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东南大学硕士学位论文 小型空气源变制冷剂流量空调系统的特性研究 摘要 小型空气源变制冷剂流量空调系统是目前空调领域中应用较广的一种空调系统，其具有 节约能耗、节省占用空间、施工安装方便、运行稳定可靠等特点。但由于变制冷剂流量空调 系统是非常复杂的系统，我国在自主开发该空调系统方面与国外有着明显的差距，并且目前 市场上变制冷剂流量空调种类繁多，因此对该空调系统进行研究有着重要的意义和价值。本 文就是针对两种具有代表性的变制冷剂流量空调系统一变频w 空调系统和数码涡旋空 调系统进行了分析和研究，具体内容如下： 1 ) 建立了变频v r v 空调系统的数学模型。并利用该模型对双蒸发器的变频w 空调系统在变工况条件下的运行特性进行了研究和分析，为多联变频w 空调 系统的控制策略、机组的选型匹配等提供了一定的依据。 2 ) 建立了数码涡旋空调系统的数学模型同样利用该模型对双蒸发器的数码涡旋空 调系统进行了运行特性的研究和分析，为数码涡旋空调系统的设计提供了一定 的依据。 3 ) 对以上两种空调系统在舒适性等方面做了一定的比较，分析了各自所具有的优 缺点。 关键词：变制冷剂流量空调系统变频w 空调系统数码涡旋空调系统仿真节能 查查查茎堡圭兰篁笙兰 s t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i co fs m a l l a i r s o u r c ev r va i r c o n d i t i o n l n gs y s t e m a b s t r a c t as m a l la i r s o u r c ev r va i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mi sn o v vw i d e l yu s e do n e w h i c hp r o v i d e sw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fe n e r g ya n ds p a c es a v m g ，c o n v e n l e n t i n s t a l l a t i o n 。s t a b l eo p e r a t i o n t h e r es t a i l d so b v i o u st e c h n o l o g yg a pb e t w e e nh o m ea n d a b r o a dd u et ot h ec o m p l e x i t yo fv r va i rc o n d i t i o n i n gs y s t e 札f u n h e r r n o r e ，i t h a s t h ei m p o n a i 】tm e a n i n g sa n dv a l u et or e s e a r c hb e c a 吣eo ft h ev a r i e t yo fv r 、，a i r c o n d i t i o n e r s t h i sm e s i sr e s e a r c h e si i l t ot w or e p r e s e n t a t i v ev r va i rc o n d i t i o i l i n g s y s t e m s v a r i a b l ef r e q u e n c yc o n t r o lv r va i r c o n d i “o n i n g a n dd 吲t a ls c r o i l “” a i 卜c o n d i t i o l l i n 2s y s t e m ，t h ed e t a i l sa r ea sf o l l o w s ： 1 1m a _ 七t l e m a t i c a lm o d e l so f 、枷a b l ef r e q u e n c yc o n t r 0 1v r va i r _ c o n d i t i o n i n g s v s t e mh a sb e e ns e tu p o nt h eb a s i so f w h i c h ，r e 辨a r c hw o r ki n t ot h ec h a r a c t e r i s t i c s o f t h i s a i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m 谢t l ld o u b l e - e v a p o m t o ru n d e rv a r i 曲l ec o n d i t i o ni s c o m p i e t e d ， w h i c hp m v i d e ss o m ee v i d e c e so fc o n 仃o im e t h o d so fv r va i r c