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SSDP模型和EVAP-COND模型用于波纹翅片管式蒸发器计算的比较

来源:个人技术集锦
第1 7卷第6期 2 0 1 7年6月 创痔 室调 1-5 REFRIGERAT10N AND AIR—C0NDITIONING SSDP模型和EVAP-COND模型用于波纹 翅片管式蒸发器计算的比较 * 张婷" 蔡姗姗D 陈焕新¨ 应必业 摘要唐小波 白韦 古汤汤 ’ ”(华中科技大学) 。’(宁波奥克斯空调有限公司) 利用EVAP—COND模型对某波纹翅片管式蒸发器的换热及压降性能进行模拟,并与试验结果进 行对比,由于流路中存在空管和一点三线的流程结构,EVAP—COND模型计算所得换热量和压降最大误差 均高于5O 。将EVAP—COND模型的传热原理运用到传统的SSDP模型中建立SSDP模型,使其对波纹翅 片管式蒸发器有更准确的模拟,该模型计算的换热量误差范围为0~6 ,制冷剂侧压降误差范围0~20 。 这表明对于存在空管等复杂流路时,SSDP模型比EVAP-COND模型有更好的可靠性。 关键词蒸发器;翅片管式;SSDP模型;EVAP—C0ND模型;换热量;压降;误差 Comparison of SSDP and EVAP—COND model for calculation of wavy finned_tube evaporator Zhang Ting ’ Cai Shanshan Tang Xiaobo Chen Huanxin ’ Ying Biye。 Gu Tangtang Bai Wei (H uazhong University of Science and Technology) (Ningbo AUX Air—conditioning Co.,Ltd.) ABSTRACT By using the model of EVAP—COND,heat transfer and pressure drop charac— teristics of wavy finned—tube evaporator are simulated and compared with the test results. The maximum errors of heat transfer rate and refrigerant pressure drop calculated by EVAP—COND model are both higher than 50 ,due to the existence of empty pipe and one point—three line in the flow path.The heat transfer principle of EVAP—COND is applied to the traditional SSDP model to establish the SSDP model。which make it have more accurate simulation for wavy finned—tube evaporator.The results suggest that the error range of heat transfer rate is 0~6 and refrigerant pressure drop is 0~20 .This indicates that SSDP model has better reliability than EVAP—COND for complex flow paths which have empty tube. KEY WORDS evaporator;finned-tube;SSDP model;EVAP—COND model;heat transfer rate;pressure;error 翅片管式换热器 作为家用制冷空调系统的 关键部件,在材质消耗、动力消耗及产品投资方面 占有很重要的份额。