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        熱回收型空調(diào)機運行特性仿真研究

        2020-07-09 10:44:54
        資源信息與工程 2020年3期
        關(guān)鍵詞:空調(diào)機制冷量制冷劑

        李 明

        (湖南凌天科技有限公司,湖南 湘潭 411100)

        1 引言

        熱回收型空調(diào)機是一種將傳統(tǒng)單元式空調(diào)機與全熱換熱器聯(lián)用的空調(diào)機組,通過增設(shè)全熱換熱器,向室內(nèi)輸入新風(fēng)并回收排風(fēng)中的熱量,能夠顯著減少空調(diào)機的能耗,對于改善室內(nèi)空氣品質(zhì)、提高能源的利用效率具有非常重要的意義[1-4]。在熱回收型空調(diào)機運行時,室內(nèi)外熱、濕負(fù)荷及室外溫度的變化將會影響熱回收型空調(diào)機的運行特性,導(dǎo)致熱回收型空調(diào)機的制冷量、壓縮機耗功和制冷系數(shù)等發(fā)生變化。為分析室內(nèi)外熱、濕負(fù)荷及室外溫度對熱回收型空調(diào)機運行特性的影響,本文在合理假設(shè)的基礎(chǔ)上,建立了熱回收型空調(diào)機各部件的數(shù)學(xué)模型,分析熱回收型空調(diào)機在不同模式下運行時,機組制冷量、制冷系數(shù)及壓縮機功率的變化情況。本文的研究可為熱回收型空調(diào)機在空調(diào)行業(yè)的推廣和應(yīng)用提供參考。

        2 數(shù)學(xué)模型

        熱回收型空調(diào)機模型包括五大主要部件:冷凝器、蒸發(fā)器、毛細(xì)管、壓縮機和全熱換熱器。由于空調(diào)裝置在運行時處于動態(tài)平衡的穩(wěn)定狀態(tài),為簡便計算,本文采用穩(wěn)態(tài)法建立熱回收型空調(diào)機各部件及其系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,并編制計算機仿真程序。

        2.1 冷凝器模型

        為便于冷凝器特性研究,以考察有關(guān)參數(shù)的分布特性,本文采用分布參數(shù)法建立冷凝器模型,忽略管壁熱阻,管內(nèi)制冷劑為一維均相流動,不考慮壓降,且與管外空氣逆向流動。對微元建立控制方程[5-6]:

        空氣側(cè)換熱方程:

        Qa=ma(ha2-ha1)

        (1)

        制冷劑側(cè)流動換熱方程:

        Qr=mr(hr2-hr1)

        (2)

        管內(nèi)外換熱量平衡方程:

        Qa=ζ·Qr

        (3)

        微元導(dǎo)熱方程:

        Qr=UAr(Trm2-Tam1)

        (4)

        式中:Q為換熱量,J;m為質(zhì)量流量,kg/s;h為焓值,J/kg;ζ為漏熱系數(shù);U為總表明傳熱系數(shù)[7],W/(m2·℃);A為面積,m2;T為溫度,℃。下標(biāo):a為空氣,r為制冷劑,i為管內(nèi)側(cè),1為進(jìn)口,2為出口,m為平均值。

        2.2 毛細(xì)管模型

        熱回收型空調(diào)機采用毛細(xì)管作為節(jié)流裝置。建立毛細(xì)管數(shù)學(xué)模型,假設(shè)制冷劑在管內(nèi)一維絕熱均相流動,忽略亞穩(wěn)態(tài)流動,其微元控制方程[8]為:

        連續(xù)性方程:

        (5)

        能量方程:

        (6)

        動量方程:

        (7)

        式中:D為毛細(xì)管內(nèi)徑,m;G為制冷劑質(zhì)流密度,kg/(m2·s);v為比容,m3/kg;P為壓力,Pa;L為毛細(xì)管的長度,m;f為毛細(xì)管的沿程阻力系數(shù)。

        2.3 蒸發(fā)器模型

        為便于蒸發(fā)器特性研究,以考察有關(guān)參數(shù)的分布特性,本文采用分布參數(shù)法建立蒸發(fā)器模型,忽略管壁熱阻,管內(nèi)制冷劑為一維流動,不考慮過熱區(qū)壓降,且與管外空氣逆向流動。對微元建立控制方程:

        制冷劑側(cè)換熱方程:

        Qr=mr(hr2-hr1)=αrAi(Tw-Trm)

        (8)

