室内换热器空调冷系统性能的模拟对比分析

室内换热器空调冷系统性能的模拟对比分析

1空气、制冷侧的热阻同步研究空冷设备有两种冷却和冷却程序。内部换热器作为冷却循环制热环是一组冷却装置。室内换热器在两种循环的运行条件存在差别,如制冷剂流量、蒸发和冷凝的传热和流动特性、管外的干或湿工况、制冷剂进出口方向等。文献发现:对于蒸发器和冷凝器来说,空气侧和制冷剂侧的热阻已经基本相当,甚至在低干度和过热区主要热阻位于制冷剂侧,必须从空气侧和制冷剂侧同步研究才更有价值。文献的研究表明:支路数、流路布置是影响冷凝与蒸发两用翅片管式换热器性能的关键因素。以上研究主要针对R22工质,R410A作为目前R22的主要替代工质之一,有必要研究支路数对R22和R410A冷凝和蒸发两用相变换热器影响的区别,为R410A替代R22奠定理论基础。由于从空气、制冷剂两侧对翅片管式换热器传热局部特征进行同步实验研究的难度和工作量都较大。因此,本文拟以提高热泵空调的制热效率为目标,分别采用R22和R410A作为工质,运用数值模拟的手段研究支路数对热泵空调中室内换热器在制热循环下冷凝器性能的影响规律和区别,为以后的实验研究工作提供理论指导,并指明方向。2程序和操作方法2.1改变了翅片管换热器的模拟方法本文采用美国NIST的Domanski所设计的软件EVAP-COND2.1,它历经了NIST十几年的开发和完善,在翅片管换热器的数值模拟方面具有很强的代表性,在国际上也具有广泛的影响。对EVAP-COND软件的详细介绍,包括压降、传热系数关联式等,请参考文献。2.2冷凝器运行条件文献的研究表明:制冷剂采用R22时,支路数对冷凝与蒸发两用翅片管式换热器的性能影响十分显著。基于以上研究成果,本文将研究支路数对R22和R410A热泵中冷凝器性能影响的区别,为R410A替代R22奠定理论基础。因此,支路内的流路布置、翅片管式换热器的几何结构尺寸、风量等与文献完全相同,分别见图1和表1。制冷剂分别采用R22和R410A。冷凝器的进口压力和温度不但会影响着压缩机的功率,而且也反映了冷凝温度;冷凝器的出口过冷度会影响制冷量的大小,而且足够的过冷度更是制冷系统稳定运行的必要条件。因此,把冷凝器的制冷剂进口状态和出口过冷度作为模拟的运行条件,如表2所示。进口空气的干、湿球温度采用国标中标准制热工况的数据。空气和制冷剂的流动方向如图1所示。3结果表明，对寒冷天气的模拟结果和分析3.1r210a和s12制冷剂总流量的确定图2、3表明了当制冷剂分别采用R22和R410A,室内换热器作为冷凝器时换热量、制冷剂流量随支路数的变化。由图2可知,室内换热器在制热循环中作为冷凝器使用时,R410A的换热量比R22的要大,与文献的结果相似,R22和R410A的换热量随支路数增多单调递减,1个支路时换热量最大,6个支路时换热量最小,但R410A和R22换热量的差别幅度基本恒定,2个支路时换热量差别最小,为0.47kW,6个支路时换热量差别最大,为0.56kW,其他情况下居中,都在0.5kW左右。由图3可知,虽然换热器的几何结构尺寸和运行条件相同,但在同一支路数下,R410A和R22制冷剂的总流量却不同。室内换热器作为冷凝器使用时,R410A的流量总是比R22的要大,但不同支路数下二者流量的差别幅度却基本相同。3.2r210a和s123g2的传热参数室内换热器在制热循环中作为冷凝器使用时,模拟计算的约束条件如表2所示。制冷剂和空气的流动方向如图1所示。由于管外空气的进口状态、流量相同且风速均匀分布,使各支路内的制冷剂流量几乎无差别,因此可选取其中某一个支路进行详细地分析和比较。为分析方便,管路沿图1的制冷剂流动的反方向进行编号。由图3可知,作冷凝器时,R410A的制冷剂流量比R22大得比较多,使得在冷凝器入口状态一定的条件下,沿制冷剂流动方向,R410A比R22冷却的要慢,R22先到达两相区,R410A的过热段比R22的长,即冷凝器进口附近的管子,R410A的温度比R22的要高(见图4)。