工程应用课题课题名称：空调蒸发器数学模型

工程应用课题课题名称：空调蒸发器数学模型与数值求解指导教师：问题分析常规制冷剂对环境的影响主要表现在对臭氧层破坏和产生温室效应。其表现在臭氧含量不断减少和CO2浓度不断增加，这将会对人类居住的环境产生巨大的影响，甚至是灾难性后果。臭氧层破坏和温室效应已经成为国际间共同问题，增强环境保护意识，走社会可持续发展的道路，已经成为必然选择的途径。新合成的制冷工质在替代CFCs和HCFCs类制冷剂方面具有积极作用，作为R12的替代物R134a，在大气中仅存活六年，是目前国际上公认的商业化的替代物。1.制冷剂R134a简介★R134a不含氯原子，对大气臭氧层不起破坏作用；★R134a具有良好的安全性能(不易燃，不爆炸，无毒，无剌激性无腐性)；★R134a的传热性能比较接近，所以制冷系统的改型比较容易。★R134a的传热性能比R12好，因此制冷剂的用量可大大减少。2.R134A制冷剂与R12制冷剂的比较★R134a的传热性能和R12比较接近，所以制冷系统的改型比较容易；★R134a的传热性能比R12好，因此制冷剂的用量可大大减少。★R134a的汽化潜热和传热系数均高于R12，所以在相等制冷量或放热量条件下，R134a的换热面积要小。所以，R134a无毒、不燃不爆、其大气臭氧层破坏能力系数为零，地球温室效应值为0.26，环保性和安全性能较好，与其他替代工质相比，在蒸发压力、气化潜热、临界参数等方面更接近于R12。从全球范围来看，R134a是R12的主要替代制冷剂。3.空调制冷系统循环流程图（a）系统循环图（b）循环T-S图图1R134a制冷循环4.R134A制冷循环过程低压R134a蒸汽进入活塞式压缩机，被压缩为高压过热蒸汽，进入蒸发式冷凝器，经过回热器，膨胀阀后进入蒸发器，再进入回热器，低压R134a蒸汽被制冷压缩机吸入，不断进行循环。该系统采用回热器可以提高单位容积制冷量和制冷系数,可以使节流前制冷剂成为再冷状态,节流过程减少气化,节流机构工作稳定。模型建立为了简化模型计算，对换热器在轴向方向上做以下假设：▲稳态运行；▲管子沿轴向不存在热传导；▲忽略热损失；▲R134a和水沿轴向是一维流动。为增大换热量节省换热面积而采用逆流。图2单管程双管壳计算模型管壳式热器材质选用纯铜管,制冷剂所在管内径d1为8.52mm，为1mm，管外径d2为9.52mm，厚δ2为0.5mm。管长根据换热面积的要求求解。模型求解给定以下条件:R134a的蒸发温度tco=7.2℃，冷凝温度tci=54℃；进风温度thi=27℃，出口温度tho=17℃。管中两流体任意流动布置方式的能量转换方程式hhihoccociqCttCtt式中：hC——热流体热容积率phMC；cC——冷流体热容积率pcMC；,hihott——热流体终端温度；,cocitt——冷流体终端温度；1.热效率计算热效率计算采用对数平均温差法（LMTD）12112ln()mttLMTDttt式中121hocitttTt212hicotttTt由于实际温差与对数平均温差不同，故引进对数平均温差校正因子F，F可定义为实际温差与对数平均温差之比。对于纯逆流换热器，F=1[3]。图3不同质量流率下R134a在管内的换热特性从图中可以看到，质量流率增大，管内沸腾换热系数增大。在低质量流率时，管内换热系数随干度的增大而降低。若质量流率大于100kg/(m2S)，在低干度及中等干度区，换热系数随干度的增大而增大;在高干度区，换热系数急剧减小。管内沸腾由核态沸腾和强制对流换热控制，在低干度区，核态沸腾为主;在高干度区，对流换热为主。核态沸腾换热系数比对流换热系数大许多，因此在高干度区，换热系数会急剧下降。关于R134a管内沸腾换热关联式选Kandlikar关联式,其表达式如下:254111325CCCtporohhCCFCB式中tph——为管内沸腾换热系数，2WmK；oC——干度特征；0.50.811goxCxoB——沸腾数；oqBrG1rF——液相弗劳德数；2111rgGFd0.80.4111111(1)0.023PrGxdhdG——制冷剂的质量流率（2kgms）；x——质量干度；1——液相动力粘度（PaS）；1——液相导热率（WmK）；12345,,,,CCCCC为关联系数，其值取决于0C,当00.65C时，11.136C,20.9C,345667.2,0.7,0.3CCC；当00.65C时，10.6683,C230.2,1058.0,CC450.7,0.3CC。2.阻力损失计算R134a在管内流动蒸发，阻力损失按下式计算0.9151.15.98610silPqGd式中：:l两相区的管长（m）结论▲R134a制冷剂应用在空调蒸发器时，增大质量流率，管内沸腾换热系数增大,提高系统的换热性能，采用管壳式换热器，简便易行。▲根据文中建立的模型计算R134a制冷剂循环的空调蒸发器实际换热面积为1.183m2,有效换热管长为0.63m，管内平均沸腾换热系数比较大，能充分进行换热，根据该数据可以指导蒸发器的设计。展望R134a制冷剂广泛应用于家用冰箱，汽车空调和一些制冷量较大的冷水机组。作为目前公认的R12替代制冷剂，R134a很有发展前景，改进蒸发器的设计可以提高系统性能，改善循环条件，使其在空调制冷中的应用更加可靠。