根据现有的压缩机、换热管 和翅片设计出性能优越的冷凝器和蒸发器,提高 制冷空调的性能系数、减小换热器尺寸、降低生产 总成本,不仅是空调器生产厂家追求的目标,也是 其开发能力以及技术水平的体现 。因此,换热器 流程设计和结构布置的数值计算与优化成为各空 调器生产厂家研究的重点。 笔者针对翅片管式换热器,利用SSDP(Steady *国家自然科学基金(51076048). 收稿日期:2016-12 14 作者简介:张婷,硕士研究生,主要研究方向为换热器的模拟与结构优化。 剖痔 室谰 1性能试验方案 第1 7卷 State Distributed—Parameter,稳态分布参数)模型 和EVAP~C()ND(Evaporator—Condenser,蒸发器一 冷凝器)模型进行数值模拟。分析这2个模型对翅 片管式换热器性能的预测能力,为翅片管式蒸发 器的研发和优化设计提供参考。 波纹翅片管式换热器如图1所示,制冷剂从下 至上流入.经过2排8根管后分成4个流程,存在 交叉流路。测试时间为冬季,包括12个测试样本, 翅片间距范围为1.2~1.6 mm,翅片厚度范围为 一 I i 8 制出冷口刺 匪 1一.— 一 一 圜 一 鐾 一 剂进口 图l 波纹翅片管式换热器结构示意图 ().1195~().105 mm。换热器几何结构参数如表1 所示,运行工况如表2所示。 表1 蒸发器几何结构参数 参数 管排数, 排 管长,glint 管外径/mn1 管内径 Fnrn 每排管数 根 数值 2 687 7 6.44 23 参数 管间距/mn1 排间距/ram 翘片I口l1距/n1m 翅片厚度 him 管内表面 数值 22 19.05 1.2~1.6 (1.1195~Il_1O5 粗糙 单元制冷剂入口状态参数,当存在多个分路时,从 分路交叉点开始,分别计算每个分路直至下一单 元。在空气侧,迎风面每根管空气的状态参数相 同.后排管的空气流量取前排2根相邻管流量的均 值,空气状态由这2股空气混合后的状态确定。 确定制冷剂侧换热系数的方法:当于度小于 0.8时,采用气液沸腾相变换热公式;当干度大于 1.1)时,使用气体强制对流换热公式;当干度在0.8 ~表2蒸发器运行工况参数 1.【)范围内时,采用沸腾相变换热公式和强制对 流换热公式参数线性拟合的方法计算。 2.2输入参数 1)制冷剂选择R22,输人参数包括:蒸发器的 几何结构参数、盘管设定和风量设定,数值模拟收 敛的约束条件,如制冷剂入口状态参数。 2 EVAP-COND模型 2)流路连接方式可以自由设定,图2中圆圈 下方数字为每根管的制冷剂出口温度,可通过选 择得到每根管的出口焓值和压力等。 3)换热器的修正系数一般默认为I。本试验 采用试验的方法研究翅片管式蒸发器的特性 会耗费大量的时间和资金,且试验的蒸发器类型 和运行工况有限,运用EVAP—C()ND软件 模拟 计算可有效缩短研究周期。 2.1 原理 蒸发器的流路存在空管和叉流,针对某一组试验 数据,取制冷剂侧换热修正系数为1.2,压降修正 系数为1.4,空气侧换热修正系数为1.1,换热量误 差为3.54 ,制冷剂侧压降误差为一7.66 ;当修 正系数不变,取另一组试验数据进行模拟时,换热 采用逐管计算的方法,每根管是独立的计算 单元,每单元需要输入制冷剂和空气的人口状态 参数及流量.每单元制冷剂出口状态参数为下一 第6期 张婷等:SSDP模型和EVAP—COND模型用于波纹翅片管式蒸发器计算的比较 79jKs4^^37 ̄ 第26根管 鹅,、,、 3,、3一3.3一2 3 .1 .拈,、,、 4,、 ,、如,、 ,、 ,、4.6 4.4 43 4.1 l 拈 3 .3 3一.2 3 .1 3 .5 3 .5拈l t 3 .4 3 .4 3 .4 3 .3 3 .3 3 .2 I ’ 风 向 制冷剂出口 制冷剂出13 迎风面 图2管路连接图 量误差达一14.88 ,压降误差达一39.48 。这 为避免空管存在,流程中的每排管数分别减 少一根,使其最大限度地接近试验管路连接的结 构。但是由于对空管的简化,导致迎风面积减小, 说明修正系数不能灵活地被运用,因此采用一般 情况,取修正系数为1。 2.3结果对比 换热量降低,同时总管长减小,制冷剂侧压降 降低。 