o n d i t i o i l i n ga n ds t y l e s e l e c t i n go fu i l i t s 2 1m a t h e m a t i c a lm o d e l so fd i g i 诅ls c m l l “”a i 卜c o n d i t i o n i n gs y s t e mh a sb e e ns e tu p ， o nt b eb a s i so fw k c h r e s e a t c hw o r ki n t ot h ec h a r a c t e 五s t i c so fd i g i t a ls c r 0 1 l “” a i 卜c o n d i t i o i l i n gs y s t e mw i t hd o u b l e e v 印o r a t o ri sc o m p l e t e d ，w h i c hp m v i d e ss o m e e v i d e n c e so f d e s i g i l i n go f t t l i st y p eo f c o n d i t i o n i n gs y s t e m 3 1c o m d a s o nw o r kh a sb e e nc o m p l c t e do nt h ea s p e c t so f c o m f o r tr a t i o ，v i n u e sa i l d n a w so f t l l e ma r ea n a l y z e d k e yw o r d s ：v r va j rc o n d i t i o n i n gs y s t e m ，d 画t a ls c r o l l t ma i 卜c o n d i t i o i l i n gs y s t e m ， s i m u i a t i o n ，e n e r g ys a v i n g i i 东南大学硕士学位论文 p ，p p r q ， r e r f x z 口 占 五 p u f 盯 换热面积 定压比热 直径 含湿量 能量 能效比 摩擦系数 质量流量 单位面积质量流量 焓值 质量 压力 普朗特数 制冷量 汽化潜热 雷诺数 温度 干度 微元长度 换热系数 空泡系数 厚度 导热系数 动力粘度 密度 比容 主要符号表 m k j ( k g k ) k g ，k g w w 例 k s k g s m 2 k j ，l ( g 蚝 k j ，蚝k w “m 2 k ) w ，( m k ) n s n r k m m 3 ，k g 析湿系数 表面张力n m 1 1 下标 l s a t c o n d c o m p v a l v e j 制冷剂 气体状态 液体状态 入口 出口 平均 饱和状态 过热状态 壁面 冷凝器 压缩机 膨胀阀 微元节点 空气侧 号 卵 符爿q d d e眦厂g g 矗眠 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的背景 随着国民经济的不断发展，人们生活水平的不断提高，人们对居住条件和舒适性都提出 了更高的要求。房间空调器被广泛的应用。对于多个房间的住宅或者中小型的办公楼，很多 都是采用一室一机的形式，即一个房间一个空调器，随着全球能源危机的日益严重，这种形 式已经越来越不适应发展的需要。由于目前空调系统的能耗在人们生活能耗中占有相当大的 比例，据统计某些地区空调用电负荷占总用电负荷的3 0 以上，所以如何降低空调的能耗， 节约能源，是目前空调技术发展的方向和前进的动力。变制冷剂流量的空调系统正是在这种 前提和背景下发展起来的一种空调系统。而在这种系统中小型空气源变制冷剂流量的空调系 统又是最具特点，最具代表性，最适合于住宅、别墅和中小型办公楼。 小型空气源可变制冷剂流量空调系统具有如下特点： ( 1 ) 节能特性 小型空气源可变制冷剂流量空调系统可根据系统负荷情况，调整系统内制冷剂的循环流 量得以改变，进而对制冷量进行自动控制以符合使用要求，从而能保证在负荷变化范嗣内， 压缩机都以较高的效率运行。由于系统在低负荷状态下运行时能耗将随之下降，故可有效地 节省能源。 ( 2 ) 换热效率高，具有更好的舒适性 小型空气源可变制冷剂流量空调系统中，室内机为直接蒸发式盘管，冷介质温度很低， 显然其热交换温著( 空气与冷媒的温差) 将远大于普通中央空调系统中的冷水盘管的热交换 温差( 空气与冷水的温差) ，因此可以把空气处理到更低的送风温度点。 ( 3 )节省占用空间 小型空气源可变制冷剂流量空调系统无论是在机组占用面积还是在管道占用面积上跟 普通的中央空调系统对比都有非常明显的优势。该系统制冷部分采用风冷式室外机并没于屋 顶，无需像中央空调系统中的冷水机组、水泵等设备那样需要占用一定的机房面积，其系统 采用制冷剂直接蒸发，无需象中央空调系统那样以水管作为冷热介质输送管道的。所以可以 节省占用空间 ( 4 ) 施工安装方便、运行稳定可靠 显而易见，小型空气源可变制冷剂流量空调系统的施工安装是非常方便的，其冷媒及 管接口等管件都是随系统一起供货，只要按照要求正常连接即可。