CFD在提高部分負荷冷凝器性能上的應用
                            丁漢新 姜曉東
           (江森自控樓宇設備科技(無錫)有限公司,江蘇無錫　214028)
    摘　要：采用CFD的方法,研究了風冷冷水機組用多風機微通道式冷凝器在部分負荷運行的空氣側流場分布特性,提出了優化部分負載時冷凝器性能的結構改進方案。研究表明,采用“V”型隔板的獨立風道設計可以明顯的提高冷凝器表面的氣流分布均勻性,提高迎面風速,避免氣流短路。有效的降低部分負荷時風冷冷凝器的冷凝壓力,進而提高部分負荷時風冷冷水機組的性能。
    關鍵詞：風冷冷水機組;微通道冷凝器;CFD;部分負荷
    中圖分類號：TB65　　　　文獻標識碼：A　　　　
    文章編號：1005—0329(2010)05—0081—04
    1·前言
    風冷冷水機組作為中央空調的制冷主機,大量的使用于賓館、酒店、商場、辦公樓等場合,提供用冷需求。因其采用空氣側為散熱源,無需冷卻塔、冷卻水泵以及配套的管路,使得現場施工和安裝方便。
    目前市場上的風冷冷水機組結構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,機組運行負荷較大時,冷凝器風機會全部打開,此時,吸入的空氣將全部流過冷凝器,充分換熱以后,再隨風機排出;而當機組在部分負荷運行時,其中的部分風機就會自動關閉,此時,氣流將有可能從靜止的風機口,被吸入機組內部,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”型隔板的獨立風道設計,改善冷凝器周圍的空氣流動,阻斷部分負荷時的空氣短路流,并采用CFD流場分析和換熱器計算軟件結合的方法,研究其對部分負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”對應有兩片結構完全相同的微通道換熱器和兩個并列的軸流風機,“V”形隔板的位置位于兩個風機的中心,見圖1(b)。
              
    考慮到機組中6個“V”形結構完全相同,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”形結構進行流場計算,并且將計算區域往外作了擴大,以更準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荷工況下(1號風機運行, 2號風機關閉)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
    采用標準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定如下:
    (1)計算區域內空氣的流動為穩態紊流,空氣取常溫下物性;
    (2)壁面都采用無滑移的絕熱邊界條件,近壁面處采用標準壁面函數;
    (3)機組四周和頂部被定義為壓力邊界條件,并且認為周圍環境無風;
    (4) 1號風機采用風機模型代替軸流風機,其特性曲線如圖3(a)所示; 2號風機處定義為多孔介質模型,以模擬其被流動空氣帶動反轉時的阻力;
    (5)機組中的微通道冷凝器采用多孔介質模型進行簡化,其阻力與速度的關系曲線取自微通道設計軟件,如圖3(b)所示。
              
    2. 3　計算結果以及分析
    2. 3. 1　方案1:無“V”形隔板
    當系統運行在50%負荷時, 1號風機正常運行而2號風機停轉,機組周圍的空氣被1號風機吸入微通道冷凝器內部,但同時也有部分空氣并未經過微通道冷凝器,而是直接通過阻力較小的2號風機口進入“V”形冷凝器中間區域,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,屬于非有效風量。從整個冷凝器表面的速度分布來看,離風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
    當在相鄰的“V”形冷凝器之間設置一個隔板后,完全杜絕了右側風機處的短路流, 1號風機運行時帶動的空氣全部流經左側冷凝器,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,經過1號風機的風量(即總風量)為23172m3/h,經過冷凝器的風量為19294m3/h;方案2中,經過1號風機的總風量與經過冷凝器的風量相等,都為22385m3/h。
                
    從兩個方案的比較中發現,通過設置“V”形隔板,系統的總風量減少了3. 4%左右,但是經過微通道冷凝器,參與換熱的有效風量卻提高了16%。這一現象的原因在于:“V”形隔板阻斷了從2號風機口進入的空氣短路流,使得所有流入的空氣必須經過微通道冷凝器,因此經過冷凝器的風量得到了提升,但與此同時,空氣流動阻力的增加也使1號風機的葉輪轉速發生了變化,風量發生了衰減。
    3·性能計算與結果分析
    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,空氣側采用相同的進風溫度,管側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劣,冷凝壓力越低,則代表其性能越好。
    3. 2　計算結果與分析
    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據如表1所示。
              
    通過結果比較發現,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,相應的飽和溫度低了1. 35℃,因此,方案2中的冷凝器性能要優于方案1。原因在于,首先,方案2中經過微通道冷凝器的有效風量要比方案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速非常小,因此空氣側換熱系數很低,其對整體換熱效果的貢獻很小,而方案2中的風量都集中于左側冷凝器,其表面風速的整體提高顯著的強化了這一區域的空氣側換熱,使其性能優于前者。因此,通過計算結果的比較可以發現,設置“V”形隔板有助于降低冷凝器在部分負荷時冷凝壓力,進而提高機組的部分負荷性能。
    4·結語
    采用CFD的方法,研究了某一風冷冷水機組用多風機微通道式冷凝器在部分負荷運行的空氣側流場分布特性,提出了優化部分負載冷凝器性能的結構改進方案。研究表明,采用“V”型隔板的獨立風道設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,提高迎面風速,同時經過冷凝器的風量提高了16%。通過在換熱器設計軟件中這對兩個方案的計算發現,由于采用“V”形隔板的獨立風道,部分負荷時的冷凝壓力降低了34. 5Kpa,從而使風冷冷水機組的部分負荷性能得到了明顯的提升。