摘要：以Harms模型计算两相区内的空泡系数,用稳态分布参数法计算了制冷和制热两种运行工况下热泵型空调系统冷凝器和蒸发器内所含的制冷剂量。结果表明,制热工况下的制冷剂充注量比制冷工况下的充注量小。在此基础上提出了储液器法和喷射液态制冷剂法两种制冷剂流量控制方法。
0 引言
空气源热泵型空调器在夏热冬冷地区应用广泛,该装置在制冷和制热两种工况下空调系统所需的最佳制冷剂充注量是不同的。当冬季空气温度较低时,热泵的供热性能会下降。为了提高热泵型空调器的运行效率,有必要对高效节能空气源热泵技术进行研究。
热泵型空调器的制冷系统主要由制冷压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器组成,各部件通过管路联接。制冷压缩机和节流元件内制冷剂的储存量不大,这是因为节流元件的内容积相对整个系统来说一般都很小,制冷压缩机的内容积虽然较大,但在稳定运行时储存的基本上都是密度非常小的过热蒸气。冷凝器和蒸发器都是换热器,制冷剂在其中都要发生相变。在制冷系统稳定运行过程中,大部分制冷剂都是分布在这两个部件中[1]。本文通过分析以毛细管为节流元件的热泵型空调器在制冷和制热两种运行工况下空调系统的性能特性,用稳态分布参数法对冷凝器和蒸发器内的流动和传热进行模拟计算,用Harms模型计算两相区内的空泡系数[2-3],在制冷和制热两种运行工况下对冷凝器和蒸发器内所含制冷剂量分别进行计算和分析,确定热泵型空调系统内的制冷剂流量控制方法,从而提高热泵型空调器的运行效率。
1 基本方程
制冷剂在冷凝器和蒸发器中的流动呈液相、气相和气液两相三种状态,而不同的状态呈现出不同的传热特性。冷凝器和蒸发器的流动和传热计算可简化为如下数学模型[1]。
质量守恒方程:
动量守恒方程:
2 模拟计算
2.1 计算工况
在标准工况下,制冷循环工质为R22,采用焓差实验方法,对1台12 kW热泵型分体式空调器进行实验研究。传热管采用Φ9.52×0.35铜管时,根据实验结果,冷凝器内制冷剂与管壁之间的平均温差,过热段取10℃,两相段和过冷段均取5℃;蒸发器内制冷剂与管壁之间的平均温差,两相段和过热段均取5℃。
制冷运行工况为:冷凝温度tk=54.4℃;蒸发温度t0=7.2℃;过冷温度tsc=46.1℃;过热温度tsh=18.3℃;质量流量m·=320.58 kg/h。压缩机排气温度为95℃,制冷量为12 kW。制冷循环压焓图如图1所示。
制热运行工况为:冷凝温度tk=45℃;蒸发温度t0=0℃;过冷温度tsc=40℃;过热温度tsh=5℃;质量流量m·=195.84 kg/h。压缩机排气温度为70℃,制热量为13.5kW。制热循环压焓图如图2所示。
2.2 换热器内流动和传热的计算
在冷凝器和蒸发器内,制冷剂既存在单相状态,又存在气液两相状态。对于单相的过热区和过冷区,对制冷剂温度进行等分,用微元法求解。制冷剂侧的换热系数可采用Dittus-Boelter公式[4]计算;气液两相区采用稳态分布参数模型,用龙格-库塔法求解。对冷凝器内的两相流,制冷剂侧的换热系数采用Shah关联式[5-6]计算;对蒸发器内的两相流,忽略空气侧析湿影响,制冷剂侧的换热系数采用Wang关联式[7-8]计算。
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