空调冷凝器的简化CFD模型.DOCVIP

空调机冷凝器在密闭空间中的动态模拟分析 作者：胡观兴(1)，谢耀明(2) 单位：柏诚（亚洲）有限公司 (1) 香港 (2) 北京 摘要 本论文主要是详细列出计算流体力学 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 软件包在暖通空调专业上的其一种应用实例及经验。并以两个不同的实例，将空调机冷凝器在密闭空间中的模拟作重点分析讨论及经验分享： 高层住宅大厦的空调机室外机散热分析 地下铁道列车空调冷凝器在隧道及车站中的散热动态分析 引言 近年，随着商用计算流体力学软件包(CFD) 的流行及高性能个人电脑的发展，CFD模拟仿真技术已成功应用于很多不同的基础建设项目上，例如隧道通风、地下铁道车站环控系统设计上。今天，CFD的应用已扩展到对暖通空调等系统进行详细的设计分析。而其中对空调机冷凝器及散热水塔的通风散热效能研究应用也不少。 本文主要是讨论应用于空调机冷凝器上的不同CFD模拟方法及其特点。 应用CFD软件包简介 现时商用CFD软件包在国内外均非常流行，但因其功能广泛及牵涉多种不同的学术范畴[1,2]，例如流体力学、微分方程式、网格生成、数值分析等，在学习及使用这种软件包上有一定难度。可能因为这种原因，现时已有好几种针对暖通空调专业而设计的CFD软件包，例如Airpak、FlowVENT、MicroFlo等。它们有简易的视窗使用界面，又能直接从模拟结果中得到各种在仔细分析系统时所需的数值，例如有关室内空气品质(indoor air quality, IAQ)中的各种数值。 本文集中讨论CFD模拟在空调机冷凝器通风散热分析上的应用。基本上暖通空调专用的CFD软件包能对大部份的有关项目作出有效又详尽的分析。但在一些特殊的情况下，应用较为全面的CFD软件可能是必须的。外界环境的动态改变，例如风向或气温转变等，CFD技术应能模拟出冷凝器的排热及温度等的动态改变。而这种模拟要求可能会对一些专用CFD软件包有一定难度。因此，本文主要是应用FLUENT软件包中的用户定义函数(User Defined Function, UDF) 功能来模拟上述的动态情况。在FLUENT中UDF是以电脑语言C++编写成，对模拟复杂的物理现像非常有用。而这种功能在模拟上述的动态变化时极为重要。 空调冷凝器的简化CFD模型 从热力学的观点出发，空调机是将热能从高温一方带到低温的一方，而在这种能量输送中是需要能量输入。而冷凝器就是将热能排到外面的部份。 本文所主要讨论的就是研究冷凝器的进气囗温度在半密闭或密闭空间中会否因通风不良而过热，影响其散热效能。 要正确模拟上述情况，必须要了解冷凝器的基本结构及功能。冷凝器主要是风机加散热圈(condensing coil)的组合。要模拟冷凝器的散热，这两重要部份的主要工程数据是必须的。在一般的暖通空调工程上，太仔细的风机及散热圈等资料，如转速、风压、散热圈物料等是并不需要。综合过往的工程经验，以下为建议模拟冷凝器所需的各主要数据： 风机： 空气流量、进气囗及排气囗安排和面积 散热圈: 需要散发的热量 有很多不同的CFD方案能模拟冷凝器的散热，例如应用风机模型(fan model) 及散热器模型(radiator model) 。但根据过往经验，因为它们的非线性特性，收敛(convergence)速度较差。 综合多年应用FLUENT的经验，应用上述的风机及散热圈资料，从FLUENT众多的边界条件设定(boundary conditions)中，最能有效模拟冷凝器散热的方法而又有极佳的收敛特性就是使用volumetric source term。这方法除使用简单外，也能正确模拟冷凝器的热量及风机流量，而且又能确保风机中的质量恒守(mass conservation)，而这质量恒守在CFD的理论上又是十分重要。例如进气囗气温上升，冷凝器的排气温度及密度也会因废热而相应改变，但通过的质量是不变的。以下为有关的简化冷凝器CFD模型： 在各种CFD模拟中，收敛是得到正确结果的必然要求。除上述建议外，因为一般冷凝器的排气温度不会跟外围温度相距太大，在对流(convection) 的考虑上，建议使用Boussinesq模型代替idea gas模型作为空气密度跟温度的关系。因为Boussinesq模型是线性模型，对收敛有正面帮助。 地下铁道车站环控系统的模拟实例 世界各地在这几年有不小有关冷凝器散热通风的CFD模拟文献。特别是在地下铁道车站应用上，大量的废热要从列车的空调机冷凝器排出，而车站环控系统的排气量一般又要比冷凝器风机的风量为低，以确保车站空调负荷不会大增。所以废热有可能回流到冷凝器的进气囗，影响效能。要模拟车站中环控系统的效能，正确的冷凝器CFD模型是必须。 根据[3]在韩国汉城9号线所描述的方法，其冷凝器的C