关于冷水盘管运行工况的反向计算机模拟

胡敏

摘要：与传统复杂的冷水盘管计算机正向模拟方式不同，本文另辟蹊径，提出了一种单从冷水盘管的名义工况，不需要了解冷水盘管的任何构造，反向进行推算和预测盘管运行工况的计算机模拟新方法。与实验结果相对比，其模拟效果的准确性可达到95%以上。 这种反向方法也为其他空调设备的计算机辅助设计提供了一种全新的模拟方式。

关键词：冷水盘管；计算机模拟；湿球温度；干工况；湿工况；对数平均温差；效率—传递单元数法

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

中图分类号：G623.58文献标识码： A 文章编号：

注释：

下标指在名义工况下

湿空气的单位热容量

饱和湿空气在冷水温度下的单位热容量

冷水的单位热容量

冷水盘管的最小热容量，一般来说指湿空气的热容量

冷水盘管的最大热容量，一般指冷水的热容量

冷水盤管的效率

湿空气入口焓值

湿空气出口焓值

与冷水入口温度等温的假想湿空气焓值

与冷水出口温度等温的假想湿空气焓值

与盘管入口表面温度等温的假想湿空气焓值

与盘管出口表面温度等温的假想湿空气焓值

与盘管外表面平均温度等温的假想湿空气焓值

湿空气在入口露点温度下的焓值

盘管的冷水质量流量

盘管的湿空气质量流量

盘管的传递单元数，

冷水盘管的湿空气入口温度

冷水盘管的冷水入口温度

冷水盘管入口表面温度

冷水盘管出口表面温度

冷水盘管的外表面平均温度

冷水盘管的热空气与冷水入口温差

冷水盘管的热空气与冷水出口温差

冷水盘管的总冷量

冷水盘管的显热冷量

冷水盘管的总传热系数

冷水盘管的管内传热系数

冷水盘管的管外传热系数

盘管的湿空气体积流量

1.引言

冷水盘管是现代空调工程中主要的除湿冷却设备，其运行工况的计算机模拟通常有两种方法。第一种方法是基于对盘管构造的详细描述, 比如，盘管的排数，管数，管距，管的内外径，翼片厚度和片距，以及管流方式和空气流动断面的尺寸，运用效率—传递单元数法来模拟。这种方法是由美国暖通工程师协会在ToolKit[1]中提出的, 其模拟效果非常准确可靠，但是它的使用十分繁琐. 如果盘管构造不可知,那么就不能使用这种方法来模拟。第二种方法是一种极其简单纯粹数学方法。它依据盘管制造商提供的产品工况数据进行曲线回归，从而预测其他运行工况。很明显这种方法只能使用在特定的数据范围内和特定的产品上。这一局限性使它不可能作为模型广泛应用于冷水盘管计算机模拟。鉴于这一现状，有必要寻求一种简单可靠通用的冷水盘管模拟模型来弥补前面两种模型的不足。在冷水盘管设计选型时，其名义工况总是可知。因此，如何从冷水盘管名义工况来反向推测盘管构造便成为构建新模拟模型的关键。

2. 冷水盘管的物理模型

冷水盘管实际上就是一种气水翼片壳管式换热器。所有换热器的研究方法和运算规律均应适用于冷水盘管。因此我们可以采用经典的对数平均温差法和效率—传递单元数法[2] 来描述冷水盘管的物理模型。不论冷水盘管的物理构造如何变化，它都应遵循对数平均温差法和效率—传递单元数法中的物理参数及规律。即，

(1)

(2)

这样我们只要能从冷水盘管简单的名义工况推算这些物理参数，就可以科学得模拟冷水盘管的任何运行工况。

一般来说，冷水盘管的名义工况总是给出运行点的名义总冷量和其名义显热冷量，湿空气名义流量和其名义入口干球温度，冷水名义流量和其名义入口温度。现在我们来看一下怎样来计算盘管构造的物理参数，总名义传热系数，管内名义传热系数和管外名义传热系数，以及盘管名义效率。

首先依据名义工况的参数，我们可以比较容易得出盘管出口的湿空气与冷水名义焓值和温度值，然后利用对数平均焓差的概念来求出(图1)。

同样用以焓差代替温差的方法，我们不难求出盘管名义效率

(4)

关于盘管外表面平均名义温度，我们可以使用如下经验公式[3] 来求算

(5)

