CFD在提高部分負(fù)荷冷凝器性能上的應(yīng)用

  CFD在提高部分負(fù)荷冷凝器性能上的應(yīng)用
                            丁漢新 姜曉東
           (江森自控樓宇設(shè)備科技(無錫)有限公司,江蘇無錫　214028)
    摘　要：采用CFD的方法,研究了風(fēng)冷冷水機組用多風(fēng)機微通道式冷凝器在部分負(fù)荷運行的空氣側(cè)流場分布特性,提出了優(yōu)化部分負(fù)載時冷凝器性能的結(jié)構(gòu)改進方案。研究表明,采用“V”型隔板的獨立風(fēng)道設(shè)計可以明顯的提高冷凝器表面的氣流分布均勻性,提高迎面風(fēng)速,避免氣流短路。有效的降低部分負(fù)荷時風(fēng)冷冷凝器的冷凝壓力,進而提高部分負(fù)荷時風(fēng)冷冷水機組的性能。
    關(guān)鍵詞：風(fēng)冷冷水機組;微通道冷凝器;CFD;部分負(fù)荷
    中圖分類號：TB65　　　　文獻標(biāo)識碼：A　　　　
    文章編號：1005—0329(2010)05—0081—04
    1·前言
    風(fēng)冷冷水機組作為中央空調(diào)的制冷主機,大量的使用于賓館、酒店、商場、辦公樓等場合,提供用冷需求。因其采用空氣側(cè)為散熱源,無需冷卻塔、冷卻水泵以及配套的管路,使得現(xiàn)場施工和安裝方便。
    目前市場上的風(fēng)冷冷水機組結(jié)構(gòu)多采用上下布置的形式,即壓縮機、殼管式換熱器、油分等部件置于機組的下部;而作為冷凝器的翅片管換熱器或者微通道換熱器,則通常采用“V”形的組合形式,置于機組上部。
    通常情況下,機組運行負(fù)荷較大時,冷凝器風(fēng)機會全部打開,此時,吸入的空氣將全部流過冷凝器,充分換熱以后,再隨風(fēng)機排出;而當(dāng)機組在部分負(fù)荷運行時,其中的部分風(fēng)機就會自動關(guān)閉,此時,氣流將有可能從靜止的風(fēng)機口,被吸入機組內(nèi)部,由于這部分短路的氣流沒有參與換熱,從而影響了冷凝器的性能。
    本文嘗試采用“V”型隔板的獨立風(fēng)道設(shè)計,改善冷凝器周圍的空氣流動,阻斷部分負(fù)荷時的空氣短路流,并采用CFD流場分析和換熱器計算軟件結(jié)合的方法,研究其對部分負(fù)荷時機組性能的影響。
    2·CFD流場分析
    2. 1　計算模型
    分析的風(fēng)冷冷水機組模型如圖1所示,整個機組的冷凝器由6個相同的“V”形微通道換熱器單元組成,每個“V”對應(yīng)有兩片結(jié)構(gòu)完全相同的微通道換熱器和兩個并列的軸流風(fēng)機,“V”形隔板的位置位于兩個風(fēng)機的中心,見圖1(b)。
              
    考慮到機組中6個“V”形結(jié)構(gòu)完全相同,且相互獨立,因此計算中對模型進行了簡化,選取了其中的一個“V”形結(jié)構(gòu)進行流場計算,并且將計算區(qū)域往外作了擴大,以更準(zhǔn)確的模擬外界大氣被吸入機組的情況,計算模型如圖2所示。對以下兩個方案在部分負(fù)荷工況下(1號風(fēng)機運行, 2號風(fēng)機關(guān)閉)的微通道冷凝器周圍的流場進行分析計算。
    2. 2　湍流模型和邊界條件
    采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型來求解湍流問題,計算中主要的邊界條件設(shè)定如下:
    (1)計算區(qū)域內(nèi)空氣的流動為穩(wěn)態(tài)紊流,空氣取常溫下物性;
    (2)壁面都采用無滑移的絕熱邊界條件,近壁面處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù);
    (3)機組四周和頂部被定義為壓力邊界條件,并且認(rèn)為周圍環(huán)境無風(fēng);
    (4) 1號風(fēng)機采用風(fēng)機模型代替軸流風(fēng)機,其特性曲線如圖3(a)所示; 2號風(fēng)機處定義為多孔介質(zhì)模型,以模擬其被流動空氣帶動反轉(zhuǎn)時的阻力;
    (5)機組中的微通道冷凝器采用多孔介質(zhì)模型進行簡化,其阻力與速度的關(guān)系曲線取自微通道設(shè)計軟件,如圖3(b)所示。
              
    2. 3　計算結(jié)果以及分析
    2. 3. 1　方案1:無“V”形隔板
    當(dāng)系統(tǒng)運行在50%負(fù)荷時, 1號風(fēng)機正常運行而2號風(fēng)機停轉(zhuǎn),機組周圍的空氣被1號風(fēng)機吸入微通道冷凝器內(nèi)部,但同時也有部分空氣并未經(jīng)過微通道冷凝器,而是直接通過阻力較小的2號風(fēng)機口進入“V”形冷凝器中間區(qū)域,如圖4a所示,這部分空氣耗費了一定的電機功率,但是卻沒有參與冷凝器的換熱,屬于非有效風(fēng)量。從整個冷凝器表面的速度分布來看,離風(fēng)機距離較遠的右半冷凝器表面的空氣流速明顯小于左半冷凝器,其數(shù)值大部分都在0. 6m/s以下(見圖4(b))。
               
