管壳式水冷冷凝器的模拟方法研究
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研究与探讨
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管壳式水冷冷凝器的模拟方法研究
郭晓鹏!王
1东南大学动力系!江苏南京
晓
!’++245
摘要#初步建立了管壳式水冷冷凝器的换热模型!考虑了在冷凝器中上层管子上产生的
制冷剂凝结液对下层管子的换热性能的影响"基于该模型编制了管壳式冷凝器的仿真程序!并对冷凝器的性能进行模拟!对仿真结果进行了分析"
关键词#制冷$管壳式冷凝器$仿真模型
!"#$%&’$#67)89:9;8:8)?@A:>)B=?BC;AB.>@D;087;AAEB=C;=8;7;7;:>>@D;087;AAEB=C;=8;7)89:9;7;7;:>>7;8)?!@A:>)B=9>@D;087;AAEB=C;=8;7)897;7;:>>;@D;087;AAEB=C;=8;;C,
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中图分类号#6J4
文献标识码#H
文章编号#’""’0##!(’!""#("!0""(!0"(
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引言
铜管径管壁厚度1??5
表’管距
冷凝器的结构参数
流程数
每流程管子数
壳体内径1??5
在新产品的开发设计中!传统的方法要对样机进行反复的性能试验!然后不断改进设计!这样造成产品的研制周期长!并且很难根据设备的使用要求达到制冷机各部件设计的最优化"为了解决上述问题!用计算机进行数值仿真来代替样机试验是一种高效经济的方法%$&"利用计算机实现产品的优化设计!是制冷空调产品设计方法现代化的发展方向"
冷凝器作为制冷系统的一个重要部件!其传热性能的优劣对于整个系统有着重要的影响"本文在建立管壳式水冷冷凝器的仿真方法的基础上!讨论各因素对水冷冷凝器的性能的影响"
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能
图’
冷凝器的管束布置图
源研究与利用
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理论模型
下面将要建立的冷凝器稳态分布模型主要是
(
换热系数的计算
基于以下假设#
!管内冷却水的流动为一维均匀流动!且不考
虑压降$"管外制冷剂的流动亦视作一维流动$#管壁的热阻忽略不计$$冷凝器模型的管束布置图如图’$%冷凝器的结构参数如表’"
!管内冷却水与管壁的换热系数的计算采用了文献%!&中的公式#
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上式中各个参数采用的定性温度为冷却水的平均温度"
年第期
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收稿日期#!""/0$!0!+
研究与探讨
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!管外平均换热系数的计算采用了文献!$"中
的公式#
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上式中#
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"&#$$%*是平均管排数$其计算式为#%*&
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"管外局部换热系数的计算
%根管的平均换热系数!%与顶部管的局部换
热系数!,之间的关系采用文献!."中的公式#
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文献!."给出了两种方法来计算第%根管子的管外局部换热系数$本例中考虑上部管子产生的凝结液对下部营子换热系数确有影响$所以选用第二种方法#
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))+1$2),
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%),上式中&),
1是流出第3%),4根管子的凝结液流量$而)1$2),是第3%),5根管子上产生的凝结液&
.
程序的编制
基于以上管壳式水冷冷凝器的换热模型$编制
了管壳式水冷冷凝器的性能仿真程序$本程序采用
6789:/;:871语言编制&
能根据冷凝器中冷却水进出口焓的差值和冷却水源流量计算出的换热量与用传热系数和传热温差计算研出的换热量是否相等来确定冷凝器出口状态的迭代究算法$编制冷凝器分布参数模型仿真程序$程序的输与入量为结构参数$水’制冷剂的入口条件$以及水和利制冷剂的流量$需要求解的输出量为冷却水’制冷剂用
的出口状态’换热量&程序中所用的迭代算法为二分!"法$以保证程序的简洁&具体的算法如下#
"#
年#假定冷却水的出口温度&初始值取制冷剂进
第口温度和冷却水进口温度的平均值$然后进行迭代
期
!