比起中央空调系统来说， 其施工工作量大大减少，施工周期缩短，对建设单位非常有利。而且系统的运行也是相当可 靠的。因为它没有许多中间环节，设备简单且全部控制系统都是由设备生产厂商提供，因此 可以保障系统的运行管理可靠。 由上述特点可以看出，小型空气源可变制冷剂流量空调系统是一种非常有前途，值得 推广的种空调系统，目前这种空调系统受到越来越多的关注和应用，所以对这种系统进行 分析、研究，特别是其运行特性的研究是一颂睢常有价值的工作。 东南_ 人学硕士学位论文 1 2 国内外研究的现状 小型空气源可变制冷剂流量空凋系统中最具代表性的是变频空凋系统雨l 数码涡旋空调 系统。 自从8 0 年代中期日本大金( d a i k i n ) 公司率先推d jv r v 变频空调系统以来，变频空 运系统在二十几年中得到不断的发展和完善。关于变频空调系统方面的研究，日本的一些专 家和学者对此作了不少的1 二作，但是这些研究很少被公开。只有少量非技术方面的一些的文 章可以查阅到。 国内对变频空调系统的研究起步较晚，主要由清华大学、上海交通大学及同济大学对其 进行了一定的研究工作。 清华大学的石文星、邵破全等对多元变频v r v 空调系统作过比较详细的研究工作，主 要通过热回收型多元变制冷剂流量( mvrv ) 宅调系统仿真模型对室内机和室外机的扰动 与调节特性进行了模拟分析，给出了室内外机的联合调节特性，进而提出利用室内机电子膨 胀阀控制室温，室外机集中控制压缩机回气过热度以及吸、排气压力的m v r v 空调系统自 治协调控制思想。该方法具有通讯量少、通用性强、舒适性好的特点。 上海交通_ 人学的周兴禧，陈武等人则对双联( 一拖二) 变频空调系统进行一定的研究，通 过采用分布参数法并引入两相流理论，建立起以双蒸发器、电子膨胀阀、压缩机为一体的双 联空调系统的热力学模型。对双联变频空调系统稳态特性及双蒸发器间藕合关系进行仿真研 究，为双蒸发器的优化设计、控制及节能手段的运用提供依据。 同济大学的薛卫华，张智力等主要对w 系统从机械制造、传热介质、设计理念、自 动控制以及新风处理等角度分析了该系统的运行节能因素，提出了该系统有待解决的一些问 韪，简单地阐述了这种系统产品的应用及前景。并对变频控制热泵式vr v 空调系统冬夏季 运行特性和节能性能作了一系列实验研究，分析了影响室内机制冷( 热) 量、机组功率的因素， 得到了vrv 空调系统的部分负荷运转特性，并在节能性能方面与普通风冷热泵冷热水机组 作了比较。 国内其它的对变频v r v 系统的研究主要是一些空调企业，集团如科隆以及一一些高校如 青岛建筑工程学院等，他们对v r v 空调系统的研究主要也是关于其节能因素及简单的一些 控制策略的研究。 数码涡旋空调系统推出相对较晚，美国的谷轮( c o p e i a l l d ) 公司首先于2 0 0 1 年推出数 码涡旋压缩机，并随后授权韩国的三星( s a m s u n g ) 公司开始生产数码中央空调系统 ( d v m ) 。其相关的技术研究和报道目前为止还比较少。 所有这些关于变频v r v 系统及数码涡旋空调系统的研究和实验主要都是集中在某个具 体的系统并对其进行节能因素或控制策略的研究，而对于这两种系统的比较和对于小型空气 源可变制冷剂流量空调系统的特性的研究几乎还没有。 1 3 本课题的内容 本课题主要对小型空气源可变制冷剂流量空调系统的特性进行研究，对现有主要的小型 空气源可变制冷剂流量空调系统进行比较，可以消除人们对小型空气源可变制冷剂流量空调 系统研究开发的盲目性，揭示出各类小型宅气源可变制冷剂流量空调系统的本质特征。通过 对系统的模拟计算来分析各类小型空气源可变制冷剂流量空调系统的共性特点，为系统的控 制策略没计奠定理论基础。较好地解决小型空气源可变制冷剂流量空调系统的优化设计和室 内、外机容量匹配与选型问题。为小型空气源可变制冷剂流量空调系统的发展、开发及用户 第一章绪论 对该系统选择指导，为小型空气源可变制冷剂流量空调系统性能评价与标定提供了可行的技 术方案。 由于小型空气源可变制冷剂流量空调系统不同于一般的空调系统，其可能有多个室内 机，并且其制冷剂流量根据负荷的变化而变化，所以本课题的研究内容有以下几点： 1 对变频v r v 系统和数码涡旋中央空调系统分别建立仿真模型，并利用模型对它们 进行具体的运行特性研究。对它们在不同工况、刁i 同的机组形式下具体的运行特性 进行研究，分析它们的能耗、舒适性等参数并进行比较。 2 通过分析变频v r v 系统和数码涡旋中央空调系统的特性，对它们的控制策略进行 适当的探讨，对这两种空调系统进行一定的比较。 东南大学硕士学位沦文 第二章热力参数和物性参数的程序化 制冷系统的仿真 l j 优化都离不开制冷剂和空气等的物性参数，而这些物性参数都不能靠 查表的方法来获得，所以物性参数和热力参数的程序化是制冷系统仿真的前提条件。然而， 要做到物性参数和热力参数的方程既精确又简便却不是一件容易的工作。 多年来，国内外有很多科技工作者致力于这方面的研究工作，建立的方程各异，但一个 共同的目标就是高精度和高效率。