[发明专利]一种结霜工况下翅片管蒸发器的性能计算方法

摘要

本发明公开了一种结霜工况下翅片管蒸发器的性能计算方法，包括如下步骤：确定蒸发器的运行工况；设定蒸发器的除霜周期t、计算时间间隔△t和初始霜层厚度；根据用户的设定进行蒸发器计算区域的划分；计算初始化；单个计算区域i的控制方程的求解；判断是否结霜并分别计算霜层表面温度；更新计算区域的计算参数；更新所有计算区域的霜层厚度和霜层密度；判断是否计算结束。由于本发明采用将蒸发器按照一定的管长划分计算区域，并对每个计算区域进行控制方程的求解，使用计算机高速计算功能，使得对蒸发器在设定工况条件下，性能预测效率高、准确度高。本发明利用计算机高效的计算速度，可大大减少蒸发器的实验次数、缩短产品开发周期。

主权项

1.一种结霜工况下翅片管蒸发器的性能计算方法，其特征在于：包括如下步骤：A、确定蒸发器的运行工况：根据标准湿空气物性资料编制湿空气物性计算类，所述的湿空气物性包括含湿量、焓、密度、比容、导热系数和露点温度；根据冷媒物性资料编制冷媒物性计算类，所述的冷媒物性包括温度、压力、干度、密度、焓、熵、导热系数、比容和汽化潜热；根据用户输入的蒸发器湿空气入口参数和蒸发温度，调用湿空气物性计算类和冷媒物性计算类计算蒸发器的运行工况，所述的蒸发器湿空气入口参数包括温度和相对湿度；所述的运行工况包括由冷媒蒸发温度计算的饱和压力、焓、冷媒的汽化潜热；B、设定蒸发器的除霜周期t、计算时间间隔△t和初始霜层厚度，霜层厚度的默认值为零；C、设定蒸发器的结构参数和换热管连接关系：根据用户的输入设定蒸发器结构参数，所述的结构参数包括管径、管间距、翅片形状、翅片间距，并根据所述结构参数计算蒸发器的换热面积；D、根据用户的设定进行蒸发器计算区域的划分；E、计算初始化：根据步骤D划分的计算区域和步骤A计算的蒸发器的运行工况，设置蒸发器每个计算区域的初值，所述的每个计算区域的初值包括湿空气的入口温度、含湿量，冷媒的入口焓值、压力；每个计算区域的含湿量通过假定每个计算区域冷媒的焓差和空气的温度差推定湿空气含湿量的变化量；F、根据用户设定的风机静压特性曲线和蒸发器的静压损失确定蒸发器的风量；根据蒸发器霜层厚度求出空气流经蒸发器的静压损失，用所述的静压损失和风机的静压特性曲线联合求解蒸发器运行时的风量；所述的风机静压特性曲线由风机生产厂家提供或者通过实验室测得；静压损失的计算公式如下：Δpa=5.88×10-4Nrd×2pt[S2-π(d0+2δfr)24S1]+π(d0+2δfr)S1S20.3]]>×[pt·S1[pt-(tf+2δfr)][S1-(d0+2δfr)]]3×WF1.7]]>式中：Δp_a：空气侧静压损失，单位Pa；N_ri：管排数；d₀：管外径；δ_fr：霜层厚度，单位m；S₁：管列间距，单位m；S₂：管行间距，单位m；P_t：翅片间距，单位m；t_f：翅片厚度，单位m；W_F：迎面风速，单位m/s；G、单个计算区域i的控制方程的求解，下标i表示计算区域的编号；G1、根据冷媒的进出口焓差和质量流量计算冷媒侧的换热量：Qiref=m·(hiout-hiin)]]>上式中，Q_iref为单个计算区域i内冷媒侧的换热量，kW；为冷媒的质量流量，kg/s；hi_out、hi_in分别为计算区域i内冷媒的出口焓值、进口焓值，kJ/kg；G2、根据单个计算区域i内冷媒压力对应的饱和温度，假定单个计算区域i铜管壁面温度为t_iw0，并计算冷媒蒸发局部换热系数：气相区的蒸发局部换热系数计算公式为air=lldi·0.023·Reg0.8·Prg0.4]]>上式中，a_ir为单个计算区域i内冷媒蒸发局部换热系数，W/kg.k；Re_g为气相雷诺数，Pr_g为气相普朗特数，l_l为液相导热系数，d_i为内径；汽液两相区的蒸发局部换热系