冷凝器换热模型与仿真
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［!］ 区 。本文基于稳态分布参数法对冷凝器的三个相
!
结构介绍
冷凝器的种类很多， 例如： 水冷式、 空冷式以及
蒸发冷却式等， 而水冷式冷凝器按结构不同可以分 为套管式、 壳管式和板式冷凝器等。
区分别建立均相流换热模型。 考虑到物性参数随温度变化等因素， 可以将每 个相区分成多个单元段。制冷剂在过热区和过冷区 内的换热表现在制冷剂温度的变化上， 可以根据制 冷剂温降将过热区和过冷区均分为多个单元段； 而 制冷剂在两相区内以汽、 液混合态存在， 通过相变进 行换热， 制冷剂温度维持恒定， 流体间的换热表现在 制冷剂焓值的变化上， 可以将两相区分为多个等焓 值 （或者等干度） 变化的单元段。下面对各个相区内 的单元段建立以下换热模型。
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文章编号： （!""*） $""* # %’’" "$ # "34;! # $! # $! 基金项目： 山东省重大科技攻关项目资助 （"$$$%"$"%） & 作者简介： 周伟 （$’() # ） ， 男， 山东日照人， 山东建筑工程学院， 硕士， 研究方向： 热泵与制冷机仿真 &
万方数据
第!期
周伟等： 冷凝器换热模型与仿真
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本文在建立冷凝器传热模型和开发相应的模拟仿真 软件的基础上讨论各因素对冷凝器换热性能的影 响。
了蓬勃发展。但是许多制冷设备制造商在新产品设 计和开发中， 仍主要依靠反复的实验对制冷机 （热 泵） 各部件进行调整以达到装置的优化设计。这不 仅浪费了大量的人力、 财力， 还延长了新产品的开发 设计周期， 并且很难根据设备的使用要求达到制冷 机 （热泵） 各部件配置的最优化。为了解决以上问 题， 用计算机数值仿真代替样机试验是一种有效和 可行的途径。另一方面， 制冷机 （热泵） 的实际工作
第 $) 卷 !""* 年
第$期 *月
山东建筑工程学院学报 R12K>.X 1= E0.>Y1>? 2>Z[QKEZ,7 1= .KM0Z,QM,2KQ .>Y Q>?Z>QQKZ>?
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冷凝器换热模型与仿真
周伟， 曲云霞， 方肇洪
（山东建筑工程学院 地源热泵研究所， 山东 济南 !%""$+） 摘要： 提出了水—水热泵机组冷凝器的稳态仿真模型； 根据制冷剂的三种可能的存在状态将冷凝器的换热分为三 个串联换热器的换热。针对一新型复合套管冷凝器编制了稳态传热仿真程序， 利用该仿真程序分析讨论了冷却水 入口温度和流量对冷凝器传热性能的影响。该仿真程序可模拟计算出冷凝器内温度分布和换热量， 也可根据给定 的设计工况确定换热面积， 可用作整个热泵传热模拟和设计软件的一个组成部分。 关键词： 制冷； 热泵； 冷凝器； 传热； 仿真； 系统匹配 中图分类号： ,-$!+ 文献标识码： .
