换热器的设计
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板式冷凝器的稳态仿真模型点击：1904 日期：[ 2014-04-26 21:39:56 ] |
| 板式冷凝器的稳态仿真模型 谢淑萍,金苏敏,汤新敏 (南京工业大学,江苏南京 210009) 摘 要:采用分区集中参数法对板式冷凝器建立仿真计算模型,利用模型,计算了制冷剂和冷却水的出口温度以及板间的换热量,根据模型计算结果分析了板式冷凝器的换热特性,并将试验数据与仿真结果进行了比较,说明了仿真结果的准确性,为下一步的系统仿真提供了基础。 关键词:板式冷凝器;稳态仿真;集中参数模型 中图分类号:TB61 文献标识码:A 文章编号：1005—0329(2009)04—0083—03 1 前言 板式换热器作为一种高效、紧凑的换热设备,已广泛应用于制冷系统中,它可以作为冷凝器、蒸发器、回热器以及中间冷却器等换热设备。随着热泵热水器的家用小型化发展,板式换热器成为热泵热水器的重要部分。国内对于采用R22制冷剂的板式换热器研究较为成熟,西安交通大学采用分布参数法对板式蒸发器换热能力进行了数值模拟[1],并且对新型制冷剂的板式蒸发器性能也做了相关的研究,国外Yi-Yie Yan等对R134a在板式蒸发器和冷凝器中的传热和压降特性作了描述[2、3]。本文是针对热泵热水器产品特点,对板式冷凝器建立集中参数模型,以期了解板式冷凝器的换热特性以及对热水器性能的影响效果。 2 板式冷凝器仿真模型 2. 1 板式换热器的结构布置 板式换热器是由传热板片、密封垫片等组合形成介质通道,完成换热介质在相邻的通道内逆向流动进行换热的。在试验中,制冷剂从左到右依次通过1, 3,…,N的奇数通道,冷却水的流道则为2, 4,…,N-1的偶数通道,如图1。试验采用的换热器总流道数为奇数,对于边缘的制冷剂通道来说,只有一侧有冷却水的流动与之换热,另一侧与环境接触,假设其边界条件为绝热,即不考虑边缘换热板与环境的换热。 2. 2 板式冷凝器数学模型 在本文中采用R134a制冷剂,建立分区集中参数稳态模型,即将冷凝器分为三个区:过热区、两相区和过冷区,分段计算各区的换热系数与换热量。冷凝器两侧的温度变化如图2。为简化模型作如下假设[4]: (1)冷凝器板间流体的流动为一维均相流,且不考虑压降; (2)只考虑沿径向导热,忽略平板其他方向的导热。板壁热阻忽略不计; (3)各流道内的流速以及传热系数为定值; (4)物性计算中,两相区按干度为0. 5的工质进行计算。 2. 2. 1 制冷剂侧模型[5、6] 3 仿真模型计算与结果分析 3. 1 仿真模型算法 对于仿真算法,以制冷剂和水的入口参数、制冷剂的质量流量、水流量、冷凝器结构参数作为输入条件,输出量为:水和制冷剂的出口温度及换热量,并采用VB编写计算程序。 计算时以板式换热器的板换长度作为迭代的判别依据,来调整假设的制冷剂出口焓值,编制冷凝器仿真程序。首先假设制冷剂的出口焓,假设冷凝器的出口焓上限为冷凝压力下的饱和蒸汽焓,下限为冷却水入口温度对应的制冷剂的焓值,取该上下限作为二分法的上下限初值,然后把它们的算术平均值作为迭代的初值。根据确定的出口焓判断制冷剂出口状态,然后可以计算每个相区的长度,比较总长度与板换长度,如果两个长度的差值在收敛精度内,则输出结果;如果计算长度大于板片长度,则说明假定的焓值过小用假定的焓值作为二分法的下限;反之,则用假定焓值作为二分法的上限,重复上面的计算,直到误差在收敛范围内,输出结果。仿真计算流程图如下。 3. 2 仿真计算结果分析 试验为水与制冷剂的换热,采用板式换热器的结构参数如下:板宽为0. 7m,板片间距为0. 002m,板片长度为0. 315m,板片单片换热面积为0. 023m2,换热通道数为37,水流通道数为18,制冷剂通道数为19。运行条件:冷却水进口温度为20℃,制冷剂质量流量为0. 0292kg/s,水的质量流量为0. 15kg/s。图4~6分别是仿真与试验得出的板式冷凝器制冷剂和水的出口温度以及换热量随冷凝温度的变化的比较。从图中可以看到,制冷剂和冷却水的出口温度都是随冷凝温度的升高而增大。相对而言,制冷剂的温度增大幅度较冷却水的大。这是在换热时一些不可避免的热阻对换热的影响。冷凝温度tc>57℃时,冷却水的出口温度呈明显上升趋势。同时换热量的也随冷凝温度增大,并在tc>57℃时,增大的趋势上升。图中,试验与仿真计算的结果的误差较小,最大的误差为5. 13%。对于稳态集中参数模型来说,得到较为准确的仿真数值。 4 结语 采用了分区集中参数法建立板式冷凝器的稳态仿真模型,计算分析了制冷剂和冷却水的出口温度以及换热量与冷凝温度的关系,并通过试验验证了其准确性。 从以上试验数据中可以看到,采用分区集中模型能够较准确的描述板换器的换热特性。并由此可以得知,板换器在小温差换热能有较大的换热系数,这一点对于热泵热水器的发展有一定的理论意义。 参考文献 [1]胡跃明,董玉军,周翔,等.人字形波纹板式蒸发器数值模拟[J].制冷与空调, 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,黎远光.板式蒸发器仿真计算模型[J].系统仿真学报, 2003, 15(10): 1481-1483. [5]倪晓华,夏清,萧渊.板式换热器的换热与压降计算[J].流体机械, 2002, 30(3): 22-25. [6]岳婷,刘楚芸,陈国栋,等.小型制冷装置冷凝器的仿真与实验研究[J].低温工程, 2005, 5: 45-48. |
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