数计算公式为a_ir=Fa_cv+Sa_pba_cv为强制对流项，a_pb为沸腾项，F，S分别为计算系数；G3、通过导热方程Q_iref=a_irA_i(T_iw-0.5*(T_irin+T_irout))重新计算单个计算区域i铜管管壁面温度度T_iw；上式中，Q_iref为单个计算区域i内冷媒侧的换热量，a_ir为汽液两相区的蒸发局部换热系数，A_i为单个计算区域i内管内换热面积，T_irin,T_irout分别为冷媒进出口温度；G4、重复步骤G1-G3，直至|T_iw0-T_iw|满足设定的计算精度10^-4；H、根据步骤G计算的铜管壁面温度和单个计算区域i内湿空气的露点温度判断是否结霜；判断结霜的条件是同时满足以下2个条件：1）铜管壁面温度低于0℃；2）单个计算区域i的湿空气的露点温度高于铜管壁面温度；I、如果单个计算区域i不结霜，则按照干工况计算空气侧换热量Q_a，计算公式如下：Q_a=KA△T_m上式中，K为蒸发器的单个区域的传热系数，A为蒸发器单个计算区域i的计算面积，△T_m为对数平均温差；如果单个计算区域i结霜，则执行以下步骤：I1、假定霜层表面温度为T_fr；I2、计算单个计算区域i内空气侧的换热量，所述的换热量包括潜热换热量和显热换热量；空气侧的显热换热量计算公式为Qisen=m·aCpa(Taiin-Taiout)]]>上式中，Q_isen为单个计算区域i内空气的显热换热量，kW；为单个计算区域i内空气的质量流量，kg/s；CP_a为空气的定压比热容kJ/kg.K；Ta_iin、Ta_iout分别为单个计算区域i内空气的进口温度、出口温度，摄氏度；空气侧的潜热换热量计算公式为Qilat=m·a(diin-diout)isv]]>上式中，Q_ilat为单个计算区域i内空气的潜热换热量，kW；为单个计算区域i内空气的质量流量，kg/s；i_sv为水的凝固潜热，kJ/kg.K；d_iin、d_iout分别为单个计算区域i内空气的进口含湿量、出口含湿量，kg/kg；结霜工况下，单个计算区域i的空气侧换热量为Q_ia=Q_isen+Q_ilatI3、通过导热方程Tifr=Tiw+2Q-mir·isv2ATlifr]]>重新计算霜层表面温度T_fr0；上式中，T_ifr为单个计算区域i的霜层表面温度，T_iw为单个计算区域i内的铜管壁面温度，Q为单个计算区域i内的换热量，m_ir为使霜层密度增加的水的质量，i_sv为水蒸气的汽化潜热，A_T为单个计算区域i的换热面积，l_ifr为霜层的导热系数；重复步骤I1-I3，直至|T_fr-T_fr0|满足计算收敛条件10^-4；上式中，T_fr为假设的霜层表面温度，T_fr0为由计算区域导热方程计算的霜层表面温度；J、比较步骤I计算的空气侧换热量Q_a和步骤G计算的冷媒侧换热量Q_iref，调整冷媒出口的焓值，重复步骤G-I直至|Q_ia-Q_iref|/Q_ia满足计算区域收敛条件10^-4；K、计算单个计算区域i的换热量、空气温差、霜层厚度和霜层密度；L、更新与单个计算区域i相关的计算区域的计算参数；所述的计算参数包括冷媒的压力、饱和温度、焓值和干度，还包括湿空气的温度、湿空气的含湿量、霜层厚度和霜层密度；M、按照冷媒流动的顺序，计算求解所有的计算区域，重复步骤F-L，直至max|Dh_i-Dh_i0|/Dh_i0<e，则一个计算时间间隔△t计算结束；上式中Dh_i为单个计算区域i冷媒侧进出口焓差计算值，Dh_i0为单个计算区域i冷媒侧进出口焓差假设值，e为迭代收敛条件，默认为10^-4；N、保存并输出该时间步长内的计算结果；O、更新所有计算区域的霜层厚度和霜层密度；P、当霜层厚度计算值大于或等于翅片间距的一半、蒸发器发生阻塞或者计算时间到达用户设置的除霜周期，则计算结束，否则转到步骤F。