虽然有一些应用，但是应用 场合不多。另外，蒸发器还有干 式与湿式之分。所谓干式蒸发器 是指制冷荆液体在蒸发器管内沿 程蒸发，至出口处全部蒸发完， 出口部分的管壁完全是干的：所 谓湿式蒸发器是指全部蒸发器在 制冷剂侧的管壁始终被制冷剂液 体充分湿润1 2 ”。 本文所要研究的蒸发器是冷 却空气式翅片管式蒸发器，它具 有结构紧凑、换热性能好等优点， 在制冷装置中有广泛的应用，外 观如图2 1 所示。 幽2 1 蒸发器实物效果幽 淅江大学硕士学也论文 翅片管式蒸发嚣的仿真与实验研究 2 2 实验装置 为了深入了解小型制冷装置的运行特性，掌握第一手资料，我们搭建了一个 小型制冷装置测试实验台f 2 5 】【2 ，在通过实验测试蒸发器性能的同时也为验证后面 蒸发器的仿真程序的可靠性和精确度提供足够的实验数据样本。本文中研究的是 翘片管式蒸发器，该蒸发器为强制对流，而且是干式蒸发器，该蒸发器不需要冷 媒水，它与间接蒸发器冷却相比，蒸发温度可提高5 l o c ，经济性较好。实验 台的各部件连接及测点布程如图2 2 所示。 2 2 1 实验系统组成 图2 2 实验装置实物圈 本实验装管主要由以下几部分组成：翅片管式蒸发器，全封闭活塞式压缩机， 水冷式冷凝器，并联毛细管一组( 4 根) 手动膨胀阀及电磁四通换向阀等。系统 的工作流程如下： 经毛细管供入蒸发器管内的低温低压的制冷剂液体或汽液混合物吸收流经 管外的空气的热量，干度逐渐升高，童至离开蒸发器时达到过热状态：低温低压 的制冷剂蒸汽经压缩机压缩升压后，变成高压高温的蒸汽；若旁路的截止阀打开， 并且将手动膨胀阀设置在一定的开度，部分制冷剂蒸汽就会被直接排入蒸发器， 浙江大学硕士学位论文 越片譬式蒸发器的仿真与实验研究 否则高温高压蒸汽将被排入冷凝器冷却成较低温度的高压过冷的制冷剂液体：在 毛细管中，经过一个绝热节流过程，高压过冷的制冷剂液体变成低压液态或汽液 两相状态，从而完成一个循环。循环过程如图2 3 所示。 圈2 3 实验系统简图 1 压缩机2 蒸发器3 干燥过滤器4 毛细管5 裁i 闽 6 流量计7 膨胀阀8 视液镜9 冷凝器1 0 四通阀1 1 风管 蒸发器的作用是把从毛细管流出的低温低压制冷荆( 液态或汽液两相) 的冷 量传给外界，并使之蒸发成气体直至达到过熟状态。本装置采用强制通风冷风型 翅片管式蒸发器，其结构参数为：翅片厚度0 1 5 咖，翅片间距2 6 i i l f d ，翅片总数 1 5 7 ，传热管规格为巾9 。5 2 m m 0 。3 5 姗，管撵数1 6 ，分路数4 ，管子总数6 4 ，迎 风面上管间距为2 5 r 姗x2 1 6 5 r a m ，所配风机风叶直径为由3 5 0 m m ，电动机电压为 3 8 0 v ，功率为1 2 0 w 。为了提高实验的精确度装置中对蒸发器除了采取周边密封 和隔热处理措施外，还为蒸发器设计了风管并对其采取保温措施。为了得到不同 流量下的蒸发器的性能参数，系统采用了四路毛细管并联的结构形式。毛细管长 度依次为6 0 c m 、8 0 c m 、1 0 0 c m 手珏1 2 0 c m ，各路均装有阀门控制开关，实验者可以 通过阀门开关的组合来控制制冷剂的流量为了调节压缩机吸气压力和调节系统 负荷的作用，在蒸发器入口和压缩杌的高压端还安装了旁路系统，旁路中串连了 一个截至阀和手动膨胀阀。 