发布时间 : 星期日 文章fluent笔记更新完毕开始阅读195e140cf78a6529647d53a9
而在另一部位(冷凝器)将热量加以散发。这样，制冷剂在制冷系统中起到将(蒸 发器中)热量吸收、运送和传递给外界(与冷凝器相接触的空气)的作用，从而 使蒸发器产生制冷效果。
2
图2-3电冰箱的单级蒸气压缩制冷过程IgP—i示意图
Fig．2-3 The compression process of single-stage steam in refrigerator
分析上述理论循环过程，并参看图2—2和2．3可知，其热工计算基本理论单位为：
单位质量制冷量q0：节流后的每千克制冷剂液体处于恒定的蒸发压力下，在流经蒸发器的过程中不断地蒸发得到的热量，即 q0=i1-i4 (kJ／kg) (2-1)
单位质量绝热压缩功E：活塞对进入压缩机气缸中的每千克制冷剂蒸气所做的功，即
E=i2一i1(kJ／kg) (2-2)
单位质量冷凝热量qk：流经冷凝器中的每千克制冷剂蒸气向外界介质所散放的热量，即
qk= i2一i3(kJ／kg) (2-3)
单位容积制冷量：每立方米制冷剂在蒸发时所吸收的热量，即 q。=qo／v1 (kJIm3) (2-4)
式中：v1一制冷剂蒸气吸入气缸时的比容，m3，。
制冷系数：根据热力学第一和第二定律所指出的功与热的转换关系，其值等于压缩机所耗功得到的热量与功之比，它反映了制冷系统的效能，即
￡= qo／E (2-5)
应消耗最少的单位功，得到最大的单位制冷量。同时，为使制冷系统保持热量平衡，必须实现qo+E=(2-6) 否则制冷系统不能正常工作。 2．1．2冰箱中的传热
冰箱中的热能的传递也是通过传导、对流、辐射三种方式进行的。电冰箱制冷系统中的换热器——冷凝器、蒸发器、汽液热交换器(即毛细管与回气管焊合后发生热交换作用段)的传热性能越高越好，对于箱体的保冷性能来讲，所用材料应该使热的传递作用越低越好，这是设计和制造出性能好、效能高的电冰箱不可轻视的问题。 2．1．2．1传导
传导是通过物体各部分直接接触所发生的热交换，是物体通过分子间相互传递内能的结果。由于固体的分子之间比较紧密，所以传导性能优于液体和气体。 导热过程有稳定状态导热和不稳定状态导热。我们主要用稳定状态导热来说明 和设计计算。
通过平壁的导热量为： Q=五F毕(W) D
式中：Q一通过平壁的热量，(w)；
A一平壁材料的导热系数，W／(M·。C)： F一平壁的面积，m2；
t1一导热面l端温度，。C； t2一导热面2端温度，。C； 占一平壁材料的厚度，m。
从式(2—7)中可以知道导热量与导热系数五、面积F，和温度差(t1-t2)成正比， 与厚度d成反比。要使换热器的传热性能 J ∥ ／ ／F t2 ／‘
图2．4导热示意图
Fig．2-4 Conduction process
(2—7) Q
好，就要采用导热系数大的材料、增大散热面积、使温差增大和减低材料厚度。 2．1．2．2对流换热
对流换热是指流动的流体(液或气)与固体面直接接触时相互发生热交换的过程，对流换热量按下式计算： 萨志[W／(m·oc)】(2-8) 式中：t1一物体表面温度，。c； t2一流体表面温度，。c。
该过程发生在物体表面和周围介质之间，因此，有许多影响换热系数的因素： 流体流动状态，即受迫流动的换热系数大于自然对流流动；流体的物理性质(导 热系数、密度、粘度、定压比热容??等参数)；流体相态改变；换热面形状和位置等。
2．1．2．3辐射换热
分子热运动中必然发生电磁波。在物体之间不直接接触的情况下，高温物体通过发射电磁波而向低温物体辐射热能。在电冰箱的传热计算中，由于对流换热强度较小，所以辐射传热具有明显的影响，在计算中就不能忽视。辐射传热计算按下式进行： T 下
Q饩Aoe【(孟)4‘靠)4】(w) (2—9) 式中：Qf——辐射热量，W；
A0——绝对黑体的辐射系数，为5．67，W／(m2·K)；
￡。——折合黑度，无光泽的黑漆取0．96～O．98，白漆取0．9； T1——发射体(高温)热力学温度，K； T2——接受体(低温)热力学温度，K。
直冷式冰箱内，红外辐射是重要的热负荷。由于各固体壁面和储藏物品表面的温度都有所不同，其各自的红外辐射和红外吸收能力也就各不相同。由于确定红外长波辐射发射和吸收能力与其绝对温度的4次方成正比，所以低温环境下的小温差也有可能导致比较大的内部热流。根据传统的算法所计算得到的冷量往往会小于实际情况。一般估计，低温壁面和高温储藏物品间的辐射换热将占直冷式冰箱系统中总换热量的30％左右。
直冷式冰箱分为冷冻室和冷藏室两部分，两个部分都存在辐射换热。冷藏室内部温差较小，因而辐射换热的影响较小；而冷冻室内部温差较大，辐射换热的影响较大。
2．1．3边界层理论
冰箱内气体流动时，在靠近壁面和蒸发器表面处均会存在流动边界层和热边界层。边界层的厚度对冰箱内换热过程起着显著的影响。 2．1．3．1流动边界层
当具有粘性且能润湿壁面的流体流过壁面时，由于粘滞力的作用，壁面附近的流体流速下降，且直接贴附于壁面的流体将停滞不动。如果用仪器测出壁面法向，即y方向的流速分布，将得到如图2-5所示的速度分布曲线。
图2-5边界层示意图
Fig．2-5 Boundary layer
