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        小型家用空調器夏季啟停機過程動態(tài)特性研究

        2013-08-23 07:26:28張旭光任福忱
        山西建筑 2013年15期
        關鍵詞:家用空調制冷量毛細管

        張旭光 任福忱 白 犇

        (大連易世達新能源發(fā)展股份有限公司,遼寧大連 116023)

        對于小型家用空調器,常用的溫控方式多采用啟、停方式,采用這種控制方式時,一方面消耗的能量較多,另一方面室溫頻繁波動,房間溫度出現(xiàn)忽高忽低現(xiàn)象,人體喪失舒適感,同時也失去了空氣調節(jié)的舒適性意義。

        本文研究中建立的小型家用空調器夏季啟停機過程的動態(tài)仿真模型為深入了解空調器啟停過程的性能、進一步降低系統(tǒng)的能耗、優(yōu)化控制方式和提高機組的設計水平奠定了基礎。

        1 主要部件數(shù)學模型

        1.1 壓縮機數(shù)學模型

        本文采用效率法對全封閉旋轉式壓縮機建立了數(shù)學模型。在壓縮機動態(tài)模擬模型中,制冷劑氣體的壓縮輸運環(huán)節(jié)的時間常數(shù)與換熱器的時間常數(shù)(直接關系到系統(tǒng)中壓縮機吸、排氣壓力的響應速度)相比,相差2個~3個數(shù)量級[1]。因此,本文仍采用穩(wěn)態(tài)方程建立壓縮機的數(shù)學模型。

        實際容積流量:

        電功率:

        排氣溫度:

        壓縮機質量流量:

        1.2 毛細管數(shù)學模型

        研究表明[3],毛細管對進、出口狀態(tài)參數(shù)變化的響應時間很快,其時間常數(shù)的數(shù)量級約為0.01 s,相對于換熱器和系統(tǒng)而言,相差3個數(shù)量級,故本文在對小型家用空調器夏季啟停機研究中,仍采用穩(wěn)態(tài)方程對其進行描述。本文在一定假設下主要對制冷劑在絕熱毛細管內的流動建立了數(shù)學模型。

        模型方程基于連續(xù)流體介質三大守恒定律:

        質量守恒方程:

        能量守恒方程:

        動量守恒方程:

        1.3 換熱器數(shù)學模型

        本文擬采用分布參數(shù)法和分相流理論建立小型家用空調器室內外換熱器的動態(tài)數(shù)學模型,換熱器動態(tài)分布參數(shù)數(shù)學模型的建立包括管內側制冷劑、金屬管壁和肋片及管外側三部分。

        一般認為在兩相區(qū),干度x=0.1左右直至x→1的范圍內及很廣的質量流量下,兩相區(qū)呈環(huán)狀形流動[4]。因此本文在建立換熱器兩相區(qū)的數(shù)學模型時,僅考慮環(huán)狀流動時的情況。

        1)制冷劑兩相區(qū)部分。

        質量守恒方程:

        能量守恒方程:

        動量守恒方程:

        由于動量傳遞平衡過程非??欤瑒恿糠匠虒⒔ǔ刹皇軙r間約束的。

        其中,F(xiàn)PW.L為管壁到制冷劑液體的摩擦力,N/m3。

        2)制冷劑單相區(qū)部分。

        質量守恒方程:

        能量守恒方程:

        動量守恒方程:

        其中,F(xiàn)PW.s為管壁到制冷劑氣體的摩擦力,N/m3。

        3)管壁部分。

        能量守恒方程:

        考慮到管子與肋片材質的不同,采用平均比熱:

        4)管外側空氣部分。

        考慮到空氣側的熱容量較小,不計其質量和能量的積累,即可用穩(wěn)態(tài)方程模型。同時,因空氣流速較低,一般Re<2 000,且空調蒸發(fā)器沿氣流方向管排數(shù)較少,此側壓降將很小,故忽略空氣側壓降。

        質量守恒方程:

        能量守恒方程:

        5)空隙率模型。

        本文采用xtt修正模型對空隙率進行計算。Wallis提出了這類空泡系數(shù)公式,Baroczy和Didion又加以改進。這些方程為:

        2 小型家用空調器夏季啟停機過程動態(tài)特性分析

        系統(tǒng)的啟動過程模擬采用質量引導法[5],即將質量平衡作為迭代標準,在啟動過程中,任一時刻i高壓側和低壓側制冷劑的質量和能量平衡方程為:

        系統(tǒng)的停機過程模擬采用能量引導法[5],即將能量平衡作為迭代的標準。任一時刻高壓側和低壓側制冷劑的質量和能量平衡方程仍可用式(19)和式(20)表示。

        根據(jù)以上分析,用VB語言編制了小型家用空調器夏季啟停機模擬程序,并在額定制冷工況下對某公司生產(chǎn)的KFR-43LW/H1型分體落地式空調器夏季啟停機過程進行了動態(tài)模擬。

        圖1 啟機時兩器出口壓力隨時間的變化曲線

        由圖1可以看出,在剛開始啟動時,高壓側壓力和低壓側壓力相等,制冷系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。在啟動過程中,冷凝器和蒸發(fā)器出口壓力在啟動后約1.5 min內迅速變化,這是因為壓縮機轉速迅速增加,吸氣容積增大,壓縮機排除的制冷劑比毛細管能夠通過的制冷劑要多許多。因此,冷凝器中的制冷劑質量急劇增加,相應地冷凝溫度和冷凝壓力也增加,而蒸發(fā)器中的制冷劑則迅速減少,蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力也迅速降低。過了一段時間,通過毛細管的制冷劑與壓縮機排氣管的制冷劑達到平衡,冷凝壓力、蒸發(fā)壓力以及冷凝溫度、蒸發(fā)溫度均達到穩(wěn)態(tài)值。

