空调蒸发器空气侧特性及系统制冷剂分布

论文摘要

蒸发器的空气侧特性和系统的制冷剂分布是空调器研究的两个关键问题。在空调器运行过程中,当翅片管换热器的翅片温度低于来流空气的露点温度时,其空气侧将发生析湿。本文的一个目标在于通过实验手段研究翅片管换热器在析湿工况下空气侧的传热传质以及摩擦特性。同时由于制冷剂分布的特性对于改善制冷空调系统性能、提供优化控制策略都起到非常重要的作用。因此,本文的另一个目标是通过实验方法对R410A制冷剂稳态和动态的分布特性进行研究。围绕这两个目标,本文开展了如下研究工作:1)建立翅片管换热器空气侧特性测试系统。针对实验工况和实验对象,本文设计了一套翅片管换热器空气侧特性测试系统。该系统不仅测试范围广、测量工况快速稳定,而且结构紧凑、易于拆卸和搬运。该系统同样具有良好的可靠性。各参数的误差范围均在±15.0%内,所测得的实验数据可以信赖。2)开发部分湿工况数据分析模型。对目前所使用的析湿工况下的数据处理模型由全湿工况扩展到了部分湿工况。分析了如何利用Threlkeld方法对部分湿工况下空气侧传热传质数据进行处理。开发部分湿工况湿翅片效率求解模型。对传热传质数据处理过程的算法进行了详细说明。3)带亲水层翅片管换热器空气侧特性参数影响分析。对7个带亲水层的人字型波纹翅片管换热器和7个开缝翅片管换热器（4个带亲水层条缝翅片和3个带亲水层百叶窗翅片）的空气侧的特性进行了实验研究。分析了翅片间距、管排数和入口相对湿度对带亲水层翅片管换热器空气侧传热、传质、热质比拟关系以及摩擦特性的影响。4)析湿工况下亲水层对空气侧特性影响研究。对6个波纹翅片管换热器（相同结构的3个附带亲水层和3个没有附带亲水层）和10个开缝翅片管换热器（相同结构的3个附带亲水层和3个没有附带亲水层的条缝翅片以及相同结构的2个附带亲水层和2个没有附带亲水层的百叶窗翅片）的空气侧的特性进行了实验研究。分析了不同翅片间距、不同风速、不同入口相对湿度以及不同入口水温下亲水层对空气侧特性的影响。并利用多元线性回归方法开发了空气侧换热系数比hcoated/huncoated和压降比ΔPcoated/ΔPuncoated的关联式。5)翅片管换热器析湿工况空气侧传热传质以及摩擦模型的建立。对目前已有的波纹翅片和开缝翅片干工况下空气侧的换热和压降模型以及析湿工况下不带亲水层空气侧的传热传质压降模型与实验数据进行了对比,分析了已有模型对带亲水层波纹和开缝翅片管换热器的适用性。并利用多元线性回归方法分别对带亲水层波纹翅片和开缝翅片的Colburn传热因子jh、Colburn传质因子jm、热质比拟关系hs/（hmCp,a）关联式以及摩擦因子f进行了拟合开发。6)对于换热器和压缩机中的制冷剂质量测量,提出了一种即快速又准确的制冷剂质量测量方法-准在线测量方法。对于气液分离器和贮液器中制冷剂质量的测量,提出了一种更加简便快速的测量方法-液位法。利用以上方法测量得到的系统制冷剂总质量与系统充注量的最大偏差为1.7%。7)对R410A热泵系统稳态工况和开停机工况的制冷剂分布特性进行了实验研究。分析了压缩机频率和室外机风量对制冷剂分布的影响,并对部件中的制冷剂在开停机过程中的迁移进行了分析。8)利用实验数据对适用于R410A的空泡份额模型进行了验证,提出了基于Taitel-Dukler流型图的组合空泡份额模型组合方案。此方案可进一步提高充注量预测的精度。最后,作者简要阐述了本文已经工作存在的不足和进一步的研究设想。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 析湿工况下翅片管换热器空气侧特性研究的背景及意义
• 1.1.2 空调器制冷剂分布特性研究的背景及意义
