（热能工程专业论文）小型制冷系统稳态运行时的仿真.pdf

哈尔滨t 稃大学硕十学 7 ：论文 摘要 传统的制冷空调装置设计手段有着开发成本高，开发周期长以及开发效 率低这样的缺点。随着计算机仿真技术的迅速发展，运用计算机仿真的方法 改进传统的设计手段，可以降低开发成本，缩短开 发周期、提高开发效率，这对促进产品设计现代化具有重要的意义。另 外，将计算机仿真技术用于制冷空调装置的控制中，还可以为选择与修正控 制方案提供依据。 本文以计算机仿真技术为手段，以稳定工况下的单级蒸汽压缩式制冷系 统为研究对象，通过必要的假设和简化，建立了压缩机、冷凝器、毛细管、 蒸发器这四个部件的稳态参数模型，然后将这四个部件的模型按照制冷循环 系统的流程有机的连接起来，建立了整个系统的稳态参数模型，设计算法并 编写了各个部件以及制冷系统的仿真程序。通过文献实验数据的验证，仿真 程序能够满足工程设计的要求。最后运用混合编程技术制作了蒸汽压缩式制 冷系统的仿真软件，为深入研究制冷系统打下基础。 在对压缩机、冷凝器以及蒸发器建模的过程中，将人工神经网络相关理 论与传统数值仿真模型结合起来，用传统模型保证仿真的正确性，对传统模 型中经验性的理论引入人工神经网络来对其进行简化与替代，取得了很好的 效果。 关键词：制冷系统；计算机仿真；人工神经网络 哈尔滨t 样人学硕十学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r es o m ed i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lw a y st od e s i g nr e f r i g e r a t i o na n d a i r - c o n d i t i o n i n gi n s t a l l a t i o n s ，s u c ha sh i g hd e v e l o p m e n tc o s t ，l o n gd e v e l o p m e n t p e r i o d ，a n dl o wd e v e l o p m e n te f f i c i e n c y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , t r a d i t i o n a ld e s i g nw a y sa r ea m e l i o r a t e db yc o m p u t e r s i m u l a t i o nm e a n s ，w h i c hc o u l dn o to n l yr e d u c e d e v e l o p m e n tc o s t ，s h o r t e n d e v e l o p m e n tp e r i o db u ta l s oi m p r o v ed e v e l o p m e n te f f i c i e n c y , i st a k i n ga n i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rp r o m o t i n gt h em o d e r n i z a t i o no fp r o d u c td e s i g np r o c e s s i n a d d i t i o n ，a p p l y i n gc o m p u t e r s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi nt h ec o n t r o lo f r e f r i g e r a t i o na n da i r - c o n d i t i o n i n gi n s t a l l a t i o n sc o u l dp r o v i d ee v i d e n c e so fs e l e c t a n dm o d i f yc o n t r o lp r o j e c ta sw e l l t h i se s s a yt a k e ss i n g l e - s t a g es t e a mc o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e ma s r e s e a r c ho b j e c t b yu s i n gc o m p u t e rs t i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , a n dn e c e s s a r y a s s u m p t i o na n ds i m p l i f i c a t i o n ，e s t a b l i s hs t e a d yp a r a m e t e rm o d e lo ff o u rp a r t s ： c o m p r e s s o r , c o n d e n s e r , c a p i l l a r yt u b ea n de v a p o r a t o r , l i n kt h em o d e lo ft h e s ef o u r p a n sa c c o r d i n gt ot h ep r o c e d u r eo fr e f r i g e r a t i n gc y c l es y s t e m ，a n ds e tu pt h e s t e