浙江大学碗士学位论文 翅片管式蒸发器的仿真与实验研究 2 2 2 相关参数的测量 ( 1 ) 空气流量的测量： 平均迎面风速和迎风面积的乘积即为单位时间内空气的流量，对于确定的设 备迎风面积是已知的，可见确定空气流量的关键是确定平均迎面风速。对于矩形 横截面的管道，可按照表2 1 确定测点位置p t ，整个界面上测点数应为所确定的 矩形长、宽两条边上测点数的乘积。具体到本实验。按照图2 4 所示确定测点位 置，有6 行4 列共2 4 个测点。迎面风速采用了型号为q d f - - 2 的热球式电风速计 来测量，测量范围是0 0 5 m s - - l o m s 。 表2 1 测点相对位置 每条边上的测点数x 几或y ：h 的值 500 2 1 20 4 2 6 60 0 6 30 2 6 504 3 9 、7o0 1 3 40 0 2 9 70 4 4 7 注：l h - - 矩形饿面的边睦；x ，y 。一横坐标，纵坐标( 以管轴为原点) 2 0 “5 己 - 至。里曼 耐 甘 小 t 制 寸 一 图2 4 风速测量点位置图 根据界面形状的布点方法确定各测点位置后，测量出各点对应的速度v ，代 浙江大学硕士学位论文翅片管式蒸发器的仿真与实验研究 入式( 2 1 ) 得到各点速度的平均值作为该管道界面的平均迎面风速v ： v = ( 2 一1 ) i l i ( 2 ) 温度和相对湿度的测量 本实验台放置在一个较大的房间内，空气温度和湿度的测点只需选择在工作 区附近就可以了，测量仪器选择水银玻璃温度计，热电偶及相对湿度计。其它所 有的温度测试点都采用铜一康铜热电偶温度计测量。热电偶末端连接数字巡检仪， 巡检仪与计算机数据采集系统相连接，这样既可以直接从巡捡仪上读出温度值， 也可以在汁算机中大量存储数据。巡检仪接线情况如图2 5 所示。 | 笙| 2 5 温厦采粜接线| 釜| ( 3 ) 流量测量： 制冷剂的流量是实验中需要测量的重要参数，本装置采用的流量计为会属管 浮子流量计，型号为l z b 一2 5 ，量程为i o o l h ，精度为2 5 级。浮子流量计用于 测量非浑浊液体、气体等单相介质的流量，它具有结构简单、维修方便、压力损 失小等优点。由于仪器出厂时测量液体流量是用水标定的，所以当被测介质的粘 度和密度与水有差异时，必须重新标定。在无标定的条件下，可以采用式( 2 2 ) 作近似修正【2 7 】。 l = 。( p p ，j 一- 风p ) ，p 蒡。 式中：l o 一用水标定时的流量、l 一修正后的流量、 pr 一标定时水的密度、p 一被测介质的密度。 ( 2 2 ) p 厂浮子的材料密度、 本实验中流量计测量的介质为r 2 2 ，需要采用上述方法对流量的测量值进行 修正。为了便于实验数据的处理，我们根据上述流量校正方法，采用v c + + 编程工 具开发了流量校正程序。把实验所得制冷荆流量及对应温度分别输入到图2 6 所 示窗1 ：3 中，在还没有计算以前“校正后参数”栏体积流量和质量流量显示都为0 。 2 浙江大学硕士学位论文翅片管式蒸发器的仿真与实验研究 例如，当“输入参数”栏中输入流量计示数为4 0 l h ，制冷剂温度为1 6 c 时，点 击“计算”按钮，得到校正后的体积流量和质量流量分别为3 5 5 4 l h 和4 3 5 3 k g h ( 取小数点后两位) ，如图2 7 所示。 图2 6 制冷剂漉量校正输入窗口 图2 7 制冷剂流量校正输出窗口 ( 4 ) 压力测量 压力信号由焊接的毛细管引出，并用四只精度为0 。