应用Flownex软件的空调系统快速设计与选型

1.背景

空调系统普遍应用于工厂、住宅、商场、办公场所、汽车等领域。在空调设计过程中，包含了压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器的热力计算过程以及各部件之间的相互影响，尤其是蒸发器和冷凝器中的换热计算是非常繁琐的过程，需要进行多次迭代。一维热流系统设计仿真软件Flownex能够很好的帮助设计者快速对空调系统的各部件进行选型，同时，能够仿真蒸发器热负荷变化时系统的响应，从而帮助设计者优化空调系统的控制策略，提高空调系统的运行效率。2.制冷系统设计工况确定

根据运行条件，选择合适的制冷剂、冷凝温度、蒸发温度、过冷度和过热度。然后根据选择的参数，对空调系统关键点进行热力计算。

2.1. 冷凝温度

为了保证冷凝效果，一般取冷凝温度为环境温度（考虑我国的气候因素，43℃能够满足绝大部分地区的使用要求）+（保证冷凝效果），当冷凝器另一侧选用水时，我们选用冷凝温度为：Tk=Tw+7=50℃

2.2. 蒸发温度

蒸发器的蒸发温度应该综合考虑使用的制冷剂的类型和蒸发器的结构类型以及车用空调的制冷温度需求。提高蒸发温度可以改善空调的经济性，使空调的单个制冷循环的制冷量得到提升，空调的制冷系数也得到提升，但是蒸发温度越高，蒸发器与空气的传热温差越小，这就需要加大蒸发器的尺寸才能达到制冷量的需求。另外，当蒸发器表面的温度低于0℃时就会造成蒸发器的表面结霜使空气不能流经蒸发器的表面。此外，为了保证空调的舒适性，空调风的温差应控制在 8℃至 10℃之间。将蒸发温度选取为0℃。

2.3. 过冷度

在制冷系统中考虑到管道内部的摩擦影响和静压变化影响，应该有适当的过冷度才能保证到达节流装置的制冷剂是液态制冷剂。一般选取比当前压力下的冷凝温度低3℃至5℃的温度作为冷凝器出口的过冷度。到达节流装置的总过冷度达到5℃至8℃。

2.4. 过热度

蒸发器的过热度如果太小就无法保证制冷剂在蒸发器中的完全蒸发，并且会造成压缩机的液击；而过热度太大又会造成蒸发器蒸发能力的浪费。通常选择5℃至7℃作为蒸发器出口的过热度，到达压缩机进口时的总过热度大约是 10℃至 18℃。

2.5. 制冷系统设计工况确定

1）最大制冷量。根据实际需求，本设计中最大制冷量为90KW。

2）选用的制冷剂类型为R22。

3）设计工况参数。选用50℃为冷凝温度时，对应的饱和压力为1.95MPa；0℃为蒸发温度时，对应的饱和压力为0.5MPa（可通过Flownex查询得到）。选择7℃作为过冷度，12℃为过热度。

制冷剂R22的TS图

制冷循环热力图和主要位置点参数如下

制冷循环热力循环图

制冷循环主要参数表

注：各设计点的参数由Flownex计算查询得到，Flownex提供了快速查询工质物理化学特性的功能。

4）热力计算

3.制冷系统部件选型

根据前面的热力计算结果，利用Flownex软件对空调系统的关键部件进行选型。

3.1. 压缩机基本参数

3.2. 冷凝器参数

3.3. 蒸发器参数

3.4. 制冷系统集成

将参数设计好的压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器在Flownex上进行快速集成，并进行整体参数计算，验证方案的合理性。

初始时刻，给定压缩机进口边界条件：指定压力为1.95MPa，温度为8℃；给定膨胀阀进口边界条件：指定压力为1.95MPa，温度为48℃。

Flownex计算结果显示在这两处位置均由能量输入，分别为0.1KW和1.25KW。将两处边界条件放松后得到系统的真实平衡结果。

制冷系统运行图

制冷系统运行参数

4. 结论

Flownex能够很好的帮助用户设计空调系统，快速准确计算各部件的性能，包括换热器的设计与选型，相变过程的计算以及部件性能匹配等。本算例旨在对设计工况下的制冷系统进行设计与选型，在实际过程中，蒸发器的热负荷并不是一个固定值，当蒸发器热负荷发生变化时，需要调节压缩机的功率，以保证达到设计需求，如何调节压缩机以满足实际需求将是下一个工作内容。