CN107729600B - 蒸发器仿真计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种蒸发器仿真计算方法，利用设定的蒸发器进出口之间的冷媒参考压降值、冷媒参考焓差值和空气参考焓差值对蒸发器进出口之间的冷媒的压降和换热量、通过蒸发器的空气的换热量进行计算，获得蒸发器进出口之间的冷媒计算压降值、冷媒换热量和空气换热量；判断冷媒计算压降值与冷媒参考压降值是否相等，和/或判断冷媒换热量与空气换热量是否相等，若是，则计算结束并获得对应的蒸发器的管壁温度；若否，则调整冷媒参考压降值和/或冷媒参考焓差值再次进行计算和判断，直至计算结束。本发明中的蒸发器仿真计算方法采用压降和换热量同时计算的方式，以及冷媒换热量与空气换热量同时计算的方式，大大节省了运算时间，提高运算效率。

Description

蒸发器仿真计算方法

技术领域

本发明涉及仿真计算方法领域，具体涉及一种蒸发器仿真计算方法。

背景技术

随着空调市场需求不断扩大，要求生产商不断推陈出新。新式空调在上市之前需要进行性能测试，但对实物空调进行测试所需时间过长，无法满足开发周期。因此，采用高精度的仿真软件建立蒸发器模型对蒸发器的换热能力及可靠性进行检验具有重要的意义。

利用现有的仿真软件对蒸发器进行建模计算时，所需运算时间较长且计算结果不够准确，通过计算获得的蒸发器换热量与实际蒸发器换热量相差较多，仿真精度不高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于，提供一种运算时间短、模拟仿真精度高且运算准确率高的蒸发器仿真计算方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种蒸发器仿真计算方法，利用设定的蒸发器进出口之间的冷媒参考压降值、冷媒参考焓差值和空气参考焓差值对蒸发器进出口之间的冷媒的压降和换热量、通过所述蒸发器的空气的换热量进行计算，获得蒸发器进出口之间的冷媒计算压降值、冷媒换热量和空气换热量；