郭晓鹏$管壳式水冷冷凝器的模拟方法研究
计算&
!利用输入的已知参数计算出换热系数$然后
可以用换热系数和传热温差计算出换热量*!&
"利用输入的已经计算出的冷却水的流量和假
设的冷却水的出口焓值可以计算出冷却水所带走的热量*,&
$重复以上第
*,和*!在允许的误差范围内可以认为相等&
%输出结果#冷却水的出口焓值’制冷剂出口焓
值’冷凝器各个流程的换热量以及冷凝器的总换热量&
#
结果分析
利用以上仿真程序对管壳式水冷冷凝器的换热
性能进行模拟&该管壳式冷凝器的相关参数如下#采用=!!作为制冷剂$其流量为"’"(>!,?0@8$进口温度为#A!$冷凝温度为."!(冷却水的流量为
"’A.A",")$*$@8$冷却水的进口温度为$!!$水侧的
污垢热阻是"’""""B*!!@C&该冷凝器采用.流程$自下而上分别为第一到第四流程$每流程有管子
,!根&冷凝压力下各个流程的换热性能参数如表!&
表!
冷凝压力下各个流程的换热性能参数表
冷却水出口冷却水出该流程换该流程换热系焓值3?E@?05口温度3!5热量3?C5
数!C@3*!’!5"
第一流程,$#’BA(,$!’.(,’>($,(A$>"’,.!,>.第二流程,$A’>#$#$$’,"((>!’!>AAB,$>,’A!,>$.
第三流程,.!’,"$!$$’B$!A#!’B.>>""$>.’!>#!#$#
第四流程,.>’$!,>
$.’B.,A
$’#B(#"B$>A’A#>..##
#’,在表!中$第四流程的换热量最大$’#B(#"B
?C$占到整个冷凝器的换热量的$.’$!(D&主要原
因如下#
#第四流程位于冷凝器的最顶端$是制冷剂的
进口端$此时制冷剂与冷却水之间的换热温差最大(
!由于下层管子的管外换热受到上层管子上产
生的制冷剂凝结液下落时在下层管子上形成液膜的影响$上层管子的换热系数要大于下层管子的换热系数&图!给出了各层管子的局部换热系数随层数的变化$可以看到属于第四流程的第(层和第A层的局部换热系数要大于其它各层的局部换热系数&
郭晓鹏"管壳式水冷冷凝器的模拟方法研究
图
!
各层管子的换热系数的分布图
#$!
图%给出了冷凝器中制冷剂的出口焓值随冷
却水的流量的变化关系!随着冷却水流量的增大
"制冷剂的出口焓先是迅速下降#当达到一定值时"趋于稳定#这时即使再增大冷却水的流量"制冷剂的出口焓的下降幅度也极其有限!同样"在图&中可以看到$随着冷却水流量的增大"冷凝器的换热量先是显著增加#当冷却水流量达到一定值后"随着冷却水流量的增加"冷凝器的换热量的增加值也很有限!故冷却水的流量存在一个值$若冷却水的实际流量低于该值时"不能充分发挥冷凝器的传热性能#若冷却水的流量大于该值时"不仅制冷剂的出口焓不会有太大的下降"冷凝器的换热量不会有太大的提高"且会增加系统水泵的耗功!因此当冷却水的流量达到一定值后再提高流量对提高系统整体性能的意义不大!
图%
制冷剂的出口焓随冷却水流量的变化
图&
冷凝器的换热量随冷却水流量的变化
!"#"$%&’研究与探讨
(
#$%
影响冷凝器换热性能的因素还包括冷却水进
)*+,-%"
口温度’#(!图#给出了冷却水进口温度变化)冷却水的出口温度随之变化*对换热量的影响$随着冷却水温度的升高"冷凝器的换热量逐渐减少!这同样可以在图+中得到反映$制冷剂的出口焓随冷却水进口温度的增大而增大!可见"较低的冷却水进口温度有利于提高冷凝器的换热性能!但是"要降低冷却水
的温度会受到各种条件的限制"在实际使用时可以考虑采用深井水"或者采用冷却塔在冷却水进入冷凝器前先对其进行冷却!