这样管内名义传热系数 便可以用盘管名义效率 来表示，

(6)

最后我们便可计算出管外名义传热系数

(7)

通过对努谢尔数,雷诺数和普朗特数的关系式研究，我们不难发现冷水盘管的管内外传热系数主要受管内冷水流量和管外空气流量的影响。利用无因次量纲分析，我们便可修正取得在任意运行工况管内外传热系数值，

(9)

(10)

但是冷水盘管的总传热系数的计算需要了解盘管的干湿工况。

3. 冷水盘管的运行工况分析

当冷水盘管的表面温度低于湿空气入口的露点温度时，盘管表面就会产生结露现象并生成一层薄水膜。依据冷水盘管的表面温度与湿空气入口的露点温度的相对大小，我们可区分三种运行工况: 完全干工况，完全湿工况和干湿混合工况(图2)。

图2. 冷水盘管随露点温度变化的干湿工况示意图

第一种情形:完全干工况

这种情形发生在湿空气入口的露点温度低于盘管冷水入口温度时，这意味着盘管所有表面温度都高于湿空气入口的露点温度。冷水盘管此时可以简化为一个非常简单的常规换热器，其总传热系数可用如下的方法求算，

(11)

那么冷水盘管在任意的干工况的运行工况便可以利用效率—传递单元数法来进行模拟运算， 即

(12)

(13)

(14)

第二种情形: 完全湿工况

这是另一种极端情形，当湿空气入口的露点温度高于盘管冷水出口温度时，盘管所有表面温度都低于湿空气入口的露点温度。在完全湿工况下，整个盘管的表面都被认为结露。

第三种情形: 干湿混合工况

第三种情形是界于前面两种极端情形之间，即湿空气入口的露点温度界于盘管冷水入口温度和盘管冷水出口温度之间。这时候只有冷水盘管的局部表面产生结露现象。

在后面这两种情形下，由于盘管表面局部形成一层水膜从而影响盘管外部换热系数。因此盘管总换热系数要考虑饱和湿空气在冷水温度下的热容量，

(15)

然后冷水盘管在任意的湿工况的运行工况仍利用公式 (12)-(14)来计算，但是所有的温度值将用等温的焓值来表示，

(16)

(17)

(18)

接着我们可以计算出分别与冷水盘管表面入口温度，表面出口温度和表面平均温度对等的假想濕空气饱和焓值，

(19)

(20)

(21)

接下来利用湿空气的饱和曲线拟和函数，我们就比较容易的求出它们相对应的温度值。最后再次使用效率—传递单元数法便可得出冷水和湿空气的出口温度了。

4. 结果对比分析

为了便于评价和分析本文提出的冷水盘管的反向模型的模拟效果,我们用FORTRAN语言把此模型编译成美国太阳能实验室TRNSYS软件环境下的TYPE [4]，并分别与实验数据和美国暖通工程师协会盘管模型的模拟结果进行了对比。

所实验的冷水盘管的名义工况如表1。在不改变冷水进水名义工况下，我们把湿空气的进口干球温度从12°C变化到32°C，同时不改变湿空气的进口90% 的相对湿度情况下，我们把稳定后实验结果与冷水盘管的反向模型模拟结果相比较，如图3所示。

我们不难发现反向模型的模拟结果相当准确，计算的冷水出口温度相对误差最大只有2.3%，湿空气出口温度相对误差最大只有1.8%，总冷量相对也只有5.8%。

我们又与美国暖通工程师协会盘管模型进行了不同运行工况下对比模拟。我们先是单独改变湿空气的进口干球温度，从30°C变化到15°C，然后同时改变湿空气进口干球温度和冷水进口温度，接下来再叠加湿空气进口流量和冷水进口流量的变化。其对比模拟结果如图4所示。同样我们可以观察到它们之间的平均相对误差在5%以内。

5. 结论

本文提出了一种全新的冷水盘管的反向计算机模拟方法。其模拟的准确性与美国暖通工程师协会盘管正向模型相媲美，但此反向模型的使用非常简便，它只需要提供冷水盘管的名义工况，无需描述冷水盘管的繁琐构造，就可模拟出盘管任意运行工况。因而这种模型也更适合于空调设计阶段的冷水盘管的选型和运行工况分析。同时这种反向模拟方式也为其他空调设备的计算机模拟开辟了一种性思路。

6.参考文献

[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：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。