适于表冷器校核计算的分布参数模型及实验验证.doc

适于表冷器校核计算的分布参数模型及实验验证第28卷第5期2009年l0月建筑热能通风空调BuildingEnergy&EnvironmentV01.28No.50ct.2009.1417文章编号:1003.0344(2009)05.014.5适于表冷器校核计算的分布参数模型及实验验证张丽黄虎宫金珠张忠斌陈泽民1南京师范大学动力工程学院2丹阳苏科空气能研究中心有限公司摘要:本文从热力学和传热传质的基本原理出发,以VisualBasic为仿真平台,建立了用于表冷器校核计算的分布参数模型,该模型主要用于平直翅片,开缝翅片,三角形翅片,正弦波纹翅片管翅式表冷器,对模型进行实验验证结果表明:该模型仿真结果精度较高,可靠性较好,适合于表冷器仿真研究.关键词:表冷器校核计算分布参数模型DistributedParameterModelforCheckCalculationofSurfaceAirCoolerandItsExperimentValidationZHANGLi,HUANGHu,GONGJinzhu,ZHANGZhongbin,CHENZemin1SchoolofPowerEngineering,NanjingNormalUniversity2DanyangSukeAirEnergyResearchCenterLimitedCompanyAbstract:BasedOntheprincipleofthermodynamicsandheatandmasstransfer,takenVisualBasicasthesimulationplatform,distributedparametermodelforcheckcalculationofsurfaceaircoolerwasestablished.Thismodelismainlyforfin-tubesurfaceaircoolerofplainfinned,stripfin,triangularfin,sinewavyfin.Theresultsshowthatthemodelhashighaccuracyandreliability.SOitcanbeusedforsurfaceaircoolersimulation.Keywords:surfaceaircooler,checkcalculation,distributedparametermodel表冷器作为一种典型的空气.水换热空气处理设备,广泛应用于风机盘管,组合式空调机组,新风机组和变风量空调机组等.在运行过程中其性能好坏直接影响到整个系统的稳定,所以在实际应用过程中都希望能选择或者设计一台既能达到空气处理要求,同时又结构紧凑,设计合理且经济性高的表冷器,这就需要对选择或设计的表冷器进行设计计算,本文将讨论利用分布参数进行校核计算的表冷器数学模型建立方法,并通过实验来验证该模型的准确性.1表冷器基本参数1.1表冷器几何参数1)表冷器翅片高度顺排按式(1)计算,叉排按式(2)计算.H=1.S1(1)H=】?S】+S】2(2)2)套片后管外径套片后管外径按式(3)计算.d3=d.A-2r(3)3)每米管长翅片的外表面积翅片的外表面积与翅片形状有关,平直翅片面积计算如式(4),开缝以后总的翅片面积应该分成两部分,套片上被增强部分的面积即突出带条的部分和开缝后翅片面积,但是本文计算暂时将开缝翅片的翅片外表面积按平直翅片的计算公式来计算.而当翅片为三角形波纹片和正弦波纹时则按修正式(5)计算.收稿日期:2009.38作者简介:张丽(1985),女,硕士研究生;南京师范大学动力工程学院(210042);E-mail:第28卷第5期张丽等:适于表冷器校核计算的分布参数模型及实验验证.15.2z4rd.)?(4)2%s2Sin(0)一d32】?(5)4)每米管长翅片间的管子表面积每米管长翅片问的管子表面积按式(6)计算.a自:1000?3(r一r)/r(6)5)每米管长的总外,内表面积ao,ai分别按式(7),(8)计算.a.af+口6(7)a=万?d(8)1.2表冷器换热系数表冷器总换热系数包括以下几个部分:水侧,空气侧对流换热系数,水侧,空气侧污垢热阻,翅片与管子的接触热阻,管子导热,如式(9)所示.