图#冷凝器的换热量随冷却水进口温度的变化图
图+制冷剂出口焓随冷却水进口温度变化图
#$&冷凝温度的变化对冷凝器换热性能的影响$在
冷却水流量一定时"随着冷凝温度的提高"制冷剂的出口焓值降低#由于制冷剂的进口焓值不变"冷凝器
的换热量将增大"这在图&中得到了反映!另外"在能图#和图+中可以看到$当冷却水进口温度一定时"源制冷剂的出口焓值随着冷凝温度的升高而降低#而研冷凝器的换热量则随着冷凝温度的升高而升高!这究主要是因为随着冷凝温度的升高"冷凝器的换热温与差增大利"从而使冷凝器的换热量增大!
用
+
结论
!""#
!本文初步建立了壳管式水冷冷凝器的换热模
年第型!
"提出了壳管式水冷冷凝器的模拟方,下转第&"页-
期
王国云!井内换热器和回灌的地热水供热系统套管式井内换热器的长度为!""$!外缘管径为
!"#$%&’"(
资源与环境
)*+,&$*-"*.
见图*"由图可见!当井内换热器达到!+"$时!被
加热的自来水温升达#,!"为了减少热损失!井内换热器的上部作了保温"
%"&$$!中间管直径为’(%$$"开采井与回灌井的
井管直径为)%&$$"沿井深方向水温度变化情况!
图*沿井深方向水温变化曲线图
%
结语
参考文献%
&’’陈兴华!叶学锋!高宁.使用热泵的地热水供热系
统&/’.能源研究与利用!!++*!0*1%!#2!,.&!’陈兴华!王然良!庄斌舵.高效利用地热水的系统形
式及其经济性分析&/’.节能技术!!++!!3#1%)42!(.&*’贺平!孙刚.供热工程&5’.北京%中国建筑工业出
版社!’((*.’#2’4.
&%’章熙民!梅飞鸣.传热学&5’.北京%中国建筑工业
出版社!’((%.!#2!(.
有回灌井和井内换热器的新型地热水供热系统的优点是!地热水的水量与热量几乎被)""-的利用#地热水在井内进行热交换!放热后回灌!不被污染#井内换热器不同于普通地上式换热器!无腐蚀与结垢问题!结构简单!造价低!使用方便可靠!寿命长"该系统的推广应用!对保护地热水资源$节能和经济可持续发展有积极意义"
"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
(上接第*%页)法"
"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
并根据能量平衡编制了模拟程序!
!’7*管外的换热温差!’6*管内的换热温差
!!
+893$!!1+893$!!1
对壳管式水冷冷凝器的换热特性进行了分析!具有一定的现实意义"
!?*第?根管子的局部换热系数!@*顶部管子的局部换热系数’*壁温
!
!本文的方法对于建立其他的冷凝器换热模型
以及蒸发器的换热模型!具有一定的参考价值"
**冷凝"本文只是对制冷系统中的一个部件*器进行了换热模型的设计与建立!还不能反映冷凝器与整个制冷系统的相互联系!还需要建立整个系统的模型"符号说明%
(A!?2)*第3&2)1根管子上产生的制冷剂凝结液’*制冷剂在冷凝压力下的饱和温度
参考文献%
&)’丁国良!张春路.制冷空调装置仿真与优化&5’.
北京%科学出版社!!++).*+2#+.
!
能源研究与利用
!
""#
!6!!7*管内和管外的平均换热系数"*管壁的导热系数
+893$!1
893$+!1
!&!’杨世铭.传热学&5’.西安%西安交通大学出版社!
)(4#.%+2%#.
&*’吴业正.制冷原理及设备&5’.西安%西安交通大
学出版社!!++).4+24#.
&%’8.5.罗森诺&美’.传热学基础手册3下1&5’.北京%
科学出版社B)((!.,+2,#.
&#’周伟B曲云霞B方肇洪.冷凝器换热模型与仿真&/’.
济南C山东建筑工程学院学报!++*B)43%1C)!2)4.
!6!!7*管子的内径和外径"#!$%*雷诺数和普朗特数#*动力粘度$*密度
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&*每纵列上的管子数目%*汽化潜热
年
第期
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