空調器換熱器流路的仿真分析及應用

熊 碩 王銘坤

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

空調器換熱器流路的仿真分析及應用

熊 碩 王銘坤

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

隨著能效要求的提高，空調器使用的兩器越來越大，流路設計越來越復雜。高效、快速、省時省力的完成流路設計，同時最大限度的發揮換熱器的效率是我們研究的重點，由此換熱器的仿真軟件應運而生。本文介紹了GREATLAB仿真軟件的控制方程及設計所做的假設，并通過實際的案例分析對仿真軟件在實際應用的意義及可行性進行了說明。

換熱器；仿真；控制方程；流路；風場；換熱

1 引言

換熱器是空調器主要的四大部件之一，是影響到空調器制冷效果和能效高低的關鍵因素。長期以來，如何提高換熱器的換熱性能是各空調廠家研究的重點。目前在空調器設計的過程中換熱器的流路設計幾乎全部依賴于實驗測試，既費時費力，又增加開發成本，開發周期也往往比較長，特別是對流路比較復雜的換熱器此問題更為突出。本文利用GREATLAB制冷仿真軟件對換熱器的不同流路進行仿真分析，并對不同方案的制冷量的仿真結果進行對比，最終根據仿真結果選定換熱器的最佳流路進行實驗驗證。達到了調整流路來提高額定制冷量的目的，同時驗證了空調換熱器流路仿真結果的準確性。

2 換熱器流路系統GREATLAB仿真的控制方程

GREATLAB制冷仿真軟件模擬空調器穩定

運行的狀態，并對系統中各部分制冷劑的工作參數進行耦合，并按照順序把各個部件的進出口參數聯系起來，模擬整個系統的運行情況。為了準確計算各部件之間的耦合關系，制冷系統的仿真必須遵循以下守恒率[1]的控制方程組：

2.1 質量方程（連續性方程）

根據質量守恒定律：流體在恒定流時兩斷面間流動空間內流體質量不變。守恒方程式為：

對于制冷系統，系統內的制冷劑灌注量是一定的，而且制冷系統是封閉的。由上面質量守恒方程可以得出：制冷系統內制冷劑在任一時刻的總質量是一定的，且恒等于灌注量。即任何時刻符合下面方程：

系統制冷值的灌注量=各部件內制冷劑質量之和

另外，由質量守恒定律也可以得出：在制冷工況下空調器穩定運行時，制冷系統各部件內的制冷劑質量也處于動態平衡之中。

2.2 能量守恒

空調器系統的運行過程符合熱力學第一定律即能量守恒定律。當系統穩定運行時，蒸發器吸收的熱量，壓縮機、電機的輸入功率等這些從外界吸收的能量應該等于系統傳遞給外界環境的能量(如：冷凝器放熱、管道散熱等)。

2.3 動量方程

由于空調器的制冷系統是封閉系統，那么根據動量方程：空調器內部制冷劑的壓力應該是封閉的、連續的。由此可以得出如下結論：

（1）前一部件的出口壓力=后一部件的入口壓力；

（2）壓縮機把冷媒進行壓縮后引起的壓力增加等于節流部件產生的壓降和換熱器產生的壓降以及管路等部件產生的壓降之和。

2.4 計算所做的假設

由于制冷劑在換熱器中的流動狀態較為復雜，與周圍環境的換熱情況也較難模擬，所以為了計算速度能夠滿足開發要求及模型推導的方便，在仿真分析時對換熱器的計算作如下假設：

圖1 外機示意圖

圖2 出風口劃分示意圖

圖3 出風口各區域風速（單位m/s)

圖4 出風側風速分布示意圖

（1）冷凝器只存在徑向熱傳遞而忽略其軸向傳熱，即所有熱量傳遞都在空氣和制冷劑之間進行，不考慮沿銅管方向上的熱傳導[3]。

（2）冷媒流動的過程中不考慮重力對冷媒流場的影響。

（3）忽略制冷劑加速時的阻力損失和換熱器管壁的導熱熱阻。

3 冷卻風場的測試及風速確定

在采用仿真軟件對換熱器流路進行仿真分析時，兩器風場中各區域的風速的準確性對兩器各分路溫度云圖及兩器流路設計的準確性起到至關重要的作用。在設置仿真參數之前需要對風場的分布進行詳細的測量。

本文以一款24K機型為例，在空調器及壓縮機完全相同的條件下僅對冷凝器流路進行優化，同時調整毛細管、灌注量到最佳狀態，對該機型進行仿真分析及實驗驗證。

3.1 外機進風側的風速測試

在對外機進風側（背面進風和側面進風）測量風速之前，先將背面大致均分成4×4格，側面從上到下大致均分為4格，共20個風速測試區域。各區域風速測試結果如表1所示，外機示意圖如圖1。