a d yp a r a m e t e rm o d e lo ft h ew h o l es y s t e m ，t h e nd e s i g na l g o r i t h m ，a n d c o m p i l i n gs i m u l a t i o np r o g r a mf o re a c hp a r ta n dt h er e f r i g e r a t i o ns y s t e m v e r i f i e d b ye x p e r i m e n t a ld a t a , t h es i m u l a t i o np r o g r a mc o u l dw e l ls a t i s f yt h ed e m a n do f p r o j e c td e s i g n a tt h ee n do ft h ee s s a y , u s em i x e d - l a n g u a g et h ew r i t e rc o m p i l e s s i m u l a t i o ns o f t w a r eo fs t r e a mc o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m ，f o rt h ef u r t h e r s t u d yo fr e f r i g e r a t i o ns y s t e m d u r i n gt h ep r o c e s so fe s t a b l i s hm o d e l so fc o m p r e s s o r , c o n d e n s e ra n d e v a p o r a t o r , c o m b i n e dt y p i c a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e l sw i t ha r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r kt h e o r i e s i ta c h i e v e dg o o dr e s u l t st h r o u g hg u a r a n t e et h ec o r r e c t n e s so f s i m u l a t i o nb yt y p i c a ln u m e r i c a lm o d e l s ，s i m p l i f i e da n ds u b s t i t u t e de m p i r i c a l 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 t h e o r yo ft r a d i t i o n a lm o d e lb ya r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k k e y w o r d s ：r e f r i g e r a t i o ns y s t e m ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n ；a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签；) ：刁弹性 日期：劫矿g 年多月厂日 哈尔滨下程大学硕十学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 近几年来，诸如冰箱，空调器之类的家用制冷空调设备发展迅速，制冷 空调系统已经逐步成为世界上消耗能量最多的耗能系统之一。目前，制冷空 调设备所消耗的电能约占全世界生产电能的1 5 左右，据初步估算，我国制 冷产品的用电量约占社会总用电量的2 0 。另外，制冷工质排放直接产生臭 氧层破坏与温室效应，装置耗电间接导致的温室效应及其它问题也对环境产 生重大影响。制冷空调装置已成为能源消耗、材料消耗与影响环境的大户。 因此改善技术，改进产品设计，达到节能节材并减少对于环境的不良影响， 具有重要的经济与社会意义。 传统的制冷、空调装置设计手段是开发研究人员提出一种系统方案，并 制造相应的样机，然后在实验台上进行样机性能测试，通过实验对装置的可 靠性和运行效率进行改进。从理论上讲，实验改进方法是一种严谨的科学研 究方法，但局限于实验条件、测试精度、经济条件以及开发时间上的限制， 使其无法对装置的实际运行进行较全面的预测和较理想的改进。而仿真技术 则可以帮助人们更有效地利用计算机手段最大限度地改进所研究系统的性 能。通过计算机仿真，原来需要在实际装置上进行的实验，很多就可以通过 计算机建立模型来实现仿真研究，这样不仅可以节省大量的实验费用，而且 节省开发时间，缩短开发周期【1 】。 制冷空调系统的计算机仿真就是用数学模型表达实际制冷空调系统的运 行规律，用计算机语言进行描述，编制相应的仿真软件。相对制造样机费用 大、周期长、准备工作量大的缺点、其最大的优点在于用一套仿真模型可以 对使用不同工质、不同部件的系统进行研究，费用少，周期短。运用制冷系 统计算机仿真的思想改进设计方法，可减少样机试验的盲目性，更可提高系 哈尔滨j r = 挥大学硕士学位论文 统部件间的匹配特性，达到事半功倍的效果。从公开发表的文献看，目前研 究最多，应用最广泛的属稳态仿真。由计算机软件模拟制冷空调装置的运行， 获得其稳定运行工况下主要运行参数与性能指标的方法，就是制冷空调装置 的稳态仿真。 