判断所述冷媒计算压降值与冷媒参考压降值是否相等，和/或判断所述冷媒换热量与空气换热量是否相等，若是，则计算结束并获得对应的蒸发器的管壁温度；

若否，则调整所述冷媒参考压降值和/或冷媒参考焓差值并再次进行计算和判断，直至计算结束。

优选地，在所述计算过程中，同时对所述蒸发器进出口之间的冷媒的压降和换热量、通过所述蒸发器的空气的换热量进行计算。

优选地，获得所述冷媒计算压降值、冷媒换热量和空气换热量的方法包括：

判断所述蒸发器出口的冷媒温度是否过热；

若是，则对蒸发器进出口之间的冷媒的压降和换热量，以及通过所述蒸发器的空气的换热量同时进行计算，获得冷媒计算压降值、冷媒换热量和空气换热量；

若否，则对蒸发器进出口之间的冷媒的压降和换热量同时进行计算，获得冷媒计算压降值。

优选地，若判断所述蒸发器出口的冷媒温度为过热时，所述冷媒计算压降值包括冷媒处于两相态下和单相态下的冷媒的压降；

所述冷媒换热量包括冷媒处于两相态下和单相态下的冷媒的换热量；

和/或，所述蒸发器出口冷媒温度不过热时，所述冷媒计算压降值为冷媒处于两相态下的冷媒的压降；

所述冷媒换热量为冷媒处于两相态下的蒸发器进出口之间冷媒的换热量。

优选地，所述冷媒计算压降值采用如下公式计算：

其中，d_m—冷媒的质量流量，单位：kg/s，

ρ—冷媒的密度，单位：kg/m³，

A—换热管的流通面积，单位：m²，

k—系数，

d_p—冷媒计算压降值，单位：bar。

优选地，空气与蒸发器的管壁之间的换热量计算公式为：

d_q＝h*Carea*(T_a-T_w)；

其中，

d_q—空气与管壁之间的换热量，单位：W，

h—空气与管壁之间的换热系数，单位：W/m²/k，

Carea—空气与管壁之间的对流换热面积，单位：m²，

T_w—管壁的温度，单位：℃，

T_a—空气温度，单位：℃，

area—换热管的横截面积，单位：m²，

L—换热管的长度，单位：m，

h_diam—换热管的当量直径，单位：m。

优选地，所述冷媒换热量采用如下公式计算：

Q_r＝d_m*(h_i-h_o)；

其中，Q_r—管内侧冷媒换热量，单位：W，

d_m—冷媒制冷流量，单位：kg/s，

h_i—蒸发器进口的冷媒比焓，单位：kJ/kg，

h_o—蒸发器出口的冷媒比焓，单位：kJ/kg。

优选地，所述空气换热量采用如下公式计算：

Q_a＝m_a*(ha_i-ha_o)＝ε*α*A_a*(T_a-T_w)；

其中，

N_u＝a*Re^b*Pr^c，

Q_a—管外侧空气换热量，单位：W，

m_a—空气质量，单位：kg，

ha_i—蒸发器进口空气比焓，单位：kJ/kg，

ha_o—蒸发器出口空气比焓，单位：kJ/kg，

ε—析湿系数，

α—蒸发器外部的空气换热系数，单位：W/(m²·℃)，

Aa—蒸发器内部的空气换热面积，单位：m²，

Ta—蒸发器进口的空气温度，单位：℃，

Tw—蒸发器出口的空气温度，单位：℃，

Nu—怒塞尔数，

λ—空气的导热率，单位：W/(m·K)，

deq—空气流通面的当量直径，单位：m，

Re—雷诺数，

Pr—普朗特数，

公式N_u＝a*Re^b*Pr^c中的a、b、c从数据库中调用。

优选地，在设定所述冷媒参考压降值、冷媒参考焓差值和空气参考焓差值之前，进行初始参数设定。

优选地，所述初始参数至少包括冷媒进口压力、冷媒进口温度或干度、冷媒出口压力、冷媒循环流量、蒸发器外部环境温度、蒸发器的换热管的管壁温度、蒸发器外部的空气流量。

优选地，调整所述冷媒参考压降值时，保持蒸发器出口压力不变，调整所述蒸发器进口的压力；

和/或，

调整所述冷媒参考焓差值时，保持蒸发器出口比焓不变，调整所述蒸发器进口的比焓。

有益效果：本发明中的蒸发器仿真计算方法采用压降和换热量同时计算的方式，以及冷媒换热量与空气换热量同时计算的方式，大大节省了运算时间，提高运算效率。

使用本发明中的蒸发器仿真计算方法对蒸发器模型进行计算，代替现有技术中采用蒸发器实体进行计算的方式，缩短产品开发试验阶段所需要的时间，进一步缩短企业新产品开发周期，能够适应更多紧急开发项目的需求，并且节省了人力成本和实验成本。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚。

图1是本发明具体实施方式提供的蒸发器仿真计算方法的流程图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

本实施例公开了一种蒸发器仿真计算方法，利用本申请中的仿真计算方法对即将上市的空调换热器处于蒸发态下的运行状态进行仿真计算，相比于进行实体换热器实验更加节省时间，缩短开发周期，节省人力资源和实验成本。

如图1所示，是本实施例公开的蒸发器仿真计算方法的具体流程，在进行计算前需要进行初始参数的设定，初始参数至少要包括冷媒进口压力、冷媒进口温度或干度、冷媒出口压力、冷媒循环流量、蒸发器外部环境温度、蒸发器的换热管的管壁温度、蒸发器外部的空气流量，上述初始参数均采用直接输入的方式在系统中进行设置。初始参数中有些是随着计算过程不断发生变化的，比如蒸发器换热管的管壁温度，冷媒进口压力。有些参数无论计算过程如何变化始终保持不变，比如蒸发器外部环境温度。

在确定了初始参数后，计算系统能够根据初始参数确定出换热器作为蒸发器使用或作为冷凝器使用，在本实施例中，针对换热器作为蒸发器的过程进行详细说明。

初始参数设置完成后，设定蒸发器进出口之间的冷媒参考压降值、冷媒参考焓差值和空气参考焓差值，冷媒参考压降值通过冷媒出口压力减去冷媒进口压力的方式获得，冷媒参考焓差值由冷媒的进口比焓减去冷媒的出口比焓获得，冷媒的进口比焓通过冷媒的进口压力和温度唯一确定，或是通过冷媒的进口压力或干度唯一确定。焓差值是由出口比焓减去进口比焓的差值再乘以介质的质量流量获得的，但由于空气的质量可以忽略不计，因此，空气参考焓差值由室外空气比焓减去出口空气比焓确定的。

