【研究】房间空调器小管径翅片管换热器的分相参数模型

本文为上海交通大学制冷与低温研究所和国际铜业协会项目课题研究内容，文章发表于2017年，主要研究成员：任滔、孙浩然、夏广辉、丁国良、郑永新、高屹峰、宋吉。

一：研究背景和研究目标

1、系统仿真中广泛应用换热器的分相模型。

2、分相模型中对流路的描述能力较差，仅适用于平行流路。

3、分相模型的精度不高，没有考虑到:

a.空气扩散

b. 热传导

c.流路型式与制冷剂相互作用

二：技术路线

基于图论的分相参数模型

1、难点一：如何描述流路

解决办法：

a.采用有向图描述流路

b.采用广度优先算法生成流路

c.采用新的流路排序方法对制冷剂流动耦合进行解耦

2、难点二：分相模型精度较低

a.使用分布参数模型对流量耦合解耦

b.开发分步修正法来提高精度

三：流路生成方法

1、流路描述

1）管编号方法

a. 进口管为#0

b. 出口管为#(最大编号)

c. 从第一列到最后一列进行自底至顶升序编号

2）表现流路方法

a. 将管（包括进口出口）作为有向图中的顶点

b. 连接管用有向图中的边来描述

c. 制冷剂的流动方向用边的方向描述

3）下一步: 生成分相模型流路

2、流路生成

1）方法：广度优先搜索（BFS）算法

a.将#0进口管作为起点，搜索下一个顶点直到汇总管或分路管；

b.从当前流路第一根管或分路管开始，搜索下一个顶点直到下一个汇总或分路管;

c. 重复上一步直到搜索完所有的顶点。

2）结果：

a. 自动生成所有的流路

b. 同一根管只能出现在一个流路中

c. 流路的进口管为换热器的进口管或其他流路的出口

3、流路排序

1）计算顺序规则:

a.对不同流路间的流量耦合进行解耦

b.对不同流路间的制冷剂状态耦合进行解耦（从换热器进口或上一个流路出口）

2）计算优先级排序算法:

a.将流路按#0 至#n编号；

b. 将流路 #i的起始管记为 vis；

c.从#i+I至#n搜索流路 #j，如果流路#j的终止管vjs与vis相同，将流路#i与#j调换；

d. 令i=i+1，搜索下一个流路直到最后一个流路;

3）举例：流路计算次序：

四：修正方法

1、直接修正方法：直接修正破坏了相区单一性，可能导致迭代发散；

2、阶段修正法：我们采用的修正法；

a.在系统达到平衡状态前修正因子保持不变；

b.经过迭代，分相模型与3D分布参数模型仿真结果的差异越来越小，最终可以忽略不计；

3、修正进程：

a. 根据相区长度系数修正前两个相区 (sh, 2 phase for Cond.; or 2 phase for Evap.)；

b. 根据换热能力系数修正最后一个相区的长度；

4、优点：同时修正了相区长度，换热能力，制冷剂充注量。

五：软件实现与精度验证

软件实现

室内机配置

室外机配置

六：换热器仿真精度验证

几何结构参数

仿真结果与实验数据对比

部分系统仿真结果，偏差小于5%

七：结论

1、当前软件中采用的流路计算次序生成方法，能够使多相分布参数模型在系统仿真中反应各种复杂的流路。

2、当前软件中采用的根据起始、终止管编号进行排序的排序算法，能够依据制冷剂流动方向生成计算次序，能够对流路间制冷剂耦合进行解耦。

3、当前软件中采用的多相阶段修正算法能够在使用分布参数修正时保证分相模型严格单调，并且分布参数模型与多相模型的偏差在每次修正后都会减小，最终近似相等。

4、当前的计算模型通过了试验数据的验证，在很大的流量范围内，仿真结果与试验数据能够较好吻合；采用换热器修正模型能够得到高精度的系统仿真结果。