冷却水进、 出口温度。 %>% 传热系数 冷却水在过热区、 两相区和过冷区内没有发生 相变， 均以液态形式存在， 其对流换热系数可以统一
［!］
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［!］ 由以下公式计算得到 ：
山东建筑工程学院学报
!$$* 年
度、 压力、 出口过冷度、 冷却水流量和入口温度；
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（!） !" ! " ""# # % 式中： " "为冷却水物性集合参数； " ’ 为考虑水在螺旋 管内流动时离心力作用的修正系数； & & 为套管管间 空腔当量直径，’。 制冷剂在过热区和过冷区内分别以过热蒸汽和 过冷液体状态存在， 没有发生相变， 其换热系数
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［%］ 温度和压力利用马丁 ・ 候 （ ’()*+,-./0） 方程 计算得
到； 在两相区和过冷区入口的焓值分别对应于冷凝
［&］ 温度下制冷剂饱和蒸汽和饱和液体的焓值 。根据
每个区不同的单元段划分方法可以计算得到制冷剂 在每个单元段的进、 出口焓值 ! )! 和 ! )% 。 制冷剂和冷却水在冷凝器内进行热量交换， 他 们之间存在换热平衡关系， 考虑到冷凝器和外界环 境存在一定的热量损失， 通常采用漏热系数! 来修 正换热平衡方程式： （ " 1 #（ " 2 $ 1% % $ 1! ）& ! ) ! )! % ! )% ） （!） 式中： " 1为冷却水流量， 34 5 6； # 2 为冷却水定压比热， ・ ； 37（ 5 34 8） $ 1!和 $ 1% 分别为单元段的冷却水进口和出 口温度，9 ； 漏热系数! 随着 " )为制冷剂流量， 34 5 6； 冷凝器结构以及保温状况不同而不同， 一般取 :; < =
34*-2)1-：. LG4<DO:LG<G4 @4<G GC<9LP4C IAD4S PAC < FA9D49L4C AP T<G4C:T<G4C @4<G J8IJL 5L JC4L49G4D；G@4 FA9: D49L4C 5L <9<SOU4D <L G@C44 @4<G 4;F@<9B4CL FA994FG4D 59 L4C54L G@<G FACC4LJA9D GA G@4 G@C44 J@<L4L AP G@4 C4PC5B: 4C<9G 59 G@5L IAD4S V . L5I8S<G5A9 JCABC<I PAC < 94T:GOJ4 G8W4:59:G8W4 FA9D49L4C @<L W449 D4N4SAJ4D A9 W<L5L AP G@5L IAD4S，T@5F@ F<9 W4 8L4D GA JC4D5FG G@4 J4CPACI<9F4 AP G@4 FA9D49L4C 89D4C D5PP4C49G AJ4C<G59B FA9D5: G5A9L <9D GA L5U4 G@4 FA9D49L4C <FFACD59B GA F4CG<59 D4L5B9 FC5G4C5< V 5$6 7"2#*：C4PC5B4C<G5A9；@4<G J8IJ；FA9D49L4C；@4<G GC<9LP4C；L5I8S<G5A9；LOLG4I I<GF@59B 状态往往不是它的设计工况。因此， 确定制冷机 （热
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（!） 根据制冷剂入口压力求冷凝温度； （*） 依次求出过冷区、 两相区和过热区各单元 段进出口状态、 传热系数和长度； （(） 输出结果： 冷凝器设计长度。 #"! 模拟仿真 仿真程序可以根据冷凝器结构参数和冷凝器两 种介质的入口状态来计算冷凝器出口状态。程序采 用叠代法进行求解。 （6） 输入已知参数： 制冷剂流量、 入口温度、 压 力； 冷却水流量和入口温度； 冷凝器结构参数。 （!） 假设制冷剂出口焓值。考虑到冷凝器是 逆流换热， 制冷剂出口温度应介于冷却水入口温度 和冷凝温度 （两相区内制冷剂温度） 之间， 因此可以 设制冷剂出口焓值为冷却水入口温度对应的制冷剂 过冷液体焓值和冷凝温度对应的制冷剂饱和液体焓 值的算术平均值。 （*） 根据制冷剂出口温度是否低于冷凝温度 来判断冷凝器出口是否过冷， 如果过冷就根据式 （0） 求出过冷区各单元段长度， 从而求出过冷区总长度 和换热量。 （(） 根据式 （ 0） 求出两相区、 过热区各单元段 长度， 从而求出两相区、 过热区的长度和换热量。 （1） 调整制冷剂出口焓值并重复步骤 （*） 、 （(） 直到冷凝器计算长度与冷凝器的实际长度之间的误 差在容许范围之内。 （0） 输出结果： 换热量和制冷剂出口参数。
（&） 制冷剂在管内的流动为沿轴向一维流动 且不考虑制冷剂沿程压力损失。 在设计工况下， 制冷剂以过热蒸汽状态进入冷 凝器， 经过水的冷却逐步变为气体和液体的混合物， 再经过进一步冷却至过冷液体后离开冷凝器。当工 况变化以后， 冷凝器出口状态、 冷凝器换热量都随之 发生变化。根据冷凝器内制冷剂可能的存在状态， 将冷 凝 器 分 为 三 个 相 区： 过 热 区、 两相区和过冷