早在1 9 4 0 年提出的b w r 方程( b e n e d i c t 。w e b b r u b i n ) 是比较成功的通用状态方程，1 9 4 9 年r e d l i c h k w o 醒提出的r k 方程是最成功的二常数状态 方程之一，1 9 7 2 年s o a v e 修l e 后的r k s 方程，1 9 7 6 年的p r 方程( p e n 廿r o b i n s o n ) ，以及 1 9 8 1 年j j m a n i n 和我国的候虞钧教授共同开发的比较著名的m h 方程；还有c h a l l 和 h a s e d e n 开发的方程，具有极高的精度，但运算效率不离，占用计算机资源。在大多数制冷 设计和仿真模拟中并不需要用到c h a l l 和h a s e d e n 计算出的所有的性质参数，而只需要使用 其中一部分经常使用的性质”j 。 目前。对于常用制冷剂，通过试验研究已经积累了较为丰富的热物性数据，在这些数据 的基础上，已经开发了一批比较精确的气相区状态方程、饱和蒸汽压方程、饱和液体密度方 程和理想气体状态下的定压比热容方程。制冷剂的物性参数和热力参数可根据一般热力学关 系式用上述四个基本方程计算。文献”1 采用文献例提供的公式编制程序，计算的精度较高。 本文就采用文献“1 提供的公式计算，对于一些尚且缺乏文献资料的参数，根据文献h 采用最 小二乘曲线拟和、切比雪夫( c h o b y s h e v ) 曲线以及最小二乘曲面拟和的方法得到”j 。 2 1 制冷剂参数程序化( r 2 2 ) 2 1 1r 2 2 制冷剂的热力性质 由于目前大多数的多联空调大多都还是采用r 2 2 最为制冷剂，所咀本文也采用r 2 2 作 为研究对象。经过比较各种方程和针对本文的实际需求，本文选择a c c l e l a n 1 编写的快速 方程求解制冷剂参数，节省计算时间。 a c c l e l a l l d 编写的算法中r 2 2 制冷剂热力性质参数的总适用范围如下： 最小饱和温度：一6 0 ； 最大饱和温度：6 0 ； 最大蒸汽过热度：6 0 ； 1 ) 饱和状态压力温度： 已知饱和温度求饱和压力户i ， 只。，= e x p k l + 口2 0 ：。+ “，) 】( 2 一1 ) 已知饱和压力求饱和温度l ， t 。，= d ：n ( 1 。，) 一。 一日， ( 2 2 ) 笫二章热力参数和物性参数的程序化 与c h a i l 和h a s e l d e n 方程比较( 由于c h a n 和l l a s e l d e n 开发的方程计算精度较高，反映 了制冷剂的真实性质，快速方程计算结槊误差是以此作为基础得出的，) 误差不超过o4 1 ： 在一4 0 到4 0 的范周内，误差小于o 2 l 。 2 ) 液体焓值( 已知饱和温度和过冷度) 矗 鼻= d 4 + 口5 巧+ 巧2 + 口7 耳3 式中：7 ：一液体温度，。 3 ) 饱和蒸汽焓值k 矗，l = d 8 + d 9 丁二十a l o 瓦：+ 口1 1 丁三 噍= 啊。+ q 2 式中： 乙一饱和温度，。 ( 2 3 1 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 4 ) 过热蒸汽焓值玩 一1 蝎趟蝎( t ) 2 蝎s ( 疋肌) + 口l s ) 2 吒) l 睁6 ) 瑚“h ，( t 玩) 2 蚂。( t ) z 阢) 。j 屹咱 绣= 曩2 + q 2 ( 2 7 ) t = t t 。 ( 28 ) 式中：乙一饱和温度， t 一过热蒸汽温度， t 一过热度， 5 ) 饱和蒸汽比容k v g = e x p ( a ，+ q 。( 乇，+ 2 7 3 1 5 ) ) ( 吒。+ n ：l ，+ n ：，7 三+ d ，。艺，) ( 2 9 ) 式中：瓦。一饱和温度， 6 ) 过热蒸汽比容v ； 1 1 o + a ：，( i ) 十日：。( i ) 2 十a ，( 1 ) ( l ，) 驴”8 k 。( 矾乙) ( i 肌) 2 ( 砒兄，) 2 f t = 瓦一i 。， ( 2 1 0 ) ( 2 一1 1 ) 东南大学硕士学位论文 式中：7 二一饱和温度， r 一过热蒸汽温度， 7 ：一过热度， 址击舶缈。1 j 瓦= 丁二2 一t 。 ( 2 一1 3 ) ：主甚黧暑兰器勰曼：拦丸j 弘功睁埘+ 口。( l ，。x t ) 2 + 伍。) 2 ( 瓦) 2 + 盯，。( t ) 、。 t = 【一z 二 ( 2 一1 5 ) c = 0 + 玎，( t ) + d 。( t ) 2 + d 4 l ( t ) ( 乙。) + 口。：( 疋) 2 亿。，) j ( 2 一1 6 ) 式中： 乙i 一入口饱和温度， ； 乙2 一山口饱和温度， ； 疋一饱和温度之差， ； t 一过热蒸汽温度，； l 一过热度，。 6 第二章热力参数和物性参数的程序化 表2 1k 2 2 热力性质计算公式中的参数 口2 2 12 5 3 8 dd 、= 一2 0 2 5 1 5 1 8，= 2 4 8 9 4 n 。= 2 0 0 0 0 0 a 。