    2. 3. 2　方案2:有“V”形隔板
    當(dāng)在相鄰的“V”形冷凝器之間設(shè)置一個隔板后,完全杜絕了右側(cè)風(fēng)機處的短路流, 1號風(fēng)機運行時帶動的空氣全部流經(jīng)左側(cè)冷凝器,與微通道冷凝器充分換熱以后,被排向外部。如圖5(b)所示,與方案1相比,方案2中左半冷凝器表面的速度有了明顯的提高,尤其是冷凝器底部的風(fēng)速比方案1時有了明顯的改善。
             
    2. 3. 3　方案比較
    分別對兩種方案下空氣流量的分布情況進行了比較,如圖6所示,在方案1中,經(jīng)過1號風(fēng)機的風(fēng)量(即總風(fēng)量)為23172m3/h,經(jīng)過冷凝器的風(fēng)量為19294m3/h;方案2中,經(jīng)過1號風(fēng)機的總風(fēng)量與經(jīng)過冷凝器的風(fēng)量相等,都為22385m3/h。
                
    從兩個方案的比較中發(fā)現(xiàn),通過設(shè)置“V”形隔板,系統(tǒng)的總風(fēng)量減少了3. 4%左右,但是經(jīng)過微通道冷凝器,參與換熱的有效風(fēng)量卻提高了16%。這一現(xiàn)象的原因在于:“V”形隔板阻斷了從2號風(fēng)機口進入的空氣短路流,使得所有流入的空氣必須經(jīng)過微通道冷凝器,因此經(jīng)過冷凝器的風(fēng)量得到了提升,但與此同時,空氣流動阻力的增加也使1號風(fēng)機的葉輪轉(zhuǎn)速發(fā)生了變化,風(fēng)量發(fā)生了衰減。
    3·性能計算與結(jié)果分析
    為了進一步評估布置“V”形隔板對于微通道冷凝器部分負(fù)荷時換熱性能的影響,使用換熱器性能計算軟件對這兩個方案中的微通道冷凝器分別進行了計算和比較。
    3. 1　計算方法
    兩個方案下冷凝器性能的計算,空氣側(cè)采用相同的進風(fēng)溫度,管側(cè)采用相同的制冷劑流量和入口過熱度,冷凝器表面的空氣流速分布以及空氣流量分別取自CFD計算結(jié)果(見圖4(b),圖5(b),圖6),計算中分別通過對制冷劑入口壓力的多次迭代,使得兩個方案下的制冷劑出口溫度以及冷凝熱相同。迭代收斂后,通過比較入口壓力(即冷凝壓力)的大小,來判定兩種方案下冷凝器性能的優(yōu)劣,冷凝壓力越低,則代表其性能越好。
    3. 2　計算結(jié)果與分析
    通過對入口壓力的多次迭代計算,得到了兩種情況下的冷凝器性能數(shù)據(jù)如表1所示。
              
    通過結(jié)果比較發(fā)現(xiàn),在保證相同的液相溫度與冷凝熱的情況下,方案2中的冷凝壓力要比方案1中低34. 5kPa,相應(yīng)的飽和溫度低了1. 35℃,因此,方案2中的冷凝器性能要優(yōu)于方案1。原因在于,首先,方案2中經(jīng)過微通道冷凝器的有效風(fēng)量要比方案1中大16%,其次,雖然方案1中左右兩部分的微通道冷凝器都有空氣流過,都參與了換熱,但是右半冷凝器表面的風(fēng)速非常小,因此空氣側(cè)換熱系數(shù)很低,其對整體換熱效果的貢獻很小,而方案2中的風(fēng)量都集中于左側(cè)冷凝器,其表面風(fēng)速的整體提高顯著的強化了這一區(qū)域的空氣側(cè)換熱,使其性能優(yōu)于前者。因此,通過計算結(jié)果的比較可以發(fā)現(xiàn),設(shè)置“V”形隔板有助于降低冷凝器在部分負(fù)荷時冷凝壓力,進而提高機組的部分負(fù)荷性能。
    4·結(jié)語
    采用CFD的方法,研究了某一風(fēng)冷冷水機組用多風(fēng)機微通道式冷凝器在部分負(fù)荷運行的空氣側(cè)流場分布特性,提出了優(yōu)化部分負(fù)載冷凝器性能的結(jié)構(gòu)改進方案。研究表明,采用“V”型隔板的獨立風(fēng)道設(shè)計可以有效的避免氣流短路,提高換熱器表面的氣流分布均勻性,提高迎面風(fēng)速,同時經(jīng)過冷凝器的風(fēng)量提高了16%。通過在換熱器設(shè)計軟件中這對兩個方案的計算發(fā)現(xiàn),由于采用“V”形隔板的獨立風(fēng)道,部分負(fù)荷時的冷凝壓力降低了34. 5Kpa,從而使風(fēng)冷冷水機組的部分負(fù)荷性能得到了明顯的提升。