5 。 , 34的求解可以通过假设初始 , 34 值并通过叠代 调整 , 34使内套管内、 外两侧的换热量相差在容许范 围内而得到。 忽略制冷剂侧油膜热阻后， 以内套管外表面为 基准面的总换热系数： 6 （1） （ & &4 &4 6 4 + & +,） . *" . . ! /& +, !" !) & +, $ （’! ・ 式中： & 4为内套管外径，’； * "为水侧污垢热阻， - ! ・/） ； /） . -； / 为内套管材料导热系数，-（ . ’ $为 内螺纹肋化系数。 !"# 单元段长度 制冷剂和冷却水之间的传热温差 !,0 可以用对 数平均温差 （ 789:） 来表示。因此各单元段长度： （ 0 ) 3 )6 + 3 )! ） 12 ! -!,04"& 4 式中： 4 为内套管根数。 （0）
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结构介绍
冷凝器的种类很多， 例如： 水冷式、 空冷式以及
蒸发冷却式等， 而水冷式冷凝器按结构不同可以分 为套管式、 壳管式和板式冷凝器等。
区分别建立均相流换热模型。 考虑到物性参数随温度变化等因素， 可以将每 个相区分成多个单元段。制冷剂在过热区和过冷区 内的换热表现在制冷剂温度的变化上， 可以根据制 冷剂温降将过热区和过冷区均分为多个单元段； 而 制冷剂在两相区内以汽、 液混合态存在， 通过相变进 行换热， 制冷剂温度维持恒定， 流体间的换热表现在 制冷剂焓值的变化上， 可以将两相区分为多个等焓 值 （或者等干度） 变化的单元段。下面对各个相区内 的单元段建立以下换热模型。
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周伟等： 冷凝器换热模型与仿真
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冷凝器换热模型与仿真
周伟， 曲云霞， 方肇洪
（山东建筑工程学院 地源热泵研究所， 山东 济南 !%""$+） 摘要： 提出了水—水热泵机组冷凝器的稳态仿真模型； 根据制冷剂的三种可能的存在状态将冷凝器的换热分为三 个串联换热器的换热。针对一新型复合套管冷凝器编制了稳态传热仿真程序， 利用该仿真程序分析讨论了冷却水 入口温度和流量对冷凝器传热性能的影响。该仿真程序可模拟计算出冷凝器内温度分布和换热量， 也可根据给定 的设计工况确定换热面积， 可用作整个热泵传热模拟和设计软件的一个组成部分。 关键词： 制冷； 热泵； 冷凝器； 传热； 仿真； 系统匹配 中图分类号： ,-$!+ 文献标识码： .
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［&］ 温度下制冷剂饱和蒸汽和饱和液体的焓值 。根据
每个区不同的单元段划分方法可以计算得到制冷剂 在每个单元段的进、 出口焓值 ! )! 和 ! )% 。 制冷剂和冷却水在冷凝器内进行热量交换， 他 们之间存在换热平衡关系， 考虑到冷凝器和外界环 境存在一定的热量损失， 通常采用漏热系数! 来修 正换热平衡方程式： （ " 1 #（ " 2 $ 1% % $ 1! ）& ! ) ! )! % ! )% ） （!） 式中： " 1为冷却水流量， 34 5 6； # 2 为冷却水定压比热， ・ ； 37（ 5 34 8） $ 1!和 $ 1% 分别为单元段的冷却水进口和出 口温度，9 ； 漏热系数! 随着 " )为制冷剂流量， 34 5 6； 冷凝器结构以及保温状况不同而不同， 一般取 :; < =
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（&） 制冷剂在管内的流动为沿轴向一维流动 且不考虑制冷剂沿程压力损失。 在设计工况下， 制冷剂以过热蒸汽状态进入冷 凝器， 经过水的冷却逐步变为气体和液体的混合物， 再经过进一步冷却至过冷液体后离开冷凝器。当工 况变化以后， 冷凝器出口状态、 冷凝器换热量都随之 发生变化。根据冷凝器内制冷剂可能的存在状态， 将冷 凝 器 分 为 三 个 相 区： 过 热 区、 两相区和过冷
5 。 , 34的求解可以通过假设初始 , 34 值并通过叠代 调整 , 34使内套管内、 外两侧的换热量相差在容许范 围内而得到。 忽略制冷剂侧油膜热阻后， 以内套管外表面为 基准面的总换热系数： 6 （1） （ & &4 &4 6 4 + & +,） . *" . . ! /& +, !" !) & +, $ （’! ・ 式中： & 4为内套管外径，’； * "为水侧污垢热阻， - ! ・/） ； /） . -； / 为内套管材料导热系数，-（ . ’ $为 内螺纹肋化系数。 !"# 单元段长度 制冷剂和冷却水之间的传热温差 !,0 可以用对 数平均温差 （ 789:） 来表示。因此各单元段长度： （ 0 ) 3 )6 + 3 )! ） 12 ! -!,04"& 4 式中： 4 为内套管根数。 （0）
