空調(diào)器換熱器流路的仿真分析及應(yīng)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(diào)器換熱器流路的仿真分析及應(yīng)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(diào)器使用的兩器越來(lái)越大，流路設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜。高效、快速、省時(shí)省力的完成流路設(shè)計(jì)，同時(shí)最大限度的發(fā)揮換熱器的效率是我們研究的重點(diǎn)，由此換熱器的仿真軟件應(yīng)運(yùn)而生。本文介紹了GREATLAB仿真軟件的控制方程及設(shè)計(jì)所做的假設(shè)，并通過(guò)實(shí)際的案例分析對(duì)仿真軟件在實(shí)際應(yīng)用的意義及可行性進(jìn)行了說(shuō)明。

換熱器；仿真；控制方程；流路；風(fēng)場(chǎng)；換熱

1 引言

換熱器是空調(diào)器主要的四大部件之一，是影響到空調(diào)器制冷效果和能效高低的關(guān)鍵因素。長(zhǎng)期以來(lái)，如何提高換熱器的換熱性能是各空調(diào)廠家研究的重點(diǎn)。目前在空調(diào)器設(shè)計(jì)的過(guò)程中換熱器的流路設(shè)計(jì)幾乎全部依賴(lài)于實(shí)驗(yàn)測(cè)試，既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又增加開(kāi)發(fā)成本，開(kāi)發(fā)周期也往往比較長(zhǎng)，特別是對(duì)流路比較復(fù)雜的換熱器此問(wèn)題更為突出。本文利用GREATLAB制冷仿真軟件對(duì)換熱器的不同流路進(jìn)行仿真分析，并對(duì)不同方案的制冷量的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最終根據(jù)仿真結(jié)果選定換熱器的最佳流路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。達(dá)到了調(diào)整流路來(lái)提高額定制冷量的目的，同時(shí)驗(yàn)證了空調(diào)換熱器流路仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 換熱器流路系統(tǒng)GREATLAB仿真的控制方程

GREATLAB制冷仿真軟件模擬空調(diào)器穩(wěn)定

運(yùn)行的狀態(tài)，并對(duì)系統(tǒng)中各部分制冷劑的工作參數(shù)進(jìn)行耦合，并按照順序把各個(gè)部件的進(jìn)出口參數(shù)聯(lián)系起來(lái)，模擬整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。為了準(zhǔn)確計(jì)算各部件之間的耦合關(guān)系，制冷系統(tǒng)的仿真必須遵循以下守恒率[1]的控制方程組：

2.1 質(zhì)量方程（連續(xù)性方程）

根據(jù)質(zhì)量守恒定律：流體在恒定流時(shí)兩斷面間流動(dòng)空間內(nèi)流體質(zhì)量不變。守恒方程式為：

對(duì)于制冷系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的制冷劑灌注量是一定的，而且制冷系統(tǒng)是封閉的。由上面質(zhì)量守恒方程可以得出：制冷系統(tǒng)內(nèi)制冷劑在任一時(shí)刻的總質(zhì)量是一定的，且恒等于灌注量。即任何時(shí)刻符合下面方程：

系統(tǒng)制冷值的灌注量=各部件內(nèi)制冷劑質(zhì)量之和

另外，由質(zhì)量守恒定律也可以得出：在制冷工況下空調(diào)器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，制冷系統(tǒng)各部件內(nèi)的制冷劑質(zhì)量也處于動(dòng)態(tài)平衡之中。

2.2 能量守恒

空調(diào)器系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程符合熱力學(xué)第一定律即能量守恒定律。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)器吸收的熱量，壓縮機(jī)、電機(jī)的輸入功率等這些從外界吸收的能量應(yīng)該等于系統(tǒng)傳遞給外界環(huán)境的能量(如：冷凝器放熱、管道散熱等)。