= 1 1 7 0 3 6 口6 2 1 6 8 6 7 4 d ，= 5 2 7 0 3 1 0 。 n 8 = 2 5 0 0 2 7 吼= 3 6 7 2 6 5 口】o 2 1 8 4 1 3 3 盘l l2 一1 14 5 5 6 1 0 q 日】22 1 5 5 4 8 2 口13 = 2 8 5 4 4 6 j 0 。日1 4 = 4 0 1 2 9 1 0 口l5 = 1 3 3 6 1 2 l o 山 口1 6 = 一8 1 1 6 】7 1 0 8 口1 7 = 1 4 1 1 9 4 1 0 一8 日】8 = 一9 ，5 3 2 9 4 1 0 叫。q 92 一1 18 2 3 4 4d 2 02 2 3 9 0 3 2 l d 2 12 1 0 1 8 5 9口2 2 2 5 0 9 4 3 3 1 0 “d 2 3 ：一1 4 8 4 6 4 1 0 叶口2 4 2 2 4 9 5 4 7 1 0 叫 口，；= 5 2 3 2 7 5 x 1 0 3 由2 6 2 5 5 9 3 9 4 1 0 叫 口2 72 3 4 5 5 5 5 1 0 口2 8 2 2 3 1 6 4 9 x1 0 叫 口2 9 2 5 8 0 3 0 3 1 0 1日3 0 = 一3 2 0 1 8 9 x1 0 _ 912 1 1 3 7 4 2 3 日3 2 = 一1 5 0 9 1 4 1 0 叫 口玎= 一5 5 9 6 4 3 j o 叶 口3 4 2 8 ，7 4 6 7 7 1 0 _ 6d 3 5 一1 4 9 5 4 7 1 0 1心6 = 5 9 7 0 2 9 1 0 _ 8 d ，7 = 1 4 1 4 5 8 1 0 9吩8 = 一4 5 2 5 8 0 1 0 1日3 9 = 3 6 8 4 1 7 x1 0 叫 4 02 6 2 6 0 7 6 l o “ 口4 1 = 1 4 5 8 3 9 1 0 _盯4 2 2 一1 6 5 7 3 0 1 0 叫 2 1 2 制冷剂的热物理性质 对于制冷剂r 2 2 的饱和液体汽化潜热、普朗特数、饱和蒸汽的定压比热、饱和液体的 定压比热、饱和液体的导热系数、饱和液体与饱和蒸汽的粘度等参数可以根据沈志光的制冷 工质热物理性质表和图1 3 】中的数据拟和公式得到。 1 ) 饱和液体汽化潜热r r = “o 十d ，o 。一l o ) + 口2 ( ，一1 0 ) 2 + 口，( f ，一1 0 ) 3 + 口。【f ，一1 0 ) 4 ( 2 一1 7 ) 式中： ，一饱和温度( 一3 0 ，。玉5 0 ) ， 担一公式系数，其中群o = 1 9 6 9 6 1 4 1 0 2 ，8 i = 一8 7 2 9 2 8 l 1 0 2 ) 饱和液体普朗特数p d 2 = 一3 5 6 0 3 0 6 1 0 一，3 = 一2 0 1 8 0 9 8 1 0 5 d 。= 一1 8 6 2 7 6 2 1 06 。 7 东南大学硕士学位论文 p = 6 。+ 6 ，0 ，+ 5 ) + 6 ：( f ，+ 5 ) 2 + 6 ，o ；+ 5 ) 3 + “o 。+ 5 ) 4 + 6 ，o ，+ 5 ) 5 + 氏( f 。+ 5 ) 6 式中：，。一饱和温度， 6 一公式系数，其中= 3 1 7 4 7 0 1 ，6 】= 3 8 3 2 5 6 6 l o _ 3 3 ) 饱和蒸汽的定压比热c m 6 2 = 1 8 8 9 5 7 2 l o ，以= 一4 5 1 3 7 4 f o 7 6 4 = 一1 6 0 9 8 6 1 0 ，6 5 = 30 5 4 2 9 9 1 0 1 0 6 6 = 7 6 2 5 2 7 2 1 0 一性。 c 粥= c o + q f 十c 2 f 2 + q f 3 + e 4 f 4 + g f 5 + c 6 f 6 式中： ，= r 。+ 1 7 1 4 2 8 6 ； f ，一饱和温度，： c 一公式系数，其中c o = 6 0 6 9 4 1 2 1 0 ， c l = 1 7 6 6 7 6 4 1 0 3 4 ) 饱和液体的定压比热c 。， c 2 = j ，0 5 2 1 2 4 1 0 一，q 一3 2 3 1 9 1 2 1 0 一7 c 4 = 3 7 2 3 1 8 7 1 0 ，c 5 = 一3 3 4 2 1 1 6 1 0 4 7 2 5 9 6 9 1 0 1 3 c 珊，= e o + 巳f ；+ p 2 ，；+ 已3 ，；+ p 4 ，；+ e 5 r ； 式中：r ，一饱和温度， p 一公式系数，其中p o = 1 1 7 4 4 6 9 ，p i = 2 4 5 7 0 9 2 1 0 3 5 ) 饱和液体的导热系数以， 8 2 = 1 0 4 6 2 3 6 1 0 ，巳= 4 0 7 1 0 0 0 1 0 8 “= 7 ，4 0 3 8 1 6 l o ，p ；= 7 5 6 0 6 j 3 i o x l l = f 。+ f t 。七f j + f i ：+ f j ： 8 ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 i ) ( 2 2 2 ) 第二章热力参数和物性参数的程序化 式中：，一饱和温度， ，一公式系数，其中兀= 9 7 6 4 1 8 2 1 0 - 。