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蒸发式冷凝器流场分析及其应用于空调的节能研究

作　者: 刘清明
导　师: 朱冬生
学　校: 华南理工大学
专　业: 化学工程
关键词: 蒸发式冷凝器 CFD模拟空调系统节能传热
分类号: TB657.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

节能节水已经成为我国能源中长期规划的目标和社会发展的重要要求,也是解决当今能源问题的首要途径;提高水的重复利用率是节水的首要途径。蒸发式冷凝器作为一种节能节水的新型高效换热设备,在我国能源与水资源日趋紧张的今天得到了快速的发展和应用。蒸发式冷凝器是根据非饱和传热传质理论和冷凝换热理论相结合而开发出来的一种高效节能节水冷却设备,其工作过程涉及气液两相流的流动特性、两相流的传热传质及其耦合。冷凝器腔体内的流场十分复杂,如何对流场进行优化设计,这方面尚无成熟的理论和计算公式,需要进行深入理论研究和实验研究。本文首先对蒸发式冷凝器传热过程进行了分析,推导了传热传质的数学模型,分析了传热传质过程,重点介绍了传热系数的计算。指出传热阻力主要来自于水-空气界面。本文还建立了腔内气流流场的数值模型,利用计算流体力学(CFD)软件包进行了模拟计算,研究了进风方式、进风口结构对蒸发式冷凝器内腔流场特性的影响,并分析了它们对蒸发式冷凝器的传热影响机理。结果表明:采用多面进风比同单面进风时压力场、速度场分布更加均匀;气流入口的结构对腔内流场有重要,较合适的进风口面积a+可以减少气流入口的湍动程度,降低内部压力场的波动强度,有助于均匀流场的形成。建立了蒸发式冷凝制冷机组性能测试实验平台。研究了不同进风操作(单-双面进风、气流入口大小)和湿球温度对蒸发式冷凝器制冷机组性能的影响,,结果表明:湿球温度对蒸发式制冷机组性能有重要影响,从18.2℃增大到26.8℃,制冷量和能效比分别减少了20%和27%,压缩机功耗增大9.8%,湿球温度平均每增大1℃,能效比降低3.42%,压缩功增大1.24%。通过对进风口数目的影响实验数据分析研究表明,该结构制冷机组的最佳进风方式为双面进风,最佳进风风量为4900m3/h,当湿球温度为19.2℃时,制冷机组的最大制冷量为32.3kw,能效比4.63;当湿球温度为19.8℃时,最大制冷量为32,能效比4.6。通过对进风口面积大小的影响实验数据分析研究表明,最佳进风口面积与盘管传热面积之比为0.14,蒸发式冷凝器制冷系统能效比能达4.1~4.5。本文考察了不同负荷下的常规水冷式和蒸发式冷凝空调系统性能,对其工程实际应用系统进行了测试,测试表明:蒸发式空调系统能够很好的满足建筑物的舒适性要求。测试计算了不同负荷情况下两种空调系统的冷凝温度和系统COP。结果表明采用蒸发式冷凝技术,空调机组IPLV比水冷式高21.1%,比风冷式高36.8%。对该工程应用实例的节能分析表明,该蒸发式冷凝空调系统达到了较好的节能效果。全年平均能耗指标比改造前水冷式系统要低16.01%,季节能效比高27.3%。本课题通过对蒸发式冷凝器流场分析及空调系统节能研究,丰富了蒸发式冷凝器的理论与应用研究体系,为进一步研究蒸发式冷凝器的性能及其空调系统的节能优化设计提供了参考。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
物理量名称及符号表  11-13
第一章绪论  13-29
  1.1 研究背景  13-19
    1.1.1 空调技术  13
    1.1.2 空调节能节水的重要性  13-14
    1.1.3 空调冷凝器的种类及特点  14-15
    1.1.4 蒸发式冷凝器的运行原理、分类及其特点  15-19
  1.2 本课题提出的目的意义  19
  1.3 蒸发式冷凝器流场分析与数值模拟研究进展  19-24
  1.4 蒸发式冷凝器设计及其在空调应用中的研究进展  24-26
  1.5 本课题来源及主要研究内容  26-27
    1.5.1 课题来源  26
    1.5.2 主要研究内容  26-27
    1.5.3 创新之处与主要特色  27
  1.6 本章小结  27-29
第二章蒸发式冷凝器传热分析及内部流场的数值模拟  29-52
  2.1 前言  29-30
  2.2 传热传质机理过程分析  30-32
  2.3 传热传质系数分析与计算  32-39
    2.3.1 管内冷凝传热系数  33-34
    2.3.2 管外壁和水膜对流传热系数αw  34-35
    2.3.3 水膜和空气间对流传热系数αw,a  35-37
    2.3.4 水膜界面和空气间对流传质系数Km  37-39
  2.4 蒸发式冷凝器内腔流场的数值模拟  39-51
    2.4.1 蒸发式冷凝器物理模型  41-42
    2.4.2 数学模型与边界条件  42-45
    2.4.3 模拟结果与分析  45-51
  本章小结  51-52
第三章蒸发式冷凝空调机组节能分析及实验研究  52-75
  3.1 前言  52
  3.2 制冷理论  52-55
    3.2.1 制冷循环  52-54
    3.2.2 冷凝温度对制冷机的影响  54-55
  3.3 蒸发式冷凝器在制冷机组中的节能  55-58
    3.3.1 蒸发式冷凝器对冷却系统的节能  55-56
    3.3.2 蒸发式冷凝器对压缩机的节能  56-58
  3.4 蒸发式冷凝器制冷机组性能实验研究  58-74
    3.4.1 实验目的  58
    3.4.2 实验装置与流程  58-62
    3.4.3 实验方法  62-64
    3.4.4 实验数据处理  64-65
    3.4.5 实验结果分析  65-74
  3.5 本章小结  74-75
第四章蒸发式冷凝空调系统的应用测试  75-83
  前言  75
  4.1 工程概述  75-77
  4.2 测试内容和方法  77-78
  4.3 测试仪器  78-80
  4.4 测试结果  80-82
  4.5 本章小结  82-83
第五章蒸发式冷凝空调系统的能效分析  83-92
  5.1 前言  83-84
  5.2 IPLV（部分符合性能值）比较  84-87
    5.2.1 AR1550/590 标准适用的范围  84
    5.2.2 标准冷水机组部分负荷性能值的确定  84-87
  5.3 SEER 的比较  87-91
    5.3.1 空调季节能效比SEER 的计算方法  87-90
    5.3.2 空调季节能效比SEER 的计算结果  90-91
  5.4 本章小结  91-92
结论  92-94
参考文献  94-100
攻读硕士学位期间取得的研究成果  100-101
致谢  101

蒸发式冷凝器流场分析及其应用于空调的节能研究

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