板式冷凝器的稳态仿真模型

1、文章编号:10050329(200904008303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:ASteady M odel of Si m ulation on P late CondenserX IE Shu-p i ng,JI N Su-

2、m i n,TANG X i n-m i n(N anji ng U n i ve rsity o f T echno l ogy,N an ji ng210009,Ch i naAbstrac t:T he condenser model was bu ilt by the centra lized steady si m u l a ti on m ethod.Based on the m ode,l m any para m eters can be respecti ve l y calcu lated such as the ou t temperature o f refr i g

3、eran t and w ate r.The nu m er i ca l ana l ysis can be carr i ed out a-bout the exchang er perfor m ance.Then co ll ect tentative data and compare w ith t he si m u lati on results.The si m u lati on resu lt can w e ll refl ec t the para m ete r var i a ti on o f sy stem s operation.It prepares f o

4、 r the s i m u l a tion o f syste m.K ey word s:p l ate condenser;steady si m ulation;centra lized m ode l1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Y i-Y ie Y a

5、n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

6、.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;收稿日期:20081015修稿日期:20081113(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。 图1制冷剂与水的流动示意 图2 制冷剂与水的温度变化示意5、6过热区:Q s h =m r (h r ,i -h s a t ,g

7、=K s h A s h $t m ,1=K sh Al shL$t m ,1(1式中 K s h 换热系数A 单片换热面积,m 2,A =0.023m 2L 板片长,m ,L =L s h +L tp +L sc =0.315m $t m ,1=(T r ,i -T w,o -(T s a t -T w,2l n (T r ,i -T w,o /(T sat -T w,2换热系数K s h =1/(1A sh +1A w由D ittus-Boeler 换热关联式计算:Nu s h =0.023R e 0.8P r 0.4N u sh =A sh d /K ,R e =Gd /u式中 G 板间

8、流体质量流速,kg /(m 2#su 动力粘度d 当量直径,m ,d =2bb 板间距,m ,b =0.002m两相区:Q tp =m r C =K tp A tp $t m ,2=K tp Al tpL$t m ,2(2Nu tp =0.0413(R e l H 0.864P r l 0.33(Q l Q g0.055R e l =G (1-X 0duH =C p $T /C cC c =C (1+0.68C p $T /C $t m ,2=(T s a t -T w,1-(T sat -T w,2l n (T sat -T w,1/(T sat -T w,2式中 X 0蒸气干度,取X o

9、=0.5C 汽化潜热,J/kgQ l 、Q g 进出口蒸气密度,kg /m3过冷区:Q sc =m r (h s a t ,l -h r ,0=K sc A sc $t m ,3=K sc Al scL $t m ,3(3N u sc =0.036R e 0.668P r0.33$t m ,3=(T s a t -T w,1-(T r ,o -T w,i l n (T sa t -T w,1/(T r ,o -T w,i 换热量:Q w =m w C p,w (T w,o -T w,i (4N u w =0.2121R e 0.78w P r 0.33wA w =Nu w K dC p,w =

10、4.174kJ /(kg #K3 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,

11、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。 图3 仿真算法流程图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0.023m 2,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20e ,制冷剂质量流量为0.0292kg /s ,水的质量流量为0.15kg /s 。图

12、46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t c >57e 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t c >57e 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。图4 冷却水出口温度试验值和仿真值图5 制冷剂出口温度试验值和仿真值图6 板换器换热量仿真值(下

13、转第42页5结语根据660MW汽轮机组油系统的主油泵的工作参数和性能要求,采用加大流量设计方法对600MW主油泵进行了改型,利用基于数值模拟和性能预测的优化设计方法来有效控制流道的几何形状和参数以达到660MW汽轮机组配套的主油泵的流体动力性能要求。通过对600MW汽轮机组配套主油泵的性能预测结果与试验结果进行对比,验证了这一方法的可靠性。研究结果表明,该设计方法能高效而经济的解决主油泵的流体动力设计问题,从而为该泵的国产化和自主创新奠定了基础,同时该方法能进一步推广应用于类似叶片泵的改型及优化设计中。参考文献1赖喜德.叶片式流体机械的数字化设计与制造M.成都:四川大学出版社,2007.2V

14、oorde JV,D i ck E,V i e rendeels J,et a.l P erfor m aceP red icti on of Cen trifug al Pu mps w ith Steady and U n-steady CFD-m ethods.A dvances in fl uid M echanicsÔ,2002,559-568.3CHARLES SPEZ I A LE G,THOM A S GATSK I B,NE-ASS AN FTZMAUR I CE.A n ana l ys i s of RNG-base t ur-bulentm odels fo

15、r homogeneous shear fl owJ.Phys.F l u i ds1991,3(9:2278-2281.4袁寿其.低比速离心泵理论与设计M.北京:机械工业出版社,1997.5GON ZALEZ J,BLANCO E,SANTOLAR I A C.N u-m er i ca l si m u lati on o f the dyna m i c effects due to i m pe-ll er-vo l ute interac ti on in a centr if uga l pumpJ.AS M E Jou rnal of F l u i ds Eng i neer

16、i ng,2002,124:348-355.6徐朝晖,吴玉珍,吴玉林,等.高速离心泵内部流动数值计算结果研究J.水泵技术,2003,(1:16-20.7王福军.计算流体动力学分析M.北京:清华大学出版社,2004.作者简介:胡苑(1984-,女,硕士研究生,主要从事流体机械数字化设计与制造理论及技术的研究,通讯地址:610039四川成都市西华大学能源与环境学院。(上接第85页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

17、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. 2Y-iY ie Y an,T si ng-F a L in.Evapo ra ti on heat transferand pressure drop o f refr i geran t R134a i n a plate heatexchange rJ.Internationa l Journa l of H ea t T ransfer,1999,(121:118-127.3Y-iY ie Y an,H siang-Chao L i o,T s i ng-Fa L i n.Conden-sa tion heat transfer and pressure drop o f refr i ge r-an t R134a i n a plate hea t ex changerJ.Internationa lJourna l o fH e