利用上述冷媒参考压降值、冷媒参考焓差值和空气参考焓差值以及初始参数模拟蒸发器中冷媒和空气的热量交换过程中，对蒸发器出口位置处的温度是否过热进行判断，若判断为是，则对蒸发器进出口之间的冷媒的压降和换热量，以及通过蒸发器的空气的换热量同时进行计算，获得冷媒计算压降值、冷媒换热量和空气换热量。在蒸发器出口温度过热情况下需要对两相态的冷媒和单相态的冷媒均进行计算，两相态的冷媒指在冷媒没有完全被蒸发时包含气液两种状态的冷媒，单相态的冷媒指蒸发完全状态下处于气态的冷媒。当蒸发器出口温度过热时，说明处于气液混合态的冷媒已经被完全蒸发，由气液混合态完全变为气态。因此，冷媒计算压降值包括冷媒处于气液态下和气态下的冷媒的压降值，冷媒换热量包括冷媒处于气液态和气态下的冷媒的换热量。同时，在此种状态下还需要计算空气换热量，为后续计算做准备。

若判断蒸发器出口的冷媒温度为不过热时，即判断为否时，计算冷媒在两相态下的冷媒的压降和换热量，此处的两相态指冷媒处于气液态下的状态。当蒸发器出口的冷媒温度不过热时，说明冷媒在蒸发器中没有完全蒸发，在蒸发器的出口位置处仍然为气液两相态。因此，该状态下的冷媒计算压降值为冷媒处于气液态下的冷媒的压降，冷媒换热量为冷媒处于气液态下的冷媒的换热量。

另外，也可以不进行出口处冷媒是否过热的判断，此时，则需要分别对冷媒处于气态下和气液两态下的进出口之间的压降值、换热量进行计算，还要对冷媒处于气态下、气液两态下的空气换热量进行计算。无论冷媒处于哪种状态下，在对冷媒计算压降值、冷媒换热量、空气换热量计算过程中，优选采用对上述三个参量同时计算的方式，能够节省计算时间，帮助缩短产品开发和实验周期。

上述冷媒计算压降值采用如下公式进行计算：

其中，d_m—冷媒的质量流量，单位：kg/s，

ρ—冷媒的密度，单位：kg/m³，

A—换热管的流通面积，单位：m²，

k—系数，

d_p—冷媒计算压降值，单位：bar。

上述计算公式中涉及到的系数k需要从数据库中调用，该数据库中的数据是经过大量实验测试不同换热器得到，具有普遍性，能够涵盖大多数换热器类型，可靠性高。系数k的取值与换热器的型号有关，不同的换热器对应的系数k不同，通常情况下，系数k为0至5中的一个常数。

