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CFD在提高部分负荷冷凝器性能上的应用点击：1791 日期：[ 2014-04-26 21:39:36 ] |
| CFD在提高部分负荷冷凝器性能上的应用 丁汉新 姜晓东 (江森自控楼宇设备科技(无锡)有限公司,江苏无锡 214028) 摘 要：采用CFD的方法,研究了风冷冷水机组用多风机微通道式冷凝器在部分负荷运行的空气侧流场分布特性,提出了优化部分负载时冷凝器性能的结构改进方案。研究表明,采用“V”型隔板的独立风道设计可以明显的提高冷凝器表面的气流分布均匀性,提高迎面风速,避免气流短路。有效的降低部分负荷时风冷冷凝器的冷凝压力,进而提高部分负荷时风冷冷水机组的性能。 关键词：风冷冷水机组;微通道冷凝器;CFD;部分负荷 中图分类号：TB65 文献标识码：A 文章编号：1005—0329(2010)05—0081—04 1·前言 风冷冷水机组作为中央空调的制冷主机,大量的使用于宾馆、酒店、商场、办公楼等场合,提供用冷需求。因其采用空气侧为散热源,无需冷却塔、冷却水泵以及配套的管路,使得现场施工和安装方便。 目前市场上的风冷冷水机组结构多采用上下布置的形式,即压缩机、壳管式换热器、油分等部件置于机组的下部;而作为冷凝器的翅片管换热器或者微通道换热器,则通常采用“V”形的组合形式,置于机组上部。 通常情况下,机组运行负荷较大时,冷凝器风机会全部打开,此时,吸入的空气将全部流过冷凝器,充分换热以后,再随风机排出;而当机组在部分负荷运行时,其中的部分风机就会自动关闭,此时,气流将有可能从静止的风机口,被吸入机组内部,由于这部分短路的气流没有参与换热,从而影响了冷凝器的性能。 本文尝试采用“V”型隔板的独立风道设计,改善冷凝器周围的空气流动,阻断部分负荷时的空气短路流,并采用CFD流场分析和换热器计算软件结合的方法,研究其对部分负荷时机组性能的影响。 2·CFD流场分析 2. 1 计算模型 分析的风冷冷水机组模型如图1所示,整个机组的冷凝器由6个相同的“V”形微通道换热器单元组成,每个“V”对应有两片结构完全相同的微通道换热器和两个并列的轴流风机,“V”形隔板的位置位于两个风机的中心,见图1(b)。 考虑到机组中6个“V”形结构完全相同,且相互独立,因此计算中对模型进行了简化,选取了其中的一个“V”形结构进行流场计算,并且将计算区域往外作了扩大,以更准确的模拟外界大气被吸入机组的情况,计算模型如图2所示。对以下两个方案在部分负荷工况下(1号风机运行, 2号风机关闭)的微通道冷凝器周围的流场进行分析计算。 2. 2 湍流模型和边界条件 采用标准k-ε两方程模型来求解湍流问题,计算中主要的边界条件设定如下: (1)计算区域内空气的流动为稳态紊流,空气取常温下物性; (2)壁面都采用无滑移的绝热边界条件,近壁面处采用标准壁面函数; (3)机组四周和顶部被定义为压力边界条件,并且认为周围环境无风; (4) 1号风机采用风机模型代替轴流风机,其特性曲线如图3(a)所示; 2号风机处定义为多孔介质模型,以模拟其被流动空气带动反转时的阻力; (5)机组中的微通道冷凝器采用多孔介质模型进行简化,其阻力与速度的关系曲线取自微通道设计软件,如图3(b)所示。 2. 3 计算结果以及分析 2. 3. 1 方案1:无“V”形隔板 当系统运行在50%负荷时, 1号风机正常运行而2号风机停转,机组周围的空气被1号风机吸入微通道冷凝器内部,但同时也有部分空气并未经过微通道冷凝器,而是直接通过阻力较小的2号风机口进入“V”形冷凝器中间区域,如图4a所示,这部分空气耗费了一定的电机功率,但是却没有参与冷凝器的换热,属于非有效风量。