而R410A和R22每根管的空气出口温度基本没有差别,如图5所示。因此,R410A和R22传热温差的差别与两者每根管的进口温度的差别保持一致,即冷凝器进口附近的管子,R410A的传热温差比R22要大,其余的管子基本相同,如图6所示。由图7可知,第一排管子,R410A的传热系数恒比R22的大;第二排前1/3和后1/3管子,R410A的传热系数也比R22的要大,尤其是后1/3管子,差别更为显著;而第二排中间1/3管子,R410A的传热系数却远比R22的小,这是因为R410A在这一段还处于过热区,而R22却已经处于两相区,两相区的传热系数远大于单相区的。因此,第一排管子,R410A的换热量比R22的大;第二排前1/3管子,R410A和R22的换热量基本无差别;第二排中间1/3管子,R410A的传热温差大,而R22的传热系数大,综合下来,使得R22的换热量略大,不过这一段对于换热量差别的总体趋势影响很小;第二排后1/3管子,R410A的传热温差和传热系数都比R22大,使得R410A的换热量比R22大得比较多,如图8所示。由文献知,随着支路数的增多,支路内的制冷剂流量在减小,则每个支路内,R410A和R22制冷剂流量的差值逐渐减小,R410A和R22的过热段长度越来越接近,从而冷凝器进口附近的管子,R410A和R22传热温差的差别越来越小,如图6所示。由图7可知,随着支路数的增多,R410A和R22第一排管子传热系数的差别越来越大,第二排前2/3管子传热系数的差别也越来越大,第二排后1/3管子传热系数的差别却越来越小。因此,随着支路数的增多,R410A和R22第一排管的换热量之差逐渐增大,而第二排管的换热量之差逐渐减小,第一排管对换热量之差的贡献越来越大,第二排管的贡献越来越小,如表3所示,随着支路数的增多,第一排管的换热量之差由1个支路时的0.249kW逐渐增大到6个支路时的0.486kW,而第二排管子换热量之差由1个支路时的0.254kW逐渐减小到6个支路时的0.072kW,两排管对R410A和R22换热量之差的贡献由1个支路时的各占一半,逐渐变化为6个支路时,第一排管贡献87%,第二排管只占13%。显然,作冷凝器时,两排管对于R410A和R22换热量的差别都有贡献,两排管中R410A的换热量都比R22的要大。其中,第二排管主要是后1/3管子对换热量的差别有所贡献,前2/3管子的影响可以忽略不计。随着支路数的增多,第一排管对换热量差别的影响越来越显著,而第二排管的影响逐渐减弱,两排管的贡献由1个支路时的各占一半逐渐变化为6个支路时第一排占将近90%。造成R410A和R22两排管换热量差别的原因是不同的,第一排管换热量差别的原因主要来自传热系数,而第二排管换热量差别的原因是传热温差和传热系数综合作用。随着支路数的增多,传热系数对R410A和R22换热量差别的影响逐渐增强,而传热温差的影响逐渐减弱,制约R410A和R22冷凝器换热量差别的因素从传热温差和传热系数共同作用逐渐转变为传热系数起主导作用。4r210a和s12的换热量差本文在空气的进口状态和流量、换热器的几何结构尺寸、管路排布方式相同的条件下,对比了制冷剂分别采用R22与R410A时冷凝器的性能随支路数的变化,结论如下:(1)室内换热器作为冷凝器时,R410A的换热量比R22的要大,换热量之差基本保持恒定,在各支路数下,R410A和R22的换热量之差都保持在0.5kW左右。(2)室内换热器作为冷凝器时,R410A和R22换热量的差别是由第一排管和第二排管共同造成的,两排管中R410A的换热量都比R22的要大。其中,第二排管主要是后1/3管子对换热量的差别有所贡献,前2/3管子的影响可以忽略不计。随着支路数的增多,第一排管对换热量差值的影响越来越显著,而第二排管的影响逐渐减弱,两排管所占的比重由1个支路时的各占一半逐渐变化为6个支路时第一排要占将近90%。(3)室内换热器作为冷凝器时,