關(guān)于冷水盤管運(yùn)行工況的反向計(jì)算機(jī)模擬

胡敏

摘要：與傳統(tǒng)復(fù)雜的冷水盤管計(jì)算機(jī)正向模擬方式不同，本文另辟蹊徑，提出了一種單從冷水盤管的名義工況，不需要了解冷水盤管的任何構(gòu)造，反向進(jìn)行推算和預(yù)測盤管運(yùn)行工況的計(jì)算機(jī)模擬新方法。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對比，其模擬效果的準(zhǔn)確性可達(dá)到95%以上。 這種反向方法也為其他空調(diào)設(shè)備的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)提供了一種全新的模擬方式。

關(guān)鍵詞：冷水盤管；計(jì)算機(jī)模擬；濕球溫度；干工況；濕工況；對數(shù)平均溫差；效率—傳遞單元數(shù)法

Abstract: It is different from the traditional complex cold water coil computer forward simulation, this dissertation, the name of a single tube from the cold water tray conditions, do not need to know the cold water coil structure, reverse projections and predict disk tube operating conditions, new methods of computer simulation. Compared with the experimental results, the accuracy of the simulation results can be achieved in more than 95%. The reverse method also provides a new simulation method for the other air-conditioning equipment, computer-aided design.Key words: cold water coil; computer simulation; wet bulb temperature; dry conditions; wet conditions; logarithmic mean temperature difference; efficiency - transfer cell counting method

中圖分類號(hào)：G623.58文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：

注釋：

下標(biāo)指在名義工況下

濕空氣的單位熱容量

飽和濕空氣在冷水溫度下的單位熱容量

冷水的單位熱容量

冷水盤管的最小熱容量，一般來說指濕空氣的熱容量

冷水盤管的最大熱容量，一般指冷水的熱容量

冷水盤管的效率

濕空氣入口焓值

濕空氣出口焓值

與冷水入口溫度等溫的假想濕空氣焓值

與冷水出口溫度等溫的假想濕空氣焓值

與盤管入口表面溫度等溫的假想濕空氣焓值

與盤管出口表面溫度等溫的假想濕空氣焓值

與盤管外表面平均溫度等溫的假想濕空氣焓值

濕空氣在入口露點(diǎn)溫度下的焓值

盤管的冷水質(zhì)量流量

盤管的濕空氣質(zhì)量流量

盤管的傳遞單元數(shù)，

冷水盤管的濕空氣入口溫度

冷水盤管的冷水入口溫度

冷水盤管入口表面溫度

冷水盤管出口表面溫度

冷水盤管的外表面平均溫度

冷水盤管的熱空氣與冷水入口溫差

冷水盤管的熱空氣與冷水出口溫差

冷水盤管的總冷量

冷水盤管的顯熱冷量

冷水盤管的總傳熱系數(shù)

冷水盤管的管內(nèi)傳熱系數(shù)

冷水盤管的管外傳熱系數(shù)

盤管的濕空氣體積流量

1.引言

冷水盤管是現(xiàn)代空調(diào)工程中主要的除濕冷卻設(shè)備，其運(yùn)行工況的計(jì)算機(jī)模擬通常有兩種方法。第一種方法是基于對盤管構(gòu)造的詳細(xì)描述, 比如，盤管的排數(shù)，管數(shù)，管距，管的內(nèi)外徑，翼片厚度和片距，以及管流方式和空氣流動(dòng)斷面的尺寸，運(yùn)用效率—傳遞單元數(shù)法來模擬。這種方法是由美國暖通工程師協(xié)會(huì)在ToolKit[1]中提出的, 其模擬效果非常準(zhǔn)確可靠，但是它的使用十分繁瑣. 如果盤管構(gòu)造不可知,那么就不能使用這種方法來模擬。第二種方法是一種極其簡單純粹數(shù)學(xué)方法。它依據(jù)盤管制造商提供的產(chǎn)品工況數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線回歸，從而預(yù)測其他運(yùn)行工況。很明顯這種方法只能使用在特定的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)和特定的產(chǎn)品上。這一局限性使它不可能作為模型廣泛應(yīng)用于冷水盤管計(jì)算機(jī)模擬。鑒于這一現(xiàn)狀，有必要尋求一種簡單可靠通用的冷水盤管模擬模型來彌補(bǔ)前面兩種模型的不足。在冷水盤管設(shè)計(jì)選型時(shí)，其名義工況總是可知。因此，如何從冷水盤管名義工況來反向推測盤管構(gòu)造便成為構(gòu)建新模擬模型的關(guān)鍵。