从整个冷凝器表面的速度分布来看,离风机距离较远的右半冷凝器表面的空气流速明显小于左半冷凝器,其数值大部分都在0. 6m/s以下(见图4(b))。 2. 3. 2 方案2:有“V”形隔板 当在相邻的“V”形冷凝器之间设置一个隔板后,完全杜绝了右侧风机处的短路流, 1号风机运行时带动的空气全部流经左侧冷凝器,与微通道冷凝器充分换热以后,被排向外部。如图5(b)所示,与方案1相比,方案2中左半冷凝器表面的速度有了明显的提高,尤其是冷凝器底部的风速比方案1时有了明显的改善。 2. 3. 3 方案比较 分别对两种方案下空气流量的分布情况进行了比较,如图6所示,在方案1中,经过1号风机的风量(即总风量)为23172m3/h,经过冷凝器的风量为19294m3/h;方案2中,经过1号风机的总风量与经过冷凝器的风量相等,都为22385m3/h。 从两个方案的比较中发现,通过设置“V”形隔板,系统的总风量减少了3. 4%左右,但是经过微通道冷凝器,参与换热的有效风量却提高了16%。这一现象的原因在于:“V”形隔板阻断了从2号风机口进入的空气短路流,使得所有流入的空气必须经过微通道冷凝器,因此经过冷凝器的风量得到了提升,但与此同时,空气流动阻力的增加也使1号风机的叶轮转速发生了变化,风量发生了衰减。 3·性能计算与结果分析 为了进一步评估布置“V”形隔板对于微通道冷凝器部分负荷时换热性能的影响,使用换热器性能计算软件对这两个方案中的微通道冷凝器分别进行了计算和比较。 3. 1 计算方法 两个方案下冷凝器性能的计算,空气侧采用相同的进风温度,管侧采用相同的制冷剂流量和入口过热度,冷凝器表面的空气流速分布以及空气流量分别取自CFD计算结果(见图4(b),图5(b),图6),计算中分别通过对制冷剂入口压力的多次迭代,使得两个方案下的制冷剂出口温度以及冷凝热相同。迭代收敛后,通过比较入口压力(即冷凝压力)的大小,来判定两种方案下冷凝器性能的优劣,冷凝压力越低,则代表其性能越好。 3. 2 计算结果与分析 通过对入口压力的多次迭代计算,得到了两种情况下的冷凝器性能数据如表1所示。 通过结果比较发现,在保证相同的液相温度与冷凝热的情况下,方案2中的冷凝压力要比方案1中低34. 5kPa,相应的饱和温度低了1. 35℃,因此,方案2中的冷凝器性能要优于方案1。原因在于,首先,方案2中经过微通道冷凝器的有效风量要比方案1中大16%,其次,虽然方案1中左右两部分的微通道冷凝器都有空气流过,都参与了换热,但是右半冷凝器表面的风速非常小,因此空气侧换热系数很低,其对整体换热效果的贡献很小,而方案2中的风量都集中于左侧冷凝器,其表面风速的整体提高显著的强化了这一区域的空气侧换热,使其性能优于前者。因此,通过计算结果的比较可以发现,设置“V”形隔板有助于降低冷凝器在部分负荷时冷凝压力,进而提高机组的部分负荷性能。 4·结语 采用CFD的方法,研究了某一风冷冷水机组用多风机微通道式冷凝器在部分负荷运行的空气侧流场分布特性,提出了优化部分负载冷凝器性能的结构改进方案。研究表明,采用“V”型隔板的独立风道设计可以有效的避免气流短路,提高换热器表面的气流分布均匀性,提高迎面风速,同时经过冷凝器的风量提高了16%。通过在换热器设计软件中这对两个方案的计算发现,由于采用“V”形隔板的独立风道,部分负荷时的冷凝压力降低了34. 5Kpa,从而使风冷冷水机组的部分负荷性能得到了明显的提升。 参考文献：略 |
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