        兩相區(qū)制冷劑側(cè)壓降方程:

        (9)

        空氣側(cè)換熱方程:

        Qa=ma(ha1-ha2)=ξαosAo(Tam-Tw)

        (10)

        空氣側(cè)與制冷劑側(cè)換熱量:

        Qa=ξ·Qr

        (11)

        式中:α為換熱系數(shù),W/(m2·℃);d為管徑,m;ξ為析濕系數(shù)。下標(biāo):w為管壁,os為管外側(cè)顯熱交換。

        2.4 壓縮機模型

        壓縮機是壓縮式制冷空調(diào)裝置的“心臟”,本研究采用小型全封閉活塞式壓縮機。從系統(tǒng)仿真優(yōu)化角度研究壓縮機數(shù)學(xué)模型,并不要求準(zhǔn)確反映壓縮機內(nèi)部的工作過程,主要關(guān)心壓縮機的熱力性能,即確定三個主要物理量:制冷劑流量、壓縮機輸入功率及壓縮機排氣溫度。全封閉活塞式壓縮機仿真數(shù)學(xué)模型由式(12)~式(15)組成。

        壓縮機的制冷劑流量:

        (12)

        (13)

        壓縮機的有效功率:

        (14)

        (15)

        式中:λ為輸氣系數(shù);Vth為壓縮機的理論容積輸氣量,m3;vsuc為壓縮機環(huán)節(jié)吸氣口處制冷劑氣體比容,m3/kg;Dcom為壓縮機缸徑,m;S為壓縮機活塞行程,m;n為壓縮機轉(zhuǎn)速,r/min;i為壓縮機氣缸數(shù);Nth為壓縮機的理論功率,W;Nef為壓縮機的有效功率,W;Nm為摩擦功率,W;ηi為指示效率。下標(biāo):e為蒸發(fā)器,c為冷凝器。

        2.5 全熱換熱器模型

        全熱換熱器是一種用于空調(diào)排風(fēng)能量回收的節(jié)能設(shè)備,應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)時可以利用排風(fēng)在夏季時預(yù)冷干燥新風(fēng),在冬季時預(yù)熱加濕新風(fēng),使新風(fēng)負(fù)荷顯著降低,從而節(jié)省冷熱系統(tǒng)的能耗。全熱換熱器計算模塊可確定室外新風(fēng)經(jīng)全熱換熱器進(jìn)行全熱交換后的出口溫度及焓值,其數(shù)學(xué)模型如下:

        全熱換熱器溫度效率計算式:

        (16)

        全熱換熱器焓效率計算式:

        (17)

        式中:ET為溫度效率;tw為室外空氣溫度,℃;tw為室外空氣經(jīng)過全熱換熱器后的溫度,℃;tN為室內(nèi)回風(fēng)空氣溫度,℃;h為焓效率;hw為室外空氣焓值,kJ/kg;hw′為室外空氣經(jīng)過全熱換熱器后的焓值,kJ/kg;hN為室內(nèi)回風(fēng)焓值,kJ/kg。

        3 模擬結(jié)果與分析

        為分析室內(nèi)外熱、濕負(fù)荷及室外溫度對熱回收型空調(diào)機運行特性的影響,本文對熱回收型空調(diào)機分別在全回風(fēng)、全新風(fēng)以及新回風(fēng)混合三種模式下運行的性能進(jìn)行了研究,各熱回收型空調(diào)機的運行模式及其主要參數(shù)如表1所示。

        表1 熱回收型空調(diào)機運行模式及性能參數(shù)

        3.1 負(fù)荷變化對熱回收型空調(diào)機性能的影響

        為了維持空調(diào)房間內(nèi)相對穩(wěn)定的熱、濕環(huán)境,當(dāng)室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷波動時,熱回收型空調(diào)機通過改變蒸發(fā)溫度來調(diào)節(jié)制冷量,而蒸發(fā)溫度的波動將引起空調(diào)機運行工況改變。為分析蒸發(fā)溫度的波動對熱回收型空調(diào)機運行性能的影響,本文對不同模式下運行的空調(diào)機運行特性進(jìn)行了模擬仿真,仿真結(jié)果如圖1~圖3所示。