2. 冷水盤管的物理模型

冷水盤管實(shí)際上就是一種氣水翼片殼管式換熱器。所有換熱器的研究方法和運(yùn)算規(guī)律均應(yīng)適用于冷水盤管。因此我們可以采用經(jīng)典的對數(shù)平均溫差法和效率—傳遞單元數(shù)法[2] 來描述冷水盤管的物理模型。不論冷水盤管的物理構(gòu)造如何變化，它都應(yīng)遵循對數(shù)平均溫差法和效率—傳遞單元數(shù)法中的物理參數(shù)及規(guī)律。即，

(1)

(2)

這樣我們只要能從冷水盤管簡單的名義工況推算這些物理參數(shù)，就可以科學(xué)得模擬冷水盤管的任何運(yùn)行工況。

一般來說，冷水盤管的名義工況總是給出運(yùn)行點(diǎn)的名義總冷量和其名義顯熱冷量，濕空氣名義流量和其名義入口干球溫度，冷水名義流量和其名義入口溫度?，F(xiàn)在我們來看一下怎樣來計(jì)算盤管構(gòu)造的物理參數(shù)，總名義傳熱系數(shù)，管內(nèi)名義傳熱系數(shù)和管外名義傳熱系數(shù)，以及盤管名義效率。

首先依據(jù)名義工況的參數(shù)，我們可以比較容易得出盤管出口的濕空氣與冷水名義焓值和溫度值，然后利用對數(shù)平均焓差的概念來求出(圖1)。

同樣用以焓差代替溫差的方法，我們不難求出盤管名義效率

(4)

關(guān)于盤管外表面平均名義溫度，我們可以使用如下經(jīng)驗(yàn)公式[3] 來求算

(5)

這樣管內(nèi)名義傳熱系數(shù) 便可以用盤管名義效率 來表示，

(6)

最后我們便可計(jì)算出管外名義傳熱系數(shù)

(7)

通過對努謝爾數(shù),雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)的關(guān)系式研究，我們不難發(fā)現(xiàn)冷水盤管的管內(nèi)外傳熱系數(shù)主要受管內(nèi)冷水流量和管外空氣流量的影響。利用無因次量綱分析，我們便可修正取得在任意運(yùn)行工況管內(nèi)外傳熱系數(shù)值，

(9)

(10)

但是冷水盤管的總傳熱系數(shù)的計(jì)算需要了解盤管的干濕工況。

3. 冷水盤管的運(yùn)行工況分析

當(dāng)冷水盤管的表面溫度低于濕空氣入口的露點(diǎn)溫度時(shí)，盤管表面就會(huì)產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象并生成一層薄水膜。依據(jù)冷水盤管的表面溫度與濕空氣入口的露點(diǎn)溫度的相對大小，我們可區(qū)分三種運(yùn)行工況: 完全干工況，完全濕工況和干濕混合工況(圖2)。

圖2. 冷水盤管隨露點(diǎn)溫度變化的干濕工況示意圖

第一種情形:完全干工況

這種情形發(fā)生在濕空氣入口的露點(diǎn)溫度低于盤管冷水入口溫度時(shí)，這意味著盤管所有表面溫度都高于濕空氣入口的露點(diǎn)溫度。冷水盤管此時(shí)可以簡化為一個(gè)非常簡單的常規(guī)換熱器，其總傳熱系數(shù)可用如下的方法求算，

(11)

那么冷水盤管在任意的干工況的運(yùn)行工況便可以利用效率—傳遞單元數(shù)法來進(jìn)行模擬運(yùn)算， 即

(12)

(13)

(14)

第二種情形: 完全濕工況

這是另一種極端情形，當(dāng)濕空氣入口的露點(diǎn)溫度高于盤管冷水出口溫度時(shí)，盤管所有表面溫度都低于濕空氣入口的露點(diǎn)溫度。在完全濕工況下，整個(gè)盤管的表面都被認(rèn)為結(jié)露。

第三種情形: 干濕混合工況

第三種情形是界于前面兩種極端情形之間，即濕空氣入口的露點(diǎn)溫度界于盤管冷水入口溫度和盤管冷水出口溫度之間。這時(shí)候只有冷水盤管的局部表面產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。