从y=0处u=O开始，u随着离壁面距离y的增加而急剧增大，经过一个薄层后 u增长到接近主流速度。这个薄层就成为流动边界层。其厚度视规定的接近主流速度不同而不同。通常规定达到主流速度的99％处的距离Y为流动边界层厚度，记为占。这种规定时可以满足实用的要求。流动边界层厚度J薄到什么程度昵?以温度为20。C的空气沿平板的流动为例。 一一十一一一J—一
，j二七士二|。逢善兰王三E'=二————-—}——
图2-6空气沿平板流动时边界层的情况
Flg．2．6 The boundary layer’s condition at the Air’s Flowing along the plate
在不同来流速度“帕下，万沿平板长度的变化示于图2-6上。由图可知，相对于平板长度l，J是一个很小的量，是个比l小一个数量级还要小的量。万与壁面尺寸相比是个很小的量，这一概念是边界层的重要特性之一。与此相关联的是，在这样小的薄层内，流体的法向速度要从0变到接近主流速度，所以流体的法向速度变化是剧烈的。
在流动边界层以外，法向流速实际上已不起变，粘性已不起作用，称为主流区。于是，流场可划分为边界层区和主流区。需要用粘性流体运动微分方程描述的仅限于边界层区。在主流区，流体可视为无粘性的理想流体，伯努利方程适用。这是边界层理论的核心内容。
流体的流动可区别为层流和紊流两类。流动边界层在壁面上的充分发展过程也显示出，在边界层内也会出现层流和紊流两类状态不同的流动。图2．7示出了流体掠过平板时边界层的发展过程。流体以U。的流速沿平板流动。在平板前缘， 万=0。随着x的增加，由于壁面粘滞力的影响逐渐向流体内部传递，边界层逐渐 加厚，但在某一距离xc以前会一直保持层流的性质。此时，流体呈现成层的有秩序的滑动状流动。各层互不干扰，称层流边界层。随着边界层厚度的增加，边界层内部粘滞力和惯性力的对比向着惯性力相对强大的方向变化，促使边界层内的流动变得不稳定起来。自距前缘xc处起，流动朝着紊流过渡，最终过渡为旺盛紊流。此时流体质点在以平均主流流速沿X方向流动的前提下，又附加着紊乱的不规则脉动，故称为紊流边界层。边界层开始从层流向紊流过渡的距离xc由临界雷诺数Rec=虬xc工，／v确定。对掠过平板的流动，Re处于3×105到3×106之间。来流扰动强烈、壁面粗糙时，Rec，甚至在低于下限值时即发生转变。在一般情况下，可取Re，=3×】05。 X
图2—7掠过平板时边界层的形成和发展
Fig．2-7 The boundary layer’s forming and developing when sweeping the plate
已经查明，紊流边界层的主体核心虽处于紊流状态，但紧靠壁面处，粘滞力
仍占主导地位，致使贴附于壁面的一极薄层内仍保持层流的性质。这个极薄层称为紊流边界层的层流底层。在紊流核心与层流底层之间存在着起过渡性质的缓冲层。图2—7给出了边界层内速度分布曲线，它们与流动状态相对应。层流边界层的速兰童翌苫盔兰三兰璺圭主垡丝塞
度分布为抛物线状。在紊流边界层中，层流底层的速度梯度较大，近于直线，而在紊流核心，质点的脉动强化了动量传递，速度变化较为平缓。
综合以上讨论，可以总结出边界层理论的三个基本要点：
1．流场可以划分为主流区和边界层区。只有在边界层区才有必要考虑粘性对 流动的影响，要用粘性流体流动的微分方程来描述。在主流区，可视作理想流体流动，用描述理想流体的微分方程求解。
2．边界层厚度J与壁面尺寸l相比是个很小的量，远小于比l小一个数量级的量。 3．在边界层内流动状态分层流与紊流，而紊流边界层内紧靠壁面处仍有极薄 层保持层流状态，称为层流底层。 2．1．3．2热边界层
在对流换热条件下，主流与壁面之间存在着温度差，温度在壁面法线方向发生变化。为了探索能否把边界层概念扩展到换热，我们比较这个温度变化的区域是否像流动边界层那样具有薄层的性质。为此，考察了一个强制对流掠过平板的对流换热问题。在这类强制对流中，重力场可忽略不计，且压力梯度为零。动量微分方程式(以x方向为例)：
ppi瓦Du2：fEx一一罢瓦+1+2‘V2““ L(2-10)) 式中一y；ⅣIP是运动粘度。 可简化为式(2-11)： 坐：田：“ Df
旦：口v2f Dt
将此式与能量微分方程式(2一12)对比，发现它们有完全类似的形式。只要v=a，速度分布的解就与温度分布的解相同。换句话说，v/a=1时，仿照流动边界层定义的热边界层具有同样的厚度，亦具有薄层的性质。v/a时个无量纲数，称 为普朗特数Pr。Pr=v/a=c。BIA，它反应粘性扩散与热扩散力的对比。常用流体的Pr数在0．6～4000之间，可以说最小的Pr数时接近1的。v/a>1时，粘性扩散能力大于热扩散能力，流动 (2—11) (2—12)
t-
图2—8速度边界层与热边界层
Fig．2—8 Velocity and temperatureboundary layers
边界层厚度占大于热边界层厚度4。图2—8所示就是这种情况。v/a <1时，则万<4。综上所述，对于除液态金属外的常用流体，流动边界层的概念可以扩展到换热中去，建立起热边界层的概念。热边界层厚度4是个数量级上与d相当的很小的量。于是，换热问题的温度场可区分为两个区：热边界层区和主流区。只有在热边界层区内才有必要采用能量微分方程描述，在主流区，法向温度变化率可视为零。