4 级的精密压力表测量读 出，其中两只低压表( 量程为t 6k g f c m 2 ) 分别装在蒸发器进出口的管子上，两 只高压表( 量程为2 5k g f c m 2 ) 分别装在压缩机出口和冷凝器后的管子上。 浙江大学硕士学位论文翅片管式蒸发器的仿真与实验研究 ( 5 ) 保温措施 对低于环境温度的工质和容器，关键在于防止外界的热量传入。本装置需要 保温的地方除了风管以外，还有分液头与毛细管间的连接管( 管径6 r a m ) 以及毛 细管出口至蒸发器入口间的连接管( 管径l o m m ) 。一般用于保温的隔热材料有在 大气压力下工作的疏松纤维或泡沫多孔材料，如聚苯乙烯泡沫塑料( 工作温度为 一8 0 c 7 5 c ，传热系数 = 0 0 2 6 0 0 4 8 w ( m * k ) ) 。根据传热临界绝缘直径的定 义【2 8 】，如= 2 必，采用上述保温材料时的如* 9 r a m ，所以对于本装置中连接管 o 的保温只需考虑毛细管出口至蒸发器入口间的部分。保温后，可以近似认为毛细 管出口焓和蒸发器入口焓相等。基于这一点，作者编写了制冷剂于度计算程序。 制冷荆在蒸发器的入口一般处于汽液两相状态，只要知道制冷剂温度和压力二者 之一和制冷剂的焓就可以确定干度。本实验装置节流部分采用绝热毛细管，所以 可以认为制冷剂节流前后的焓值不变。在制冷剂过冷或饱和状态，焓是温度的单 值函数，所以此处我们采用制冷剂在毛细管的进口温度来计算焓值，并作为蒸发 器入口处制冷剂的焓。在程序设计中，我们设计了两种计算方法，即通过毛细管 进口温度和蒸发器进口温度，毛细管进口温度和蒸发器进口压力的输入参数组合 来确定计算结果，同一工况下选择蒸发器进口温度或进口压力对计算结果没有影 响。在计算前，程序默认的输出结果示数都是0 。两种计算方法对应于图2 8 中 的“输入一”和“输入二”。例如，我们在“输入一”中分别输入4 0 9 6 、9 0 3 或在“输入二”中分别输入4 0 9 6 、0 6 5 6 ，点击对应的计算按钮后，显示的计算 结果是一致的，如图2 9 所示。 图2 8 蒸发器入口千度计算输入界面 4 浙江大学硕士学位论文 翅片管式蒸发器的仿真与实验研究 图2 9 蒸发器入口千度计算输出界面 另外，为了便于实验数据处理，在仿真软件的开始界匿还集成了作者编写的 蒸发器出口制冷剂过热度和蒸发器换热量计算程序，此处不再赘述。 2 3 系统调试 2 3 1 调试的准备工作 按照实验系统简图2 3 连接起来的装置，需要进一步调试才能运行。根据工 作流程，在系统调试前需要依次进行下面的工作：检漏、抽真空、制冷剂充灌和 布置测量点【2 9 1 1 3 0 1 。 ( 1 ) 检漏 系统最高压力在压缩机的出口处，压力约为十几个大气压，最低压力在蒸发 器出口处，压力约为几个大气压。本系统部件连接采用机械压紧或人工焊接，难 免存在连接点不严密的情况，若童接冲灌制冷剂会造成制冷剂泄漏，影响系统的 正常工作。所以在系统安装完毕或局部改动后，需要进行检漏工作，具体过程如 下：通过预留的用于充灌制冷剂的阀门向系统充注氮气至袭压1 2 1 5 m p a 左右， 在各焊接点、连接头和目视镜处用肥皂水湿润，若膏气泡产生，则该处密封不严 密需要重新安装或密封。经过检测，若备可疑点没有气泡产生，可以记录下此时 的表压，保持压力4 8 小时后再检查压力是否降低。若压力只有微小的变化，可以 浙江大学硕士学位论文 翅片管式蒸发器的仿真与实验研究 认为此差别是由环境