风冷热泵系统冬季工况下计算机仿真

摘要

风冷热泵系统在我国已经得到广泛应用，它具有高效节能、安装使用方便和不污染使用地区环境等突出优点。相比其商业推广上的巨大成功，在气温偏低且相对湿度较大地区风冷热泵的实际运行效果差强人意，主要原因是结霜和周期除霜过程带来的供热能力下降。 研究风冷热泵系统的性能可以采用两种方法，即实验方法和计算机仿真方法。实验方法受到实验条件以及人力、财力条件的限制，可以得到一些有参考价值的数据，但不可能全面分析实际系统的全部运行工况，尤其是诸如结霜这样的异常工况。基于计算机技术的数值模拟与仿真分析方法在近年飞速发展，已经部分替代了实验方法成为进行科学研究时的一种有效方法。本文采用数值模拟与仿真的方法建立风冷热泵系统冬季结霜工况下的动态数学模型，并与已有实验数据对比验证模型的可靠性，在此基础上分析风冷热泵机组冬季结霜工况下的性能与规律，以期为进一步优化系统性能提供参考。 本文首先对各种结霜模型进行了简单分析和比较，建立了霜层的多孔介质模型，并进行了传热传质理论分析，然后从霜层表面空气处于过饱和态的假设出发，用经典边界层理论证明了霜层表面的过饱和态的存在，给出了过饱和度的计算方法，根据Clapeyron-Clausius方程和理想气体状态方程导出结霜量的计算公式，最后对质量守恒、动量守恒和能量守恒方程进行了离散，选择了实际风冷热泵系统运行中较为合适的初始条件和边界条件进行了翅片管的局部数值模拟计算，分析了翅片管表面霜层形成过程中各种物性参数的变化。数值模拟与仿真的结果与已有实验数据的吻合表明了本文所建立的精确的数值模型的有效性。 在上述研究基础上将该结霜模型与完整翅片管换热器模型结合，同时考虑结霜过程中的霜层密度和厚度的变化，结合空气侧、结霜管道、制冷剂侧模型，数值模拟与仿真了霜层厚度、密度、结霜量对换热系数和空气压降的影响，所得结果也与已有实验数据吻合。然后由压缩机、冷凝器、毛细管、蒸发器、四通换向阀和连接管道构成风冷热泵系统建立起完整的数值模拟模型，用制冷剂的压力、温度、焓、质量流量和干度等作为传递参数，数值计算了典型工况下的结霜速率、霜的密度和厚度随时间的变化率以及系统的换热性能的变化。计算结果表明，在不同的工况下，室外换热器表面结霜的情况不同，这对机组的换热性能有很大影响。 尽管在一定程度上本文模型为一理想化的动态模型，但数值计算结果与已有实验数据的对比表明，两者吻合较好，进一步验证了所建模型的可靠性和有效性，可以进一步应用于风冷热泵机组的其余工况的实时仿真与结构优化研究。采用本文给出的数值模型，可以确定某一时刻机组中各点的状态，并根据不同的室外气象条件实时预测机组的换热性能，从而为采取更有效的实时除霜方法提供了依据。 最后对后续的风冷热泵系统的结霜和除霜过程的研究方向做了展望。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

第二章翅片管表面结霜过程动态分析

第三章冬季工况下室外换热器数值模拟

第四章冬季工况下风冷热泵系统数值模拟

第五章结论

参考文献

附录A攻读硕士学位期间公开发表论文目录

附录B攻读硕士学位期间参与学术会议与工程介绍

致谢