，z 6 ) 饱和蒸汽的导热系数k = 2 0 3 4 8 1 9 l o ，厶 六= 1 4 5 0 7 9 1 0 “ a 昭= g 。+ g o ，一1 0 ) + g ：( ，一1 0 ) 2 + g ，( f ，一1 0 ) 3 + g 。o ，一1 0 ) 4 + g ；o ：一1 0 ) 5 式中：f ；一饱和温度， 49 3 4 5 7 2 1 0 4 1 1 2 9 15 2 1 0 8 g 一公式系数，其中= 1 1 0 9 9 4 2 x 1 0 ，= 3 0 9 5 7 5 8 1 0 一5 7 ) 饱和液体的粘度 9 2 一一2 8 9 0 4 6 9 l o 一7 ，9 3 = 一2 2 3 6 7 8 7 1 0 9 9 4 = 3 _ 3 9 7 5 7 l 1 0 一”，9 5 = 3 2 8 1 3 3 0 x 1 0 一1 3 玎。= + 。o ；+ 5 ) + 矗：( f 。+ 5 ) 2 + ，o ，+ 5 ) 3 + 。o 。+ 5 ) 4 + 瑰( f ，+ 5 ) 5 式中：r ：一饱和温度， 矗一公式系数，其中 。= 2 7 4 9 2 4 8 1 0 ， l 一1 6 1 9 6 0 6 0 x 1 0 6 8 ) 饱和蒸汽的粘度，7 。 2 = 1 0 8 2 8 4 2 l o _ 。，吃= 一7 6 6 6 4 0 8 1 0 玩一4 6 2 5 5 8 3 1 0 1 3 叮昭= f 。+ f i f ，+ f 2 r ；+ f 3 f ； 式中：f ，一饱和温度， f 一公式系数，其中= 1 1 9 9 4 7 8 1 0 ，一3 2 8 4 7 7 6 l o 一8 9 7 7 5 6 4 l 1 0 “，f ，= 43 2 6 9 2 3 1 0 一1 3 9 f 2 2 3 1 ( 2 2 4 ) r 2 2 5 1 东南大学硕士学位论文 9 ) 饱和液体表面张力盯 a ，= 氓+ r ，+ ，j + _ ，) 1 0 一3 式中： f ，一饱和温度，： j 一公式系数，其中矗= 1 1 7 2 9 7 2 1 ，1 = 一1 5 7 4 5 6 6 1 0 一2 2 2 1 空气的热力性质 = 1 8 8 5 9 6 5 l o ，3 = 1 4 4 9 0 8 8 1 0 一6 2 2 空气参数程序化 ( 2 2 6 ) 本文所研究的是小型空气源的变制冷剂流量空调系统，因此还需要把空气参数进行程序 化。目前，空气的热力性质大多采用a s h r a e 提供的计算式计算，本文的空气热力性质计 算程序主要采用文献1 提供的关系式编制。 1 ) 空气饱和水蒸汽分压力p ( p a ) ： 当一1 0 0 t 0 时： l n 尸= c 1 r + c 2 + c 3 ，+ c 4 丁2 + c 5 r 3 + c 6 7 1 4 + c 7l n r 当0 t 2 0 0 时： l n = c s ，+ c 9 + g o 丁+ c l l 丁2 + c 1 2 丁3 + q 3 】n 丁 式中：丁一空气干球温度( 7 1 一t + 2 7 3 1 5 ) ，k ； c 一公式系数，具体见表2 2 表2 2 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) c = 5 6 7 4 5 3 5 9c ，= 6 3 9 2 5 2 7 4c 。= 一o 9 6 7 7 8 4 3 1 0 1 c 。一o 6 2 2 1 5 7 0 1 1 0 c 。= 0 2 0 7 4 7 8 2 5 1 0 叫 c 6 = o 9 4 8 4 0 2 4 1 0 - 1 2 c ，= 4 1 6 3 5 0 1 9 c s = 一5 8 0 0 2 2 0 6 e ，一1 3 9 】4 9 9 3 c 】0 = 0 0 4 8 印2 3 9c l i = 0 4 1 7 6 4 7 6 8 1 0 _ 4 c 1 2 = 一o 1 4 4 5 2 0 9 3 l o c 1 3 = 6 5 4 5 9 6 7 3 2 ) 湿空气比焓 0 第二章热力参数和物性参数的程序化 厅= 1 0 1 ，+ d ( 2 5 0 1 + 1 8 4 f ) 式中：一湿空气的含湿量， k g ，k g f 一湿空气温度，。 3 ) 混空气水蒸汽分压力只 只= 乓一爿o f ，归 式中： 只一湿球温度下饱和水蒸汽分压力，p a ； 爿一系数，彳= o o o o o l ( 6 5 + 6 7 5 v ) v 一空气流速，州s ； b 一实际大气压力，p a 。 4 ) 湿空气露点温度f 。 f 。= 8 2 2 + 1 2 4 l n 只+ 1 9 ( 1 n 只) 2 式中：只一湿空气水蒸汽分压力，k p a ； 5 ) 湿空气含湿量d ： d ：o 6 2 1 9 8 土 b p 。 