去=_1鲁+尺+老鲁+尺+啬c9式中:rb为胀管后翅片与基管间的接触热阻,m2?K/W,当接触率在0%2%范围内时,接触热阻为0.00340.0086m.?K/w;为风侧污垢系数,m.?K八;叼0为表面总罄孝,r/o=,其中为翅片效率.1)空气侧换热系数为了运用相似原理将翅片管换热器模型的研究结论推广到原型中去,空气侧换热性能通常由Colburn换热因子.,或无量纲数表示,当然也可以由换热系数经验公式直接求解.本文选用数对空气侧换热系数进行求解.由Nu=可知只要求出空气的Nu数即可求出空气的换热系数,李妩等人试验得出的换热综合关系式,如表1所示嘲.表1表冷器空气侧换热关联式2)水侧换热关联式水侧换热关联式则采用Gnielinski关联式计算.式中:,为水侧摩擦因子,厂=(0_79InRe一1.64),该关联式的使用范围是0.5<Pr<2000且2300<Re<5x10,因为一般表冷器的计算水速范围为0.60.8m/s,所以满足此使用范围.l_3翅片效率1)平直,开缝翅片,平直,开缝翅片的效率按式(11)计算.17s:thm_h(1111)_)式,为翅片折合高度,m,可由式(12)计算.=(一1)(14-o.35InP)(12)_一式中:长方形1.28pJ鲁o-2,Pm=B;六角形翅片,p=127J鲁一f】_3,B.A和是长方形的长边和短边,A=B则为正方形.A和B即为管翅式换热器的管间距和排间距,m.针对管排为叉排和顺排两种情况可做以下处理:顺排时作为方形或矩形翅片,又排时作为六角形翅片考虑.2)波形翅片波形翅片效率按式(13)计算:,=一0.025/K.-I-1.09(13)2表冷器分布参数数学模型的建立2.1假设条件考虑到表冷器不同的水路设计,现将表冷器的水路流程分成以下两大类:i,空气流向与水流向方向垂直;ii,空气流向与水流向方向相反,特别是当水流程,管排较多情况下,此分类更合理.建立表冷器分布参数模型时也将分以上两种情况讨论,分别对表冷器空气侧,水侧划分微元,在建立表冷器分布参数模型过程中提出以下几点假设:空气状态均一稳定,当管外空气与表冷器管壁和翅片热质交换达到平衡时,刘易斯系数为定值.当空气流动方向与水流动方向垂直时,当每排管上有多个支路时,假设每个支路的换热量均匀,并且空气在垂直空气流向的方向上充分混合,所以空气侧建筑热能通风空调的温差只存在于空气流动方向上,各支路水流量将在出口处充分混合.当空气流动方向与水流动方向相反时,提出以下简化,将各水支路的流程平均分配在每排管上,此时假设空气的温差也只出现沿空气的流动方向,而每个支路的出水温度一样.每个微元段水的物性参数都能计算,但在校核计算时假设水在整个换热过程中其比热和密度均为定值,即c=4.2x10J/kg,p=1000kg/m3.忽略表冷器壳外弯管段的空气换热,因为该管段不带翅片,长度不大其换热量相对整个翅片管的换热量来说微乎其微.假设翅片与管壁材料的导热系数均匀;水量平均分配到每个水支路,空气侧流量稳定,风速均匀.2.2理论模型的建立2.2.1空气流向与水流方向垂直当空气流动方向与水流方向垂直时,将每条水支路沿水流向等温划分为/-/个微元段(图1),空气侧则沿空气方向按管排数划分为,+1个层面,即个控制体(图2o计算过程中先假设一个出口水温,然后通过换热关系式进行迭代计算,得出每个水微元段的长度(图3),将每个微元长度相加计算出流程长度,与实际流程长度相比,不断调整出口水温.无论是空气侧还是水侧,上个微元的出口参数即为下个微元的进口参数.为了减少不必要的重复计算,对于该模型将对供热,供冷分别进行算法的设计,在供热计算中采用干球温度计算法,而供冷计算则采用等价干工况方法进行计算.流程图如图4.咒一1,z图1水侧微元段划分l图2空气侧微元段划分一一空气tP,口i.+d/图3水侧某个微元控制体,_讦始>/二器几何妻擞输入旦鱼麴参数,风墅/【讦算空气磊数【J秘奎塾l水量/将表冷器沿气流动方向按排数划分成若f摔制体【每流程沿水流向等温分成若I微兀段假设每个水流程u水温川N夺气进u球滴Y度厶十假设水温lj1舅每个挝ll空,t状盘查煎.蛙缝照微颤的嚣壁强度il盟丝:联武算j每个微儿的廛jl根掘关正微儿的管螭温度!IN一与似设温啊i比逃到粘度?