热回收空调机关键部件尺寸优化研究

张 武

(中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引言

节约能源,保护环境，从空调排风中回收能量已经是空调业内人士共同的努力方向。通过在传统单元式空调机中增设全热换热器，向室内输送新风的同时回收空调排风中的能量，能够显著降低空调能耗，这类机组我们称之为热回收空调机[1-4]。由于传统的单元式空调机在设计时是先给定室内、外空气参数和制冷量，然后对其进行设计，而实际运行的热回收空调系统引入了室外新风，导致空调送风量、制冷量和蒸发器的进风参数发生了变化，影响单元式空调机的运行性能。为了使单元式空调机与全热换热器具有较好的匹配特性，使整个热回收空调系统高效、节能地运行。本文对热回收空调机进行了重新设计，通过合理假设，建立了热回收空调机各部件的数学模型，分析了毛细管、冷凝器和蒸发器的关键尺寸对其运行性能的影响规律，以利于热回收空调机组的推广及应用。

1 热回收空调机的数学模型

热回收空调机包括冷凝器、毛细管、蒸发器、压缩机和全热换热器五大主要部件。本文采用稳态法建立各部件的数学模型。

1.1 冷凝器模型

采用分布参数法，忽略管壁热阻和压降，管内制冷剂为一维均相流动，且与管外空气逆向流动。对冷凝器中的微元段建立控制方程如下[5-6]：

空气侧换热方程：

Qa=ma(ha2-ha1)

(1)

制冷剂侧流动换热方程：

Qr=mr(hr1-hr2)

(2)

管内外换热量平衡方程：

Qa=ζQr

(3)

微元导热方程：

Qr=UAi(Trm-Tam)

(4)

式中：Q为换热量，J；m为质量流量，kg/s；h为焓值，J/kg；ζ为漏热系数；U为总表面传热系数[7]，W/(m2·℃)；A为面积，m2；T为温度，℃。下标：a为空气，r为制冷剂，i为管内侧， 1为进口，2为出口，m为平均值。

1.2 毛细管模型

假设制冷剂在毛细管内一维绝热均相流动，忽略亚稳态流动，其控制方程[8]如下：

连续性方程：

(5)

能量方程：

(6)

动量方程：

(7)

式中：D为毛细管内径，m；G为制冷剂质流密度，kg/(m2·s)；v为比容，m3/kg；p为压力，Pa；L为毛细管的长度，m；f为毛细管的沿程阻力系数。

1.3 蒸发器模型

采用分布参数法，忽略管壁热阻及过热区压降，管内制冷剂为一维流动，且与管外空气逆向流动。对蒸发器中的微元段建立控制方程如下：

制冷剂侧换热方程：

Qr=mr(hr2-hr1)=αrAi(Tw-Trm)

(8)

两相区制冷剂侧压降方程：

(9)

空气侧换热方程：

Qa=ma(ha1-ha2)=ξαosAo(Tam-Tw)

(10)

空气侧与制冷剂侧换热量：

Qa=ζQr

(11)

式中：ρ为密度；α为换热系数，W/(m2·℃)；d为管径，m；ξ为析湿系数。下标：w为管壁，os为管外侧显热交换。

1.4 压缩机模型

小型全封闭活塞式压缩机制冷剂流量和功率的计算公式如下：

压缩机的制冷剂流量：

(12)

(13)

压缩机的有效功率：

(14)

(15)

式中：λ为输气系数；Vth为压缩机的理论容积输气量，m3；Vsuc为压缩机环节吸气口处制冷剂气体比容，m3/kg；Dcom为压缩机缸径，m；S为压缩机活塞行程，m；n为压缩机转速，r/min；i为压缩机气缸数；Nth为压缩机的理论功率，W；Nef为压缩机的有效功率，W；Nm为摩擦功率，W；ηi为指示效率。下标：e为蒸发器，c为冷凝器。

1.5 全热换热器模型

全热换热器温度效率计算式：

(16)

全热换热器焓效率计算式：

(17)

2 模拟结果与分析

本文基于建立的数学模型，针对适用于空调负荷4.5 kW的热回收空调机，通过改变空调机各部件的几何尺寸，对其进行计算机模拟，研究空调机各部件关键尺寸的变化对其运行性能的影响，寻找空调机各部件的合理尺寸，使空调机各部件之间性能合理匹配，高效运行。

2.1 毛细管长度的影响

保持其他部件尺寸不变，当毛细管的长度从0.4 m变化到1.3 m，对热回收空调系统空调机性能的影响如图1～图3所示。随着毛细管长度的增加，压缩机的功率先是保持不变，随后迅速增加；随着毛细管长度的增加，空调机的制冷量和制冷系数均呈现先增大后减少的趋势，当毛细管长度到达0.8～0.9 m时，空调机的制冷系数出现一个峰值，随着毛细管长度的进一步增加，制冷系数开始下降。因此，毛细管的合理长度应该在0.8～0.9 m范围内。

图1 制冷量随毛细管长度变化

图2 压缩机功率随毛细管长度变化

图3 制冷系数随毛细管长度变化

2.2 蒸发器换热面积的影响

保持其他部件尺寸不变，当蒸发器换热面积从6 m2变化到12 m2，对热回收空调机运行性能的影响如图4～图6所示。随着蒸发器换热面积增加，空调机制冷量、压缩机功率、制冷系数均增加，当蒸发器换热面积增加到10 m2后，随着蒸发器换热面积的增加，空调机性能参数基本保持不变。因此，蒸发器合理的换热面积是10 m2左右，此时空调机的制冷量最大，而所消耗的材料最少。

图4 制冷量随蒸发器换热面积变化

图5 压缩机功率随蒸发器换热面积变化

图6 制冷系数随蒸发器换热面积变化

2.3 冷凝器换热面积的影响

保持其他部件尺寸不变，当冷凝器换热面积从13 m2变化到21 m2对热回收空调系统空调机运行性能的影响如图7～图9所示。随着冷凝器换热面积增加，空调机制冷量、压缩机功率、制冷系数均增加，当冷凝器换热面积增加到18.2 m2后，随着冷凝器换热面积的增加，空调机性能参数基本不变。因此，蒸发器合理的换热面积是18.2 m2左右，此时空调机的制冷量最大，而所消耗的材料最少。

图7 制冷量随冷凝器换热面积变化

图8 压缩机功率随冷凝器换热面积变化

图9 制冷系数随冷凝器换热面积变化

3 结论

通过本文的研究，得到如下结论：

(1)增加毛细管长度，机组的制冷量和制冷系数会先增大后减少，而压缩机功率先保持不变随后迅速增加。存在一个合理的毛细管长度范围(0.8～0.9 m)使得热回收空调机的压缩机功率较低而制冷量和制冷系数均保持在较高的水平。

(2)增加蒸发器换热面积，则机组的制冷量、压缩机功率、制冷系数均增加，但当蒸发器的换热面积达到某一定值(10 m2)后，继续增加换热面积，对热回收空调机的性能参数几乎没有影响。

(3)增加冷凝器换热面积，则机组的制冷量和制冷系数先增加随后保持不变，而压缩机的功率先减少随后保持不变。当冷凝器的换热面积达到某一定值(18.2 m2)后，热回收空调机的制冷量和制冷系数达到最大值，此后继续增加换热面积对空调机的性能参数几乎没有影响。