        圖1 制冷量隨蒸發(fā)溫度的變化

        由圖1可知,當(dāng)蒸發(fā)溫度升高時,三種模式下運行的熱回收型空調(diào)機輸出的制冷量均增大,這是由于室內(nèi)負(fù)荷的增大會導(dǎo)致蒸發(fā)器的換熱加強,當(dāng)蒸發(fā)溫度升高時, 制冷量隨之升高,從而維持室內(nèi)穩(wěn)定的熱濕環(huán)境。由圖2可知,當(dāng)蒸發(fā)溫度升高時,三種模式下運行的壓縮機功率均增大,這是由于隨著蒸發(fā)溫度的升高,制冷劑流量不斷增大,同時冷凝溫度也升高,從而導(dǎo)致壓縮機功率增大。由圖3可知,隨著蒸發(fā)溫度的增加,三種模式下運行的熱回收型空調(diào)機的制冷系數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減少的趨勢,這說明對每一種運行模式,均存在一個最佳蒸發(fā)溫度使得熱回收型空調(diào)機的制冷系數(shù)達(dá)到最大。

        圖2 壓縮機功率隨蒸發(fā)溫度的變化

        圖3 制冷系數(shù)隨蒸發(fā)溫度的變化

        3.2 室外溫度變化對熱回收型空調(diào)機性能的影響

        空調(diào)機實際運行過程中,室外環(huán)境溫度是變化的,室外空氣溫度的變化將影響冷凝器空氣側(cè)的換熱,從而影響空調(diào)機的運行特性。本文根據(jù)室外環(huán)境溫度的變化對上述三種運行模式的熱回收型空調(diào)機運行特性進(jìn)行仿真模擬,仿真結(jié)果如圖4~圖6所示。

        由圖4可知,隨著室外溫度的升高,熱回收型空調(diào)機的制冷量不斷增大,當(dāng)其達(dá)到額定制冷量后,室外溫度升高而制冷量不再變化。這是由于室外溫度的升高,室內(nèi)外傳熱負(fù)荷增大,熱回收型空調(diào)機只有提供更多的制冷量才能維持室內(nèi)相對穩(wěn)定的熱濕環(huán)境, 但當(dāng)機組到達(dá)額定制冷量后,盡管隨室外溫度升高,室內(nèi)需要的制冷量增大,但由于熱回收型空調(diào)機無法提供更大的制冷量,制冷量將不再變化。由圖5可知,室外溫度升高,壓縮機耗功增大,當(dāng)壓縮機到達(dá)額定功率后,隨著室外溫度的升高,壓縮機的功率將保持不變。這是由于室外溫度的升高,熱回收型空調(diào)機提供的制冷量增加,導(dǎo)致壓縮機功率上升, 當(dāng)熱回收型空調(diào)機的壓縮機到達(dá)額定功率后,其功率將不再變化。由圖6可知,室外溫度升高,制冷系數(shù)減小,當(dāng)空調(diào)機到達(dá)額定制冷量后,其制冷系數(shù)基本保持不變。

        圖4 制冷量隨室外溫度的變化

        圖5 壓縮機耗功隨室外溫度的變化

        圖6 制冷系數(shù)隨室外溫度的變化

        4 結(jié)論

        本文針對熱回收型空調(diào)機不同運行模式下的運行特性進(jìn)行了模擬仿真,得到的結(jié)論如下:

        (1)當(dāng)室內(nèi)外熱、濕負(fù)荷變化時,通過改變蒸發(fā)溫度能夠調(diào)節(jié)熱回收型空調(diào)機的制冷量,以適應(yīng)室內(nèi)熱濕、負(fù)荷的需要。隨著蒸發(fā)溫度的升高,熱回收型空調(diào)機的制冷量和壓縮機耗功不斷增大,而制冷系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢,三種不同運行模式的熱回收型空調(diào)機均存在一個最佳的蒸發(fā)溫度使其制冷系數(shù)最大。

        (2)隨著室外溫度的增加,熱回收型空調(diào)機的制冷量和壓縮機耗功不斷增大,但當(dāng)空調(diào)機達(dá)到額定工況后,繼續(xù)增加室外溫度對機組的制冷量和壓縮機耗功幾乎沒有影響;隨著室外溫度的增加,熱回收型空調(diào)機的制冷系數(shù)先減少隨后基本保持不變。室外溫度變化對三種模式下運行的熱回收型空調(diào)機影響程度不同,對全新風(fēng)熱回收型空調(diào)機性能的影響程度最大,其次是部分新風(fēng)、部分回風(fēng)熱回收型空調(diào)機,室外溫度變化對全回風(fēng)熱回收型空調(diào)機性能的影響程度最小。

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