在对冷媒换热量和空气换热量进行计算过程中需要对空气与蒸发器的换热管的管壁之间的换热量进行计算，使用到的计算公式为：

d_q＝h*Carea*(T_a-T_w)；

其中，

d_q—空气与管壁之间的换热量，单位：W，

h—空气与管壁之间的换热系数，单位：W/m²/k，

Carea—空气与管壁之间的对流换热面积，单位：m²，

T_w—管壁的温度，单位：℃，

T_a—空气温度，单位：℃，

area—换热管的横截面积，单位：m²，

L—换热管的长度，单位：m，

h_diam—换热管的当量直径，单位：m。

上述公式中涉及到的空气与管壁之间的换热系数h通过实验测试大量不同换热器数据组成的数据库中调用。

在获得冷媒换热量时采用如下公式计算：

Q_r＝d_m*(h_i-h_o)；

其中，Q_r—管内侧冷媒换热量，单位：W，

d_m—冷媒制冷流量，单位：kg/s，

h_i—蒸发器进口的冷媒比焓，单位：kJ/kg，

h_o—蒸发器出口的冷媒比焓，单位：kJ/kg。

获得空气换热量时采用如下公式计算：

Q_a＝m_a*(ha_i-ha_o)＝ε*α*A_a*(T_a-T_w)；

其中，

N_u＝a*Re^b*Pr^c，

Q_a—管外侧空气换热量，单位：W，

m_a—空气质量，单位：kg，

ha_i—蒸发器进口空气比焓，单位：kJ/kg，

ha_o—蒸发器出口空气比焓，单位：kJ/kg，

ε—析湿系数，

α—蒸发器外部的空气换热系数，单位：W/(m²·℃)，

Aa—蒸发器内部的空气换热面积，单位：m²，

Ta—蒸发器进口的空气温度，单位：℃，

Tw—蒸发器出口的空气温度，单位：℃，

Nu—怒塞尔数，

λ—空气的导热率，单位：W/(m·K)，

deq—空气流通面的当量直径，单位：m，

Re—雷诺数，

Pr—普朗特数，

公式N_u＝a*Re^b*Pr^c中的a、b、c从数据库中调用，该数据库由实验测试大量不同换热器数据组成的，与系数k相同，a、b、c也为0至5范围中的常数。

当蒸发器出口处冷媒温度判定为不过热时，获得冷媒处于气液态下的冷媒计算压降值和冷媒换热量后，判断冷媒计算压降值与冷媒参考压降值是否相等，如果上述两者相等，则整个计算过程结果，输出此状态下的管壁温度，该状态下的管壁温度使得蒸发器的冷媒换热量与空气换热量相等。如果上述两者不相等，则需要对冷媒参考压降值进行调整，具体地，在调整的时候保持蒸发器出口压力不变，调整所述蒸发器进口的压力。对冷媒参考压降值进行调整后，重复之前的计算过程，直至计算结束。

需要说明的是，上述过程中所说的相等是指等效相等，即在一定范围内相等，比如冷媒参考压降值为50，那么认为当冷媒计算压降值位于45—55范围内，都能够认为冷媒参考压降值与冷媒计算压降值相等。另外，计算过程是否结束的判断标准为计算过程是否收敛，当计算过程收敛时，则计算过程结束，如果计算结果不收敛，则认为冷媒计算压降值与冷媒参考压降值不相等。

当蒸发器出口处冷媒温度判定为过热时，获得冷媒处于气液态下和气态下的冷媒计算压降值和冷媒换热量，以及空气换热量后，判断冷媒换热量与空气换热量是否相等，如果相等，则计算结束，获得此时蒸发器换热管的管壁温度。如果冷媒换热量与空气换热量不相等，则调整冷媒参考焓差值，重新进行上述计算，直至冷媒换热量与空气换热量相等，计算结束，获得管壁温度。在对冷媒参考焓差值进行调整时，保持蒸发器出口的冷媒比焓不变，调整蒸发器进口的冷媒比焓。

另外，空气、蒸发器换热管、冷媒之间的换热过程为，冷媒与换热管之间进行热交换，换热管与空气之间进行热交换。当冷媒计算压降值与冷媒参考压降值相等，且冷媒换热量与空气换热量相等时，计算结果收敛，计算结束。当冷媒计算压降值与冷媒参考压降值不相等，且冷媒换热量与空气换热量不相等时，同时对冷媒参考压降值和冷媒参考焓差值同时进行调整。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种蒸发器仿真计算方法，其特征在于，利用设定的蒸发器进出口之间的冷媒参考压降值、冷媒参考焓差值和空气参考焓差值对蒸发器进出口之间的冷媒的压降和换热量、通过所述蒸发器的空气的换热量进行计算，获得蒸发器进出口之间的冷媒计算压降值、冷媒换热量和空气换热量；