2.3 動(dòng)量方程

由于空調(diào)器的制冷系統(tǒng)是封閉系統(tǒng)，那么根據(jù)動(dòng)量方程：空調(diào)器內(nèi)部制冷劑的壓力應(yīng)該是封閉的、連續(xù)的。由此可以得出如下結(jié)論：

（1）前一部件的出口壓力=后一部件的入口壓力；

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

2.4 計(jì)算所做的假設(shè)

由于制冷劑在換熱器中的流動(dòng)狀態(tài)較為復(fù)雜，與周?chē)h(huán)境的換熱情況也較難模擬，所以為了計(jì)算速度能夠滿足開(kāi)發(fā)要求及模型推導(dǎo)的方便，在仿真分析時(shí)對(duì)換熱器的計(jì)算作如下假設(shè)：

圖1 外機(jī)示意圖

圖2 出風(fēng)口劃分示意圖

圖3 出風(fēng)口各區(qū)域風(fēng)速（單位m/s)

圖4 出風(fēng)側(cè)風(fēng)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(jìn)行，不考慮沿銅管方向上的熱傳導(dǎo)[3]。

（2）冷媒流動(dòng)的過(guò)程中不考慮重力對(duì)冷媒流場(chǎng)的影響。

（3）忽略制冷劑加速時(shí)的阻力損失和換熱器管壁的導(dǎo)熱熱阻。

3 冷卻風(fēng)場(chǎng)的測(cè)試及風(fēng)速確定

在采用仿真軟件對(duì)換熱器流路進(jìn)行仿真分析時(shí)，兩器風(fēng)場(chǎng)中各區(qū)域的風(fēng)速的準(zhǔn)確性對(duì)兩器各分路溫度云圖及兩器流路設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性起到至關(guān)重要的作用。在設(shè)置仿真參數(shù)之前需要對(duì)風(fēng)場(chǎng)的分布進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)量。

本文以一款24K機(jī)型為例，在空調(diào)器及壓縮機(jī)完全相同的條件下僅對(duì)冷凝器流路進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)調(diào)整毛細(xì)管、灌注量到最佳狀態(tài)，對(duì)該機(jī)型進(jìn)行仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 外機(jī)進(jìn)風(fēng)側(cè)的風(fēng)速測(cè)試

在對(duì)外機(jī)進(jìn)風(fēng)側(cè)（背面進(jìn)風(fēng)和側(cè)面進(jìn)風(fēng)）測(cè)量風(fēng)速之前，先將背面大致均分成4×4格，側(cè)面從上到下大致均分為4格，共20個(gè)風(fēng)速測(cè)試區(qū)域。各區(qū)域風(fēng)速測(cè)試結(jié)果如表1所示，外機(jī)示意圖如圖1。

從表1的測(cè)試結(jié)果來(lái)看：背后表面的分布基本是均勻的，平均風(fēng)速為1.7m/s。側(cè)面由于受側(cè)面板阻隔，平均進(jìn)風(fēng)速度為0.85m/s。

3.2 外機(jī)出風(fēng)側(cè)的風(fēng)速測(cè)試

對(duì)外機(jī)出風(fēng)側(cè)按照軸流風(fēng)葉的形狀及風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)時(shí)風(fēng)場(chǎng)的分布對(duì)出風(fēng)口的風(fēng)場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，劃分的風(fēng)場(chǎng)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(nèi)，風(fēng)速較小。沿著遠(yuǎn)離圓心的方向，風(fēng)速逐漸增大至最大值，但是在接近邊緣的地方風(fēng)速稍有減弱。因測(cè)量條件所限，只給出最大風(fēng)速和風(fēng)速分布示意圖（圖4）。

4 兩種不同分路結(jié)構(gòu)的換熱器的仿真分析

4.1 仿真分析

以上面24K單冷機(jī)為例，先把原分路的系統(tǒng)參數(shù)放入仿真軟件進(jìn)行仿真分析，并與實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，設(shè)置模型校準(zhǔn)的各調(diào)整因子，確保仿真的結(jié)果與實(shí)際測(cè)試的結(jié)果誤差盡量小。然