• 1.2 研究现状和文献综述
• 1.2.1 翅片管换热器空气侧特性的研究现状
• 1.2.2 空调器制冷剂分布特性的研究现状
• 1.3 目前研究工作的不足
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 翅片管换热器空气侧特性测试系统的设计与建立
• 2.1 实验对象和工况
• 2.1.1 实验对象
• 2.1.2 实验工况
• 2.2 实验装置介绍
• 2.2.1 空气侧回路
• 2.2.2 水回路
• 2.2.3 数据处理系统
• 2.3 实验装置可靠性分析
• 2.3.1 摄像头对空气侧压降测量的影响分析
• 2.3.2 实验装置可重复性分析
• 2.4 实验装置的误差分析
• 2.4.1 空气侧换热量误差分析
• 2.4.2 水回路换热量误差分析
• 2.4.3 换热器换热量误差分析
• 2.4.4 空气侧换热系数误差分析
• 2.4.5 换热因子误差分析
• 2.4.6 摩擦因子误差分析
• 2.4.7 误差分析小结
• 2.5 本章小结
• 第三章 析湿工况空气侧数据处理模型扩展
• 3.1 部分湿工况传热数据分析模型扩展
• 3.2 部分湿工况传质数据分析模型扩展
• 3.3 数据导出
• 3.3.1 换热器换热量求解
• 3.3.2 空气侧显热换热系数求解
• 3.3.3 空气侧换热因子求解
• 3.3.4 传质系数求解
• 3.3.5 传质因子求解
• 3.3.6 摩擦因子求解
• 3.4 湿翅片效率求解
• 3.5 数据处理算法
• 3.6 本章小结
• 第四章 带亲水层翅片管换热器析湿工况空气侧特性
• 4.1 实验研究
• 4.1.1 传热与压降特性分析
• 4.1.2 传质特性分析
• 4.1.3 热质比拟关系特性分析
• 4.2 模型研究
• 4.2.1 传热传质模型研究
• 4.2.2 压降模型研究
• 4.3 本章小结
• 第五章 亲水层对翅片管换热器空气侧特性的影响
• 5.1 不同状态下亲水层对空气侧特性影响分析
• 5.1.1 不同风速和翅片间距下亲水层对空气侧特性的影响
• 5.1.2 不同入口相对湿度和入口水温下亲水层对空气侧特性的影响
• 5.2 关联式的开发
• 5.3 本章小结
• 第六章 制冷剂在制冷系统各部件中分布的快速测量方法
• 6.1 换热器中制冷剂质量测量方法
• 6.1.1 已有的LNM 方法存在的问题分析
• 6.1.2 已有的OMM 方法存在的问题分析
• 6.1.3 新的准在线测量方法（QOMM）的提出
• 6.2 压缩机中制冷剂质量测量方法
• 6.2.1 压缩机气缸中的制冷剂质量
• 6.2.2 压缩机油中的制冷剂质量
• 6.3 气液分离器、贮液器、过滤器和管路中制冷剂质量测量方法
• 6.4 新的测量方法可行性的实验验证
• 6.5 本章小结
• 第七章 R410A 空调器制冷剂分布特性及空泡份额的实验验证
• 7.1 稳态工况分析
• 7.2 开停机工况分析
• 7.2.1 开机工况实验结果分析
• 7.2.2 停机工况实验结果分析
• 7.3 R410A 空泡份额的实验验证
• 7.3.1 空泡份额和两相区流型
• 7.3.2 验证思路、工况和步骤
• 7.3.3 验证结果及析
• 7.4 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.1.1 研究的目的
• 8.1.2 研究的内容
• 8.1.3 创新
• 8.2 展望
• 参考文献
• 附录A Threlkeld方法简介
• 附录B 翅片管换热器空气侧传热传质及压降关联式
• 附录C 空泡份额关联式
• 致谢
• 作者在攻读博士学位期间的论文与专利