        圖2給出了系統(tǒng)啟動階段壓縮機和毛細管制冷劑質量流量的變化。剛開始啟動時,兩器內壓力趨于平衡,這時毛細管內制冷劑質量流率應該是零。在開始階段,由于壓縮機吸排氣壓差很小,吸入口制冷劑氣體比容較小,容積效率高,因此壓縮機排氣量很大,此時壓縮機排出的制冷劑比毛細管能夠通過的制冷劑要多許多,而流過毛細管進入蒸發(fā)器的制冷劑,因有流動過程的時間的滯后,質量流率較小。隨著系統(tǒng)的繼續(xù)運行,壓縮機制冷劑質量流量逐漸減小,這是因為冷凝壓力逐漸上升,蒸發(fā)壓力迅速下降,導致壓縮機的吸排氣壓差逐漸增大,容積效率減小,與此同時,毛細管內制冷劑質量流量逐漸增大。由圖2可知,大約經(jīng)過3 min后,毛細管的制冷劑流量與壓縮機排氣管的制冷劑流量達到平衡。

        圖2 啟機時壓縮機和毛細管的質量流量隨時間的變化曲線

        圖3 啟機時兩器內存制冷劑質量隨時間的變化曲線

        如圖3所示為開機階段兩器內制冷劑質量的變化情況。開機后,大部分制冷劑迅速集中于冷凝器中。冷凝器溫度變化比較平緩時,制冷劑質量也達到一相對穩(wěn)定的值。模型中,忽略管道內制冷劑質量的變化,即冷凝器和蒸發(fā)器內存制冷劑質量之和一定,故圖3中蒸發(fā)器內存制冷劑質量的變化趨勢和冷凝器部分相反。冷凝器內存制冷劑質量的變化情況是決定整個系統(tǒng)充灌量的主要因素,對于整個制冷系統(tǒng)的性能預測以及優(yōu)化設計都具有一定的參考價值。

        由圖4知,在系統(tǒng)停止運行后,制冷劑通過毛細管從高壓側轉移到低壓側,冷凝器出口制冷劑壓力逐漸降低,而蒸發(fā)器出口處制冷劑壓力逐漸升高,最終兩器內制冷劑壓力達到平衡狀態(tài)。由圖4可知,兩器內制冷劑壓力約130 s達到平衡。因此空調器每次停機后再開機,時間間隔可取2.5 min。停機后再開機若時間間隔少于2.5 min,壓縮機在進出口存在較大壓差的情況下啟動,一方面會產(chǎn)生液擊現(xiàn)象,造成零件的損壞,影響壓縮機壽命;另一方面可能造成啟動電流過大,燒毀熔絲,甚至燒毀壓縮機電機。

        圖4 停機階段蒸發(fā)器和冷凝器出口壓力隨時間的變化曲線

        由圖5可知,停機時系統(tǒng)由穩(wěn)態(tài)制冷量迅速減小為零,約經(jīng)過120 s制冷量已降到穩(wěn)態(tài)制冷量的5%以下,所以室內貫流風機在停機后繼續(xù)運轉大約2 min停止比較合適,若時間過短,空調器停機后產(chǎn)生的制冷量不能充分利用,而運轉時間過長因無冷量輸出而消耗過多的能量。

        3 結語

        1)通過對KFR-43LW/H1型小型家用空調器啟停機過程進行模擬,表明該型號空調器停機后,貫流風機應延時運行,使制冷量充分釋放。根據(jù)模擬結果,該型號空調器壓縮機停機后室內側貫流風機的延時運轉時間為2 min。

        圖5 停機階段制冷量隨時間的變化曲線

        2)通過對KFR-43LW/H1型小型家用空調器啟停機過程進行模擬,得到該型號空調器每次停機后再開機的時間間隔至少為2.5 min。

        3)為降低啟停機過程的能量損失,采用變頻調節(jié)不失為一種最佳的選擇。采用模糊控制和變頻調速技術進行制冷量調節(jié)。

        注:主要符號說明:fx——摩擦阻力,Pa/m;G——制冷劑的質流密度,kg/(s·m2);H——氣缸的長度,m;MPW——微元管壁與肋片的質量;n——壓縮機轉速;Pi——指示功率;R——氣缸的半徑,m;r——滾動活塞的半徑,m;Ts——壓縮機的吸氣溫度,K;ηv——容積效率;ηm0——電動機效率;ηm——機械效率;vs——吸氣管入口比容,m3/kg。

        [1]丁國良,張春路.制冷空調裝置智能仿真[M].北京:科學出版社,2002.

        [2]張華俊.制冷壓縮機[M].北京:科學出版社,1999.

        [3]Escanes F,Perez-Segarra C D,Olive A.Numerical simulation of capillary-tube expansion devices[J].Int J Refrigeration,1995,18(2):113-122.

        [4]周強泰.兩相流動與熱交換[M].北京:水利電力出版社,1990.

        [5]丁國良,張春路,李 灝.分體式家用空調器動態(tài)仿真[J].上海交通大學學報,1999,3(33):262-264.

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