后對(duì)其冷凝器流路進(jìn)行修改，最后對(duì)冷凝器的換熱情況及整機(jī)的制冷性能進(jìn)行仿真分析。選取仿真結(jié)果最佳的流路圖如圖5所示，冷凝器的換熱效果及整機(jī)性能的仿真對(duì)比結(jié)果如表2所示。

從表2的結(jié)果可以看出：調(diào)整流路后各分路的流量均有所增加，且壓降增大，相應(yīng)的流速也將會(huì)加快，強(qiáng)制換熱效果加強(qiáng)。特別是過(guò)冷U管數(shù)由3根增加到6根后，過(guò)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(jiàn)，通過(guò)減小兩器復(fù)熱、增加過(guò)冷U管數(shù)等方案可以有效提高兩器的換熱效率。

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)上面機(jī)型在空調(diào)器及壓縮機(jī)完全相同僅兩器流路不同的情況下，分別進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，在系統(tǒng)分別調(diào)整到最佳的狀態(tài)時(shí)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。從表3的數(shù)據(jù)可以看出：按照仿真結(jié)果的最佳分路狀態(tài)進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，改進(jìn)的流路較原流路有較大改善，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果在改善趨勢(shì)上一致。

同時(shí)，根據(jù)能量守恒關(guān)系，對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)而言，存在下面關(guān)系式：

冷凝器換熱量=制冷量+壓縮機(jī)輸入功率+系統(tǒng)無(wú)效吸熱量-漏熱

壓縮機(jī)輸入功率=系統(tǒng)總輸入功率-內(nèi)風(fēng)機(jī)功率-外風(fēng)機(jī)功率-電控設(shè)備功率

若不計(jì)電控?fù)p耗功率、系統(tǒng)無(wú)效吸熱量和漏熱，則改進(jìn)后的冷凝器實(shí)際換熱量為9084W，與仿真結(jié)果的偏差為：3.8%。因此，在修正因子設(shè)置合理及冷卻風(fēng)場(chǎng)測(cè)試準(zhǔn)確的前提下，仿真結(jié)果有比較大的參考價(jià)值。

5 結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)的普遍應(yīng)用以及硬件技術(shù)的提高，基礎(chǔ)仿真技術(shù)的發(fā)展是大勢(shì)所趨。特別是從制冷行業(yè)的發(fā)展而言，在系統(tǒng)優(yōu)化方面借助于仿真軟件可以大大提高設(shè)計(jì)的效率。從本文的研究及實(shí)踐結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

（1）系統(tǒng)仿真軟件的應(yīng)用可以大量減少試驗(yàn)工作，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，較方便地得出適合要求的兩器流路。當(dāng)然，實(shí)際影響換熱器設(shè)計(jì)的參數(shù)還有很多, 合理地設(shè)置這些參數(shù), 從理論上應(yīng)該可以得到更好的結(jié)果。

圖5 兩種不同流路的對(duì)比圖

表1 各風(fēng)場(chǎng)區(qū)域的風(fēng)速

表2 兩種流路仿真結(jié)果對(duì)比

表3 兩種流路實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)比

（2）系統(tǒng)仿真軟件仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性有賴(lài)于模型校準(zhǔn)的各調(diào)整因子的設(shè)置準(zhǔn)確性，在現(xiàn)有系統(tǒng)有實(shí)際測(cè)試結(jié)果的前提下，對(duì)部分部件進(jìn)行較小改善時(shí)，仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性相對(duì)更高。

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

[1] 張春路. 論制冷系統(tǒng)仿真技術(shù)的通用性與適用性. 2011中國(guó)制冷學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2011.

[2] 蔡增基，龍?zhí)煊? 流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)(第四版). 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 1999.

[3] 陳紅，何祖威. 制冷空調(diào)系統(tǒng)冷凝器分布參數(shù)模型及數(shù)學(xué)仿真.計(jì)算機(jī)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