在后面這兩種情形下，由于盤管表面局部形成一層水膜從而影響盤管外部換熱系數(shù)。因此盤管總換熱系數(shù)要考慮飽和濕空氣在冷水溫度下的熱容量，

(15)

然后冷水盤管在任意的濕工況的運(yùn)行工況仍利用公式 (12)-(14)來計(jì)算，但是所有的溫度值將用等溫的焓值來表示，

(16)

(17)

(18)

接著我們可以計(jì)算出分別與冷水盤管表面入口溫度，表面出口溫度和表面平均溫度對等的假想濕空氣飽和焓值，

(19)

(20)

(21)

接下來利用濕空氣的飽和曲線擬和函數(shù)，我們就比較容易的求出它們相對應(yīng)的溫度值。最后再次使用效率—傳遞單元數(shù)法便可得出冷水和濕空氣的出口溫度了。

4. 結(jié)果對比分析

為了便于評價(jià)和分析本文提出的冷水盤管的反向模型的模擬效果,我們用FORTRAN語言把此模型編譯成美國太陽能實(shí)驗(yàn)室TRNSYS軟件環(huán)境下的TYPE [4]，并分別與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和美國暖通工程師協(xié)會(huì)盤管模型的模擬結(jié)果進(jìn)行了對比。

所實(shí)驗(yàn)的冷水盤管的名義工況如表1。在不改變冷水進(jìn)水名義工況下，我們把濕空氣的進(jìn)口干球溫度從12°C變化到32°C，同時(shí)不改變濕空氣的進(jìn)口90% 的相對濕度情況下，我們把穩(wěn)定后實(shí)驗(yàn)結(jié)果與冷水盤管的反向模型模擬結(jié)果相比較，如圖3所示。

我們不難發(fā)現(xiàn)反向模型的模擬結(jié)果相當(dāng)準(zhǔn)確，計(jì)算的冷水出口溫度相對誤差最大只有2.3%，濕空氣出口溫度相對誤差最大只有1.8%，總冷量相對也只有5.8%。

我們又與美國暖通工程師協(xié)會(huì)盤管模型進(jìn)行了不同運(yùn)行工況下對比模擬。我們先是單獨(dú)改變濕空氣的進(jìn)口干球溫度，從30°C變化到15°C，然后同時(shí)改變濕空氣進(jìn)口干球溫度和冷水進(jìn)口溫度，接下來再疊加濕空氣進(jìn)口流量和冷水進(jìn)口流量的變化。其對比模擬結(jié)果如圖4所示。同樣我們可以觀察到它們之間的平均相對誤差在5%以內(nèi)。

5. 結(jié)論

本文提出了一種全新的冷水盤管的反向計(jì)算機(jī)模擬方法。其模擬的準(zhǔn)確性與美國暖通工程師協(xié)會(huì)盤管正向模型相媲美，但此反向模型的使用非常簡便，它只需要提供冷水盤管的名義工況，無需描述冷水盤管的繁瑣構(gòu)造，就可模擬出盤管任意運(yùn)行工況。因而這種模型也更適合于空調(diào)設(shè)計(jì)階段的冷水盤管的選型和運(yùn)行工況分析。同時(shí)這種反向模擬方式也為其他空調(diào)設(shè)備的計(jì)算機(jī)模擬開辟了一種性思路。

6.參考文獻(xiàn)

[1] ASHRAE. A Toolkit for Secondary HVAC System Energy Calculations. ASHRAE Inc. 1791 Tullie Circle NE, Atlanta, GA 30329. 1993.

[2] Frank P. Incropera, David P. DeWitt, Theodore L. Bergman, Adrienne S. Lavine. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. Sixth Edition. Wiley, New York. September 2006.Pp675-706.

[3] P.Dal Zotto, J.M.Larre, A.Merlet, L.Picau. Memotech. Genie Energétique. EducaLivre. 2e Edition. Paris. 2000. pp149-151.

[4] S.A.Klein. W.A.Beckman. J.W.Mitchell, et al. TRNSYS 16. A Transient System Simulation Program. Volume 5 – Mathematical Reference. Solar Energy Laboratory, University of Wisconsin-Madison. USA. 2006.pp141-147.

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。