從表1的測試結果來看：背后表面的分布基本是均勻的，平均風速為1.7m/s。側面由于受側面板阻隔，平均進風速度為0.85m/s。

3.2 外機出風側的風速測試

對外機出風側按照軸流風葉的形狀及風葉旋轉時風場的分布對出風口的風場區域進行分區，劃分的風場分布圖如圖2所示。

從圖3和圖4可以看出半徑為10cm的圓形范圍內，風速較小。沿著遠離圓心的方向，風速逐漸增大至最大值，但是在接近邊緣的地方風速稍有減弱。因測量條件所限，只給出最大風速和風速分布示意圖（圖4）。

4 兩種不同分路結構的換熱器的仿真分析

4.1 仿真分析

以上面24K單冷機為例，先把原分路的系統參數放入仿真軟件進行仿真分析，并與實際測試結果進行對比，設置模型校準的各調整因子，確保仿真的結果與實際測試的結果誤差盡量小。然

后對其冷凝器流路進行修改，最后對冷凝器的換熱情況及整機的制冷性能進行仿真分析。選取仿真結果最佳的流路圖如圖5所示，冷凝器的換熱效果及整機性能的仿真對比結果如表2所示。

從表2的結果可以看出：調整流路后各分路的流量均有所增加，且壓降增大，相應的流速也將會加快，強制換熱效果加強。特別是過冷U管數由3根增加到6根后，過冷段的流速增幅較大，換熱量增加的幅度較為明顯。由此可見，通過減小兩器復熱、增加過冷U管數等方案可以有效提高兩器的換熱效率。

4.2 實驗驗證

對上面機型在空調器及壓縮機完全相同僅兩器流路不同的情況下，分別進行相關實驗，在系統分別調整到最佳的狀態時測試的實驗數據如表3所示。從表3的數據可以看出：按照仿真結果的最佳分路狀態進行實際驗證，改進的流路較原流路有較大改善，試驗結果與仿真結果在改善趨勢上一致。

同時，根據能量守恒關系，對于空調系統而言，存在下面關系式：

冷凝器換熱量=制冷量+壓縮機輸入功率+系統無效吸熱量-漏熱

壓縮機輸入功率=系統總輸入功率-內風機功率-外風機功率-電控設備功率

若不計電控損耗功率、系統無效吸熱量和漏熱，則改進后的冷凝器實際換熱量為9084W，與仿真結果的偏差為：3.8%。因此，在修正因子設置合理及冷卻風場測試準確的前提下，仿真結果有比較大的參考價值。

5 結論

隨著計算機的普遍應用以及硬件技術的提高，基礎仿真技術的發展是大勢所趨。特別是從制冷行業的發展而言，在系統優化方面借助于仿真軟件可以大大提高設計的效率。從本文的研究及實踐結果可以得出如下結論：

（1）系統仿真軟件的應用可以大量減少試驗工作，縮短產品開發周期，較方便地得出適合要求的兩器流路。當然，實際影響換熱器設計的參數還有很多, 合理地設置這些參數, 從理論上應該可以得到更好的結果。

圖5 兩種不同流路的對比圖

表1 各風場區域的風速

表2 兩種流路仿真結果對比

表3 兩種流路實際測試結果對比

（2）系統仿真軟件仿真結果的準確性有賴于模型校準的各調整因子的設置準確性，在現有系統有實際測試結果的前提下，對部分部件進行較小改善時，仿真結果的準確性相對更高。

（3）在兩器流路的仿真分析時，由于受到軟件本身計算周期的局限，只能作定性分析，不能準確地作定量分析。

[1] 張春路. 論制冷系統仿真技術的通用性與適用性. 2011中國制冷學會學術年會論文集,2011.

[2] 蔡增基，龍天渝. 流體力學泵與風機(第四版). 中國建筑工業出版社, 1999.

[3] 陳紅，何祖威. 制冷空調系統冷凝器分布參數模型及數學仿真.計算機仿真, 2006, 23(10):321-324.

Simulation analysis and application of air conditioner heat exchanger flow path

XIONG Shuo WANG Mingkun
(Gree Electric Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070)

With the requirements of energy efficiency improvement, two is more and more use of air conditioners, flow path design is more and more complex. Efficient, fast, time-saving and labor-saving to complete the design of the flow channel, and maximize the efficiency of the heat exchanger is the focus of our study, the simulation software of heat exchanger emerge as the times require. This paper introduces the design of control equation and do the simulation software GREATLAB hypothesis, and the simulation software in the significance and the feasibility of practical application are illustrated by means of case analysis.

Heat exchanger; Simulation; The control equation; The flow path; Wind field; The heat exchanger