2 2 2 空气的物理性质 ( 2 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 - 3 2 ) 1 ) 湿空气的密度p ： p = o 0 0 3 4 8 b ( f + 2 7 3 1 5 ) 一o 0 0 1 3 2 只o + 2 7 3 1 5 )( 2 3 3 ) 2 ) 空气的普朗特数p ( 一5 0 t l o 。) 只= r + 只，+ b r2 + 只，3 + 只r4 十只f5 + 咒，6 式中： p 一公式参数，其中尸o = 7 0 7 5 6 2 9 l o 一， 只= 一3 2 5 6 1 5 7 l o 一4 = 5 7 4 9 7 6 3 1 0 ，只一一5 6 7 3 5 1 8 l o 8 1 2 5 0 6 1 0 ， 只= 2 4 9 9 7 1 0 只一一1 2 6 9 8 7 8 1 0 1 3 3 ) 空气的定压比热c 。( 一5 0 t 1 0 0 ) ( 2 3 4 ) 蔓堕奎兰堡圭兰堡堡苎 爿o + 爿l ，+ 爿2 ，2 + 爿3 ，3 + 爿4 ，4 + 一5 f5 十爿6 ，6 式中： 彳一公式参数，其中凡= l0 0 6 1 3 7 ，爿= 一1 4 7 8 9 2 3 i o 一4 月z = 25 0 1 6 0 0 1 0 6 ， 一3 = 一8 0 7 3 9 8 7 1 0 一1 0 月4 = 一2 9 3 5 6 0 7 1 0 一1 0 ， 爿5 = 9 1 1 7 8 9 7 l o 一1 2 爿6 = 一6 9 5 1 6 2 9 l o 4 ) 空气粘度玎：( 5 0 t 1 0 0 ) ； 叩= l o 6 g 。+ x l f + x 2 r 2 + x 3 r 3 + x 4 f 4 + x 5 f5 ) 式中：x 一公式参数，其中= 1 7 1 7 0 3 1 ，x ，= 4 5 9 1 9 5 1 1 0 一2 5 ) 空气的导热系数五 而= i 5 6 3 8 6 6 i o 一， 而= l ，8 4 5 8 5 2 i o 一6 x 4 = 一8 9 1 8 9 7 7 1 0 ， x 5 = 6 8 9 5 1 9 3 1 0 丑= o o 】0 。+ _ f + z 2 f 2 + z 3 ，3 + 2 4 ，4 + z s j5 ) 式中： z 一公式系数，其中。o = 2 4 3 5 0 9 l ，毛= 8 2 2 7 8 2 7 1 0 一3 z 2 = 一3 8 3 3 0 8 8 1 0 ， z 3 = 一2 1 7 2 4 2 0 1 0 一7 2 4 = 3 8 6 7 0 6 0 1 0m ，z ；= 1 4 2 3 9 4 5 1 0 2 ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 - 3 7 ) 第三章变频v r v 空调系统的数学模型 第三章变频v r v 空调系统的数学模型 制冷装置的数学模型从产生到发展，经历了从单纯得部件模型研究，到适合系统仿真要 求得部件模型和系统模型研究；从稳态、集中参数，到动态、分布参数；从瞬态特性研究， 到 期运行过程得仿真这样一条发展途径。 系统仿真所用的部件模型，不同丁i 单独研究部件所用的模型，专门用于部件特性研究的 数学模型需要全面考虑部件的细节，如部件具体结构对部件性能的影响、换热器来流的不均 匀性对部件性能的影响、以及部什性能的优化设计等等，研究侧重于微观结构对宏观性能的 影响、以及流动换热的机理性问题；而系统仿真用的部件模型侧重于从整体上考虑部件的热 力性能、不涉及或只涉及到少量的部件结构变化。因此，系统仿真用的部件数学模型的复杂 程度要远低于部件特性研究专用的数学模型。从另一方面来看，由于系统仿真涉及到部件模 型之间的耦合计算，因此采用过丁复杂的部件模型将难以在常规概念下完成仿真和优化计 算。所以简单而又有相当的精度是对系统仿真用部件模型的基本要求【8 】。 本章所研究的变频v r v 空调系统是在分体式空调机的基础上发展起来的。该系统一台 室外机可以配置不同规格、不同容量的室内机1 1 6 台。室外机与室内机之间通过制冷剂管 道连接。室内机和室外机之间的制冷剂管道氏度可达1 0 0 m 。室外机与室内机之间的允许高 度差为5 0 m 。该系统的主机一般为涡旋式压缩机，采用变频控制，供液管上设有电子膨胀阀、 分流器等，可以根据各个区域的不同要求，进行制冷剂流量的控制，即根据不同的负荷需求， 对各台室内机进行单独控制，通过室外机变频调速，以合理的提供室内机所需能量，避免不 必要的能量浪费。每一系统中室内机总容量与室外机的容量配比范围为5 0 一1 3 0 ，也就 是说，室外机既可以在欠载5 0 的情况下正常运行，也可以在超载3 0 的情况下正常工作。 多年来已有不少研究者对变频w 空调系统进行了研究并建立了模型，但由于研究目 的不同各种模型的差异也较大。本文研究的目的在于对小型的空气源变频v r v 空调系统进 行一定的研究分析，特别是对该系统在能耗、运行、经济性等方面进行分析，为变频w 空调系统的选型、匹配及控制策略提供一定的依据。因此，出于这个目的，本文所建立的模 型着重在于分析变工况调节f 室内单元特别室内换热器以及室外换热器的性能等。 