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板式冷凝器的穩態仿真模型點擊：1912 日期：[ 2014-04-26 21:39:56 ] |
| 板式冷凝器的穩態仿真模型 謝淑萍,金蘇敏,湯新敏 (南京工業大學,江蘇南京 210009) 摘 要:采用分區集中參數法對板式冷凝器建立仿真計算模型,利用模型,計算了制冷劑和冷卻水的出口溫度以及板間的換熱量,根據模型計算結果分析了板式冷凝器的換熱特性,并將試驗數據與仿真結果進行了比較,說明了仿真結果的準確性,為下一步的系統仿真提供了基礎。 關鍵詞:板式冷凝器;穩態仿真;集中參數模型 中圖分類號:TB61 文獻標識碼:A 文章編號：1005—0329(2009)04—0083—03 1 前言 板式換熱器作為一種高效、緊湊的換熱設備,已廣泛應用于制冷系統中,它可以作為冷凝器、蒸發器、回熱器以及中間冷卻器等換熱設備。隨著熱泵熱水器的家用小型化發展,板式換熱器成為熱泵熱水器的重要部分。國內對于采用R22制冷劑的板式換熱器研究較為成熟,西安交通大學采用分布參數法對板式蒸發器換熱能力進行了數值模擬[1],并且對新型制冷劑的板式蒸發器性能也做了相關的研究,國外Yi-Yie Yan等對R134a在板式蒸發器和冷凝器中的傳熱和壓降特性作了描述[2、3]。本文是針對熱泵熱水器產品特點,對板式冷凝器建立集中參數模型,以期了解板式冷凝器的換熱特性以及對熱水器性能的影響效果。 2 板式冷凝器仿真模型 2. 1 板式換熱器的結構布置 板式換熱器是由傳熱板片、密封墊片等組合形成介質通道,完成換熱介質在相鄰的通道內逆向流動進行換熱的。在試驗中,制冷劑從左到右依次通過1, 3,…,N的奇數通道,冷卻水的流道則為2, 4,…,N-1的偶數通道,如圖1。試驗采用的換熱器總流道數為奇數,對于邊緣的制冷劑通道來說,只有一側有冷卻水的流動與之換熱,另一側與環境接觸,假設其邊界條件為絕熱,即不考慮邊緣換熱板與環境的換熱。 2. 2 板式冷凝器數學模型 在本文中采用R134a制冷劑,建立分區集中參數穩態模型,即將冷凝器分為三個區:過熱區、兩相區和過冷區,分段計算各區的換熱系數與換熱量。冷凝器兩側的溫度變化如圖2。為簡化模型作如下假設[4]: (1)冷凝器板間流體的流動為一維均相流,且不考慮壓降; (2)只考慮沿徑向導熱,忽略平板其他方向的導熱。板壁熱阻忽略不計; (3)各流道內的流速以及傳熱系數為定值; (4)物性計算中,兩相區按干度為0. 5的工質進行計算。 2. 2. 1 制冷劑側模型[5、6] 3 仿真模型計算與結果分析 3. 1 仿真模型算法 對于仿真算法,以制冷劑和水的入口參數、制冷劑的質量流量、水流量、冷凝器結構參數作為輸入條件,輸出量為:水和制冷劑的出口溫度及換熱量,并采用VB編寫計算程序。 計算時以板式換熱器的板換長度作為迭代的判別依據,來調整假設的制冷劑出口焓值,編制冷凝器仿真程序。首先假設制冷劑的出口焓,假設冷凝器的出口焓上限為冷凝壓力下的飽和蒸汽焓,下限為冷卻水入口溫度對應的制冷劑的焓值,取該上下限作為二分法的上下限初值,然后把它們的算術平均值作為迭代的初值。根據確定的出口焓判斷制冷劑出口狀態,然后可以計算每個相區的長度,比較總長度與板換長度,如果兩個長度的差值在收斂精度內,則輸出結果;如果計算長度大于板片長度,則說明假定的焓值過小用假定的焓值作為二分法的下限;反之,則用假定焓值作為二分法的上限,重復上面的計算,直到誤差在收斂范圍內,輸出結果。仿真計算流程圖如下。 3. 2 仿真計算結果分析 試驗為水與制冷劑的換熱,采用板式換熱器的結構參數如下:板寬為0. 7m,板片間距為0. 002m,板片長度為0. 315m,板片單片換熱面積為0. 023m2,換熱通道數為37,水流通道數為18,制冷劑通道數為19。運行條件:冷卻水進口溫度為20℃,制冷劑質量流量為0. 0292kg/s,水的質量流量為0. 15kg/s。圖4~6分別是仿真與試驗得出的板式冷凝器制冷劑和水的出口溫度以及換熱量隨冷凝溫度的變化的比較。從圖中可以看到,制冷劑和冷卻水的出口溫度都是隨冷凝溫度的升高而增大。相對而言,制冷劑的溫度增大幅度較冷卻水的大。這是在換熱時一些不可避免的熱阻對換熱的影響。冷凝溫度tc>57℃時,冷卻水的出口溫度呈明顯上升趨勢。同時換熱量的也隨冷凝溫度增大,并在tc>57℃時,增大的趨勢上升。圖中,試驗與仿真計算的結果的誤差較小,最大的誤差為5. 13%。對于穩態集中參數模型來說,得到較為準確的仿真數值。 4 結語 采用了分區集中參數法建立板式冷凝器的穩態仿真模型,計算分析了制冷劑和冷卻水的出口溫度以及換熱量與冷凝溫度的關系,并通過試驗驗證了其準確性。 從以上試驗數據中可以看到,采用分區集中模型能夠較準確的描述板換器的換熱特性。并由此可以得知,板換器在小溫差換熱能有較大的換熱系數,這一點對于熱泵熱水器的發展有一定的理論意義。 參考文獻 [1]胡躍明,董玉軍,周翔,等.人字形波紋板式蒸發器數值模擬[J].制冷與空調, 2005, 5(2): 42-46. [2]Yi-Yie Yan, Tsing-Fa Lin. Evaporation heat transferand pressure drop of refrigerantR134a in a plate heatexchanger[J]. International Journal ofHeatTransfer,1999, (121): 118-127. [3]Yi-Yie Yan,Hsiang-Chao Lio, Tsing-Fa Lin. Conden-sation heat transfer and pressure drop of refriger-antR134a in a plate heat exchanger[J]. InternationalJournal ofHeat and Mass Transfer, 1999, (42): 993-1006. [4]景步云,谷波,黎遠光.板式蒸發器仿真計算模型[J].系統仿真學報, 2003, 15(10): 1481-1483. [5]倪曉華,夏清,蕭淵.板式換熱器的換熱與壓降計算[J].流體機械, 2002, 30(3): 22-25. [6]岳婷,劉楚蕓,陳國棟,等.小型制冷裝置冷凝器的仿真與實驗研究[J].低溫工程, 2005, 5: 45-48. |
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