同时,由于存在一点三线,图2显示制冷剂经 第26根管后,不是均分流人其他管,因此各流程的 流速不同,在制冷剂温度和管外空气温度一定时, 各管路的换热情况不同,阻力损失存在较大差异。 3 SSDP模型 从图3可知,EVAP-COND模型的换热量误差 主要分布在一50 ~5 。从图4可知,制冷剂侧压 降的误差分布在一60 ~0范围内。这是因为 EVAP—COND软件的局限性,管路连接中不能存在 空管或一点三线(同根管不能有3个出入口连接)。 EVAP~COND运用于存在空管等复杂流路时 芝 模拟效果并不理想,因此笔者将EVAP—COND的 传热原理运用到传统的SSDP模型中。制冷剂侧 是 叫 换热系数主要受制冷剂干度、流量、流型等因素的 影响,当管内沿程干度逐渐增大时,制冷剂换热系 数先增后减。当干度增大时,流速会加快,当干度 增大到某个特定值继续增大时,会出现缺液区沸 腾恶化现象。因此笔者对制冷剂侧换热系数做了 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800 2 000 2 200 2 400 2 600 试验值/w 图3 EVAP-CON ̄换热量 细致的划分。 3.1基本模型 SSDP模型在蒸发器建模时有3点主要假 设__1 :制冷剂与空气处于逆流状态;管壁径向温度 一致,对于沿管长的每个微元,将制冷剂侧、空气 侧和管壁的物性视为一致,不考虑管壁的热阻;从 简化模型算法的角度出发,考虑到过热区较短且 加速压降较小,忽略过热区压降。 1)制冷剂侧换热方程 Q = ( “一hr2):h。A。(f 一t ) (1) 式中:Q 为制冷剂侧换热量(w);/Tt 为制冷剂质量 试验值/kPa 图4 EVAP-CON ̄制冷剂侧压降 流量(kg/s);h 为制冷剂进口焓值(J/kg);h 为制 冷剂出口焓值(J/kg);h 为制冷剂侧换热系数(w/ 剖挎 室调 第17卷 (m ・K));A 为管内表面积(m );t 为管壁温度 (oC);t 为制冷剂平均温度(℃)。 对于两相区,不同于文献[10]制冷剂侧换热 系数采用Wang 川的公式,而是采用文献[12]中的 公式,在空气降温除湿过程中,制冷剂从入口到出 口经历相变过程,根据相变特点分为3个阶段:两 相区、过渡区和过热区。两相区指制冷剂干度为 0.2左右到0.7~0.9的部分;过渡区指两相区出 口到制冷剂干度为1.0的临界点所属部分;此后到 盘管出口为过热区。 当1×10 <RP 。Kf<1.7×10 时,两相区换 热系数由式(2)_1 计算: … 一: 。单 — (2)/J 式中:h: 为两相区换热系数(w/(m。・K));Re 为 雷诺数;k 为饱和液态制冷剂导热系数(w/(m・ K));di为盘管内径(m);Kt 瓮(其中,Asc为 干度变化值,i 为制冷剂汽化潜热(kJ/kg),g为 重力加速度(m/s。),△L为管长微元段(m))。 当Re >6 000时,过热区换热系数可由式 (3) 1 计算: h =0.010 8Grc , 邝k r 2/3 一。邝Re ’ (3) 式中:Gr为格拉晓夫数;C 为制冷剂比热容(J/ (kg・K));k 为制冷剂导热系数(w/(m・K));/1 为动力黏度(kg/(m・s))。 过渡区的传热系数可由两相区与过热区通过 式(4)l_^ 得出: h =h sin[-(1一是)— l+ cos[(1一是)寺l(4) 式中:是= — , 为过渡区入口、两相区出口的 制冷剂干度;z为微元段的制冷剂干度;c为常数。 2)制冷剂侧压降方程 对于两相区的每个微元来说,压降方程即动 量方程, △L =箐d十譬( ,L\ p者一者)2/ ㈣ … 式中:P 和P:分别为微元进、出口压力(Pa) 和 p:分别为微元进、出口密度(kg/m );f为摩擦 因子。 过渡区的压降与两相区的压降计算方法相 同;过热区的压降较两相区小一个数量级,其对出 口过热度的影响也很小 。因此,忽略过热区的 压降并不会对模型精度带来明显影响,同时可以 减少计算量。 3)空气侧换热方程 Q =m (h 一h )= h…A(t 一t ) (6) 式中:h。 