这里同时还需指出的是：本文冷凝器采用冷凝压力及过冷度恒定的假设，文献p ”指出： 冷凝温度及过冷度的相对稳定，不易变化，故采用此假定不会给仿真带米较大的误差。 3 1 蒸发器模型 蒸发器的建模因其复杂性，历来是制冷空调装置建模中的重点和难点。也正是这个原因， 给蒸发器建模的研究提供了广阔的空间，相应的模型繁简程度千差万别。蒸发器的结构形式 也是多种多样，本义采用的蒸发器是管翅式风冷换热器，这是当前小型空气源变频v r v 空 调系统经常用到的蒸发器。 东南大学硕士学位论文 3 1 1 模型的建立 图3 1 蒸发器管路结构分别图 蒸发器的换热强弱直接影响到整个系统的制冷量和c 0 p 。本文采用一维分布参数的方 法对换热器建模求解。因为在小型制冷装置中，换热器的管径一般都很小，截面积上制冷剂 的温度差异及同相流体的速度差异可以忽略，这样处理模型的准确性仍能保证，但工作量却 大大减少。同时考虑到工质在换热器两相区中换热系数沿管长变化很大，沿程阻力又将造成 一定程度的压降，而蒸发器的管程和管路变化又会引起管长方向空气侧的换热情况的千差万 别，故采用有限差分的方法来处理蒸发器，即将管长分成许多微元段，上一微元段的出口参 数为下一微元段的进口参数。在建立模型时作了以下的简化假设： 1 制冷剂的管内流动是沿轴向的一维流动； 2 气相和液相处于热力平衡，即气相和液相有相同的饱和压力和温度，不存在亚 稳态； 3 管壁对制冷剂的传热可以立即传到管中央，无任何形式的迟延； 4 制冷剂在轴向没有热、质扩散； 5 制冷剂重力不计； 6 管壁热阻忽略不计； 7 空气来流均匀，速度和物性处处一致。 仿真蒸发器一般有三个部分组成：制冷剂侧、管壁侧和空气侧。 1 ) 冷剂侧模型的建立 制冷剂经过膨胀阀节流后进入蒸发器，一般是汽液两相混合，故在本文将不考虑蒸发器 内的过冷区。同时，蒸发器出口的制冷剂蒸汽需要有一定的过热度，以避免液体制冷剂进入 压缩机引起液击现象。因此，本文的蒸发器制冷剂侧仿真模型将分为两相区和过冷区分别建 模，两个区的换热机理、压降也将分别计算。 1 两相区 能量方程： g ( 曩r 曩) 弧k 一华k 。， ( 3 - 1 ) z 式中：g 一制冷剂质量流量，k s ； 红，鼻+ l 一微元进出口比焓，k j 爪g ； 口。一管内换热系数，k w ，m 2 1 4 f f f 呈 第三章 变频v r v 窄调系统的数学模型 瓦，一管壁温度， r ，z + 微元进出口制冷剂温度， 4 。一蒸发器盘管控制体换热而积，4 。= 丌口z m 2 ； 对于两相区，制冷剂侧换热系数采用文献【8 】推荐的公式计算： 3 o 口m 2 覃口吖 3 - 2 ) 热一喊一( 爿1 。5 口，制冷剂液相的换热系数， w ，m 2 k ， ，可按下式计算 = o o ：3 r e ：，雕? 鲁 式中：p r ，一液相制冷剂的普朗特数 五f 一液相制冷剂的导热系数w ，m k ： r c “一液相制冷剂的雷诺数，r e 。：史二兰坐! ! ! 生 以7 缉一液相制冷剂的流速，n 以， q ，= j p r i g 一制冷剂的质量流量，k “s ； b ，液相制冷剂密度，k g ，m 3 ； 口一管内径，m ； x 一制冷剂_ t 度； “一液相制冷剂的粘度，p a s ； 动量方程： 两相区的压降分为两部分摩擦压降和加速压降。 本文采用p i e r r e 9 】提出的适用于r 1 2 和r 2 2 的直盘管压降公式 速压降。如下式： 訾= 等斟9 2 鲁 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 综合考虑摩擦压降，加 ( 3 7 ) 东南大学硕士学位论文 式中：p ，：p 一微元进出口压力，k p a ； z 一控制体轴向长度，m ； x l ，分别为微元入口、出口及平均千度； 圪一平均比容，_ = 立+ 旦m 3 m g ； p p t 其中b ，舟为两相区平均温度下饱和气体比容和液体比容。 g 一单位面积制冷剂质量流量，k g ，s m 2 ； d 一管内径，m ； 厶一摩擦系数，由f 式计算： 厶= o 0 5 3 叫4 r e “ 厂t 其中：雷诺数r e ：_ _ 兰l 嚣d 。地 沸腾数k ，= ， k 一葺) 吆 z 式中：g 一制冷剂的质量流量，k g ，s ： 朋制冷剂液体的粘度，p a s ； l ，一经验常数，文献1 1 0 1 ，一o 1 0 2 m k 朗d 一汽化潜热。 2 过热区 能量方程：与两相区相同。 对于过热区，制冷剂侧换热系数口由d i n u s b o e l e r 换热关联式计算 _ o 0 z ，r e 。8p r 。4 丢 式中：r e 一雷诺数：r e ：盟： 声 p r 普朗特数； 丑一过热气体的导热系数，w ，m k ： n 一管内径，m ； 6 ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 - 1 0 ) ( 3 - 1 1 ) ( 3 一1 2 1 ( 3 一1 3 ) 第三章变频v r v 空调系统的数学模型 动量方程： 由于过热区不存在相变引起的加速压降 午t c c a m a v o