一T舣据关联式训算水侧每个微几的长度t.N一一流程长计算值芎实际值椭等?/亍算空气璺1状水终温,硷)精输出计算结粜L)图4气流与水流垂直时的计算流程图水侧微元能量平衡方程dqw=Cdt式中:饥为水侧微元的温度变化,.空气侧能量平衡方程mi.+:m(i+art.)式中:砒为空气微元焓的变化,kJ/kg.能量平衡方程dQ=m=Cm(,一1)lId鸟=i,It一f1.一fl=K口,l,一(14)(15)(16.a)(16.b)(16-c)式中:为每排管的出水温度,;A.为水微元的内表面积,Ill2;tam,分别为空气,水微元平均温度,;l为管壁温度,.每个水微元段的长度,=【,一,)第28卷第5期张丽等:适于表冷器校核计算的分布参数模型及实验验证.空气流向与水流方向相反在该类型的表冷器中其换热关系式与空气流向与水流方向垂直的基本换热关系式一致,空气侧中微元划分示意图如图5.当空气流向和水流向相反时,按前面所提的假设将流程平均分配到每一排管上,此时水侧仍按等温划分流程.只是在计算过程中首先要对每一排管的出口水温进行计算.与空气流向和水流向垂直算法相比,计算过程多了一个单排管长的校核.按换热关联式计算出进口水温,并与实际进口水温相比,不断调整出口水温.流程图见图6.出水进风图5空气侧微元划分示意图3模型实验验证进水采用南京师范大学制冷空调性能i贝0试实验室,参照风机盘管机组GB厂r19232.2003对三台不同结构参数的风机盘管进行性能测试.其中一台为开缝平直翅片,首先控制进风干球温度27,湿球温度19.5C,进水7C,进行供冷的定水量,定风量,干湿工况实验得出实验数据;其次控制进风干球温度始终21,供水45进行供热实验.另外两台平直翅片完全按国标进行标准工况测试,共进行了28组工况的实验以验证以上所建模型.图710为平直开缝翅片定风量1030m3/h,定水量1250kg/h的制冷,供热实验值与仿真结果的对比.64.一630重62o袭610羹60.史懈59080()90()l00()11O0l200130()表拎器处水挝(kg,h)图7供冷定风量供冷量对比7O0H0090()1000110【)12001O0l0【)表玲器址挫M(m图8供冷定水量供冷量对比7008501000115013001450衰玲器处理风量(mO图9供热定水量供热量对比8009.Oi000i1O012001300表冷器水辨【量(kgm)图l0供热定风量供热量对比(下转8页)蚰舳仰6666;5一一蚓受嚣加曲77b655一事)I一靠女一一一一亭州瘴革一,一塞一建筑热能通风空调3结论1)润滑油粘度随温度变化的非线性很强烈,本文采用的预测润滑油粘度的模型具有较强的实用性,可以模拟任意温度点的粘度;2)系统压力对润滑油密度的影响很小,但温度对密度的影响比较大;3)利用伯努里方程原理分析研究了新型自动油平衡油气分离器的油平衡原理的可行性和可靠性,不论是在满负荷状态,还是在恶劣的低负荷状态,抛油管均能发挥作用.符号说明A,B,C,D,E系数;d直径,m;厂阻力系数;比焓,kJ/kg;高度,m;L长度,m;m质量流量,kg/s;分子量;P压力,bar;Q质量流量,kg/s;Re雷洛数SG比重,g/cm;?+一十十+一十一十+(上接17页)横截面积,m2;温度,K;流速,m/s;动力粘度,rnm2/s;P密度,g/cm;运动粘度,N/m.下标:oi1润滑油;o订tube抛油管;refit冷剂;low低负荷.参考文献1LorenzoCremaschi.Experimentalandtheoreticalinvestigationof0-1retentioninvaporcompressionsystemsDBaltimore:一UniversityofMaryland,20042】TaoCheng.Nonlinearobserverdesignusingcontractiontheorywithapplicationtoheatexchangershavingvaryingphasetransition(D.Boston:MassachuseasInstituteofTechnology,2006【3】MRRiazi.CharacterizationandpropertiesofpetroleumfractionsM.WestCon