为空气侧显热换热系数(w/(m ・K)); h 和h 分别为空气进、出口焓值(J/kg); 为析湿 系数;t 为空气侧平均温度(℃);A。为管外表面 积(m )。 对于三角形波纹翅片,当58()<RP<5 000时, 传热性能关联式 如下: N =0.687 R ‘5 ( ) 。 ( ) 。 ㈩ 式中:S为翅片间距(m);d。为管外径(m);N为管 排数;S:为管间距(m)。 阻力性能关联式 如下: f=5.44()Rg ”。f÷)\ o/  (8) 式(7)拟合偏差范围为+11.9 ~一10.0 , 均方根误差为3.88 ;式(8)拟合偏差范围为 +13.1%~一12.8Vo,均方根误差为4.30 。 4)空气侧与制冷剂侧换热量关系 Q =),Q (9) 式中:7取决于具体情况,一般可取0.9。 5)微元长度方程 管内表面积:A =7( L 管外表面积:A。=£7c d L 式中s为管外翅片表面积与管外表面积的比值。 3.2算法设计 蒸发器分布参数仿真流程如图5所示,其详细 的描述如下l1。]: ①假设制冷剂出口焓值。上限是空气进口温 度及制冷剂入口压力对应的过热状态下的制冷剂 焓值,下限是制冷剂入口焓值。假定值采用二分 法取这2个值的算术平均值。 ②假定制冷剂两相区压降。下限是0,上限取 蒸发器入口压力的1/2(内螺纹取1/2,光管取1/ 4)。假定值取两者算术平均值。 ③将假定制冷剂出口焓值与两相区出口压 力对应的饱和状态焓值比较,确定是否存在过 热区。 ④综上,可计算各相区每个微元的长度,即得 到总管长。两相区:需要析湿系数,首先假定壁 温,假定值处于微元制冷剂出口温度和对应的空 气温度之间,通过管内、外换热方程分别计算2个 第6期 张婷等:SSDP模型和EVAP—COND模型用于波纹翅片管式蒸发器计算的比较 微元长度,当管内长度大于管外长度时,假定壁温 过低;反之假定壁温过高。由此调整壁温直到管 内外长度相等。 ⑤将两相区压降计算结果与假定值比较,如 果误差在收敛精度内,转⑥,否则考虑以下2步:计 算值大于假定值,则假定压降过小,将假定值作为 二分法下限;计算值小于假定值,则假定压降过 大,将假定值作为二分法上限。重新计算假定的 压降值,转向③。 ⑥比较管长计算值与真实值,如果误差在收 敛精度内,转⑦,否则考虑以下2步:计算值大于真 实值,则假定焓值过大,将假定值作为二分法的上 限;计算值小于真实管长,则假定焓值过小,将假 定焓值作为二分法的下限,转向②。 ⑦输出结果。 图5 蒸发器仿翼算法流程图 3.3结果对比 从图6和图7可知,SSDP模型在换热量和制 冷剂侧压降的模拟上有较好的精确度,换热量误 差主要分布在0~6 范围内,制冷剂侧压降误差 主要分布在0~20 范围内。因此,在换热量和压 降的模拟上,SSDP模型的模拟结果均较接近试验 数据。这是因为SSDP模型有效地克服了EVAP— COND局限性:首先对于空管,总迎面风量是一定 的,保持5根管风量不变,但换热面积由5根管对 应的面积改为4根管对应的面积;其次编写程序 时,较容易完成流量均分流人。 图6 SSDP模型-换热量 图7 SSDP模型-制冷剂侧压降 4 结论 利用SSDP模型和EVAP—COND模型对某波 纹翅片管式换热器的换热性能及压降特性进行模 拟,并将模拟结果与试验验数据进行对比分析,主 要结论如下: 1)EVAP—COND模型的运行速度较快,管路 连接操作界面可视化,设计过程灵活方便。但由 于软件局限性,对于流路中存在空管或一点三线 的流程结构,流程图必须简化处理,换热量的最大 误差达53.84 ,压降的最大误差达58.65 。 2)将EVAP—COND的传热原理运用到传统 的SSDP模型中,对于有空管和一点三线的流路, 编写程序能够有效避免EVAP—COND的局限性。 (下转第14页) ・14 ・ 剖玲 室谰 第17卷 ] ] 吸收压力与蒸发压力高于制冷过程中的吸收压力 与蒸发压力,所以在系统初始搭建过程中系统吸 为例EJ].生态学报,2010,30(20):5677—5686. 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