判断所述冷媒计算压降值与冷媒参考压降值是否相等，和/或判断所述冷媒换热量与空气换热量是否相等，若是，则计算结束并获得对应的蒸发器的管壁温度；

若否，则调整所述冷媒参考压降值和/或冷媒参考焓差值并再次进行计算和判断，直至计算结束；

其中，所述冷媒计算压降值采用如下公式计算：

其中，d_m—冷媒的质量流量，单位：kg/s，

ρ—冷媒的密度，单位：kg/m³，

A—换热管的流通面积，单位：m²，

k—系数，

d_p—冷媒计算压降值，单位：bar。

2.根据权利要求1所述的蒸发器仿真计算方法，其特征在于，在所述计算过程中，同时对所述蒸发器进出口之间的冷媒的压降和换热量、通过所述蒸发器的空气的换热量进行计算。

3.根据权利要求2所述的蒸发器仿真计算方法，其特征在于，获得所述冷媒计算压降值、冷媒换热量和空气换热量的方法包括：

判断所述蒸发器出口的冷媒温度是否过热；

若是，则对蒸发器进出口之间的冷媒的压降和换热量，以及通过所述蒸发器的空气的换热量同时进行计算，获得冷媒计算压降值、冷媒换热量和空气换热量；

若否，则对蒸发器进出口之间的冷媒的压降和换热量同时进行计算，获得冷媒计算压降值。

4.根据权利要求3所述的蒸发器仿真计算方法，其特征在于，若判断所述蒸发器出口的冷媒温度为过热时，所述冷媒计算压降值包括冷媒处于两相态下和单相态下的冷媒的压降值；

所述冷媒换热量包括冷媒处于两相态下和单相态下的冷媒的换热量；

和/或，所述蒸发器出口冷媒温度不过热时，所述冷媒计算压降值为冷媒处于两相态下的冷媒的压降；

所述冷媒换热量为冷媒处于两相态下的蒸发器进出口之间冷媒的换热量。

5.根据权利要求2至4任一项所述的蒸发器仿真计算方法，其特征在于，空气与蒸发器的管壁之间的换热量计算公式为：

d_q＝h*Carea*(T_a-T_w)；

其中，

d_q—空气与管壁之间的换热量，单位：W，

h—空气与管壁之间的换热系数，单位：W/m²/k，

Carea—空气与管壁之间的对流换热面积，单位：m²，

T_w—管壁的温度，单位：℃，

T_a—空气温度，单位：℃，

area—换热管的横截面积，单位：m²，

L—换热管的长度，单位：m，

h_diam—换热管的当量直径，单位：m。

6.根据权利要求1至4任一项所述的蒸发器仿真计算方法，其特征在于，所述冷媒换热量采用如下公式计算：

Q_r＝d_m*(h_i-h_o)；

其中，Q_r—管内侧冷媒换热量，单位：W，

d_m—冷媒制冷流量，单位：kg/s，

h_i—蒸发器进口的冷媒比焓，单位：kJ/kg，

h_o—蒸发器出口的冷媒比焓，单位：kJ/kg。

7.根据权利要求1至4任一项所述的蒸发器仿真计算方法，其特征在于，所述空气换热量采用如下公式计算：

Q_a＝m_a*(ha_i-ha_o)＝ε*α*A_a*(T_a-T_w)；

其中，

N_u＝a*Re^b*Pr^c，

Q_a—管外侧空气换热量，单位：W，

m_a—空气质量，单位：kg，

ha_i—蒸发器进口空气比焓，单位：kJ/kg，

ha_o—蒸发器出口空气比焓，单位：kJ/kg，

ε—析湿系数，

α—蒸发器外部的空气换热系数，单位：W/(m²·℃)，

Aa—蒸发器内部的空气换热面积，单位：m²，

Ta—蒸发器进口的空气温度，单位：℃，

Tw—蒸发器出口的空气温度，单位：℃，

Nu—怒塞尔数，

λ—空气的导热率，单位：W/(m·K)，

deq—空气流通面的当量直径，单位：m，

Re—雷诺数，

Pr—普朗特数，公式N_u＝a*Re^b*Pr^c中的a、b、c从数据库中调用。

8.根据权利要求1至4任一项所述的蒸发器仿真计算方法，其特征在于，在设定所述冷媒参考压降值、冷媒参考焓差值和空气参考焓差值之前，进行初始参数设定。

9.根据权利要求8所述的蒸发器仿真计算方法，其特征在于，所述初始参数至少包括冷媒进口压力、冷媒进口温度或干度、冷媒出口压力、冷媒循环流量、蒸发器外部环境温度、蒸发器的换热管的管壁温度、蒸发器外部的空气流量。

10.根据权利要求1至4任一项所述的蒸发器仿真计算方法，其特征在于，调整所述冷媒参考压降值时，保持蒸发器出口压力不变，调整所述蒸发器进口的压力；

和/或，

调整所述冷媒参考焓差值时，保持蒸发器出口比焓不变，调整所述蒸发器进口的比焓。

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