1 2 仿真在制冷空调中的应用 1 2 1 仿真用于制冷空调装置的设计 在常规的设计中，是先定下产品的性能目标，然后推断其工作状况，最 后确定产品的结构。而对于仿真而言，是先定下产品的结构，然后看其具体 的工作过程是如何的，在算出其工作过程的基础上，得到最后的性能。从这 个过程可以看出，常规的设计方法，目标很明确，更有可靠性，所以容易被 广大工程技术人员理解。而仿真是确定结构参数后检测性能的过程。通过仿 真，可以知道多项性能，从而对所确定的结构参数是否合理作出较好的评价。 为了寻求一组合理的结构参数，需要作不断的调整，不断的仿真，这是优化 过程，它可以通过配置优化程序完成，或者直接根据经验与要求，由操作者 来完成。为了能较快地寻到一组较好的结果，希望初始的结构参数尽量要好， 用常规设计的方法确定初始参数是一种比较好的方法。所以应该把常规设计 的方法和计算机仿真的方法相结合，以使工作更有效【2 】。 1 2 2 仿真用于制冷空调装置的控制 为了保证制冷空调装置的正常运行，必须要有一定的控制手段。在一些 先进的装置中，还采用了较为复杂的控制手段。先进的控制手段能否取得良 好的控制效果，还取决于被控制对象的特性。通过仿真，可了解被控对象采 用控制手段后的性能，为选择与修正控制方案提供依据。如果能建立有效的 仿真模型，对于各种控制参数下装置工作过程进行仿真，就可以确定合适的 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 控制参数。现在一些新的控制手段，所能达到的控制效果可以更好，但需要 的被控对象的信息也会要求更多。在这种情况下，更需要建立一个较好的系 统仿真模型【2 】。 1 2 3 仿真用于制冷空调装置的发展趋势 人工智能的研究、发展和应用是当代科学技术发展的一个重要特征。尽 管目前人们对人工智能的发展途径还存在着不同认识，甚至少数人对人工智 能持否定态度，但是人工智能的研究还是在不断地前进，特别是某些具体技 术正在被人们应用于实际生产和生活中，并且已经产生了明显的经济效益和 社会效益。系统仿真方法作为一种预测实际对象特性的理论手段，由于得到 来自科学技术发展和社会需求的双重支撑，必将向着更加全面、更高层次发 展。其中，人工智能的引入将积极地促成系统仿真从原来纯粹的数学模型和 算法研究转向仿真技术及其研究方法的智能化，并随着人工智能和经典数学 模型的深入结合而得到不断的发展【引。 所谓制冷空调装置智能仿真方法，通俗地讲，就是将现代人工智能技术 引入到制冷空调装置的系统建模和仿真研究来。单纯的人工智能技术如神经 网络理论、模型理论和专家系统都属于无模型方法，其方法本身不依赖于模 型，具有较强的适应性。因而，将现代人工智能技术与经典的数学模型相结 合，将理论模型中的一些复杂的、经验性的、甚至是不确定性的环节归入人 工智能模块，从而达到简化理论模型，提高计算效率，加大仿真精度的目的。 1 3 人工神经网络理论概述 本文将采用人工智能技术中的神经网络理论对制冷系统一些部件的传统 仿真模型进行改进，故对人工神经网络理论进行简要概述。 人工神经网络是生理学上的真实人脑神经网络的结构和功能、以及若干 基本特性的某种理论抽象、简化和模拟而构成的一种信息处理系统。从系统 3 哈尔滨：r 程大学硕士学何论文 观点看，人工神经网络是由大量神经元通过极其丰富和完善的联接而构成的 自适应非线性动态系统【3 】。 人工神经网络以其独到的联想、记忆、贮存和学习功能在诸多领域受到 了广泛关注，其中b p 网络以其良好的非线性映射逼近能力和泛化能力以及 使用的易实现性在模式识别、智能控制、信号处理、非线性优化等领域得到 了大量的应用，显示了其巨大潜力【4 】。 1 3 1 生物神经元与人工神经元模型 在人类大脑皮层中大约有1 0 0 亿个神经元，这些神经元互相连接，构成 一个错综复杂的网络。神经元是基本的信息处理单元。生物神经元主要是由 树突、细胞体、轴突和突触组成【5 】。其结构示意如图1 1 ： 图1 1生物神经元结构示意图 生物神经元各部分的功能如下：树突，接受其它神经元传递过来的信息； 轴突，发出信息；细胞体，处理信息；突触，两神经元的结合部，决定了神 经元之间相互作用的强弱。 人工神经元是对生物神经元的抽象与简化，其结构示意如图1 2 ： 4 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 图1 2 人工神经元结构示意图 人工神经元模型的数学模型： 咒= 厂( _ 一b ) ( 1 - 1 ) = l 式中：x 代表其它神经元传递过来的信息 w l ，代表神经元i 与神经元之间的连接强度，称之为连接权 岛代表神经元i 的阀值 。 以) 激发函数，执行对神经元所获得的网络输入的变换 激发函数最广泛采用的是s i g m 。i d 函数：厂( x ) = 再 1 3 2 三层b p 网络的算法描述 b p 算法又称误差反向传播算法( e r r o rb a c kp r o r a g a t i o n ，简称b p ) ，其基本 思想是，学习过程由信号的正向传播与误差的反向传播两个过程组成。这两 个过程周而复始地进行，权值将不断被调整，这就是网络的学习过程【e 】。 在众多的神经网络中，b p 网络是应用最广泛的一种，而三层b p 网络又 是b p 网络中最常用的，其网络结构如图1 3 所示： 从理论上讲，采用s i g m o i d 转换函数的三层b p 网络可以以任意精度逼 近任一连续函数【3 】。这也是人工神经网络能够在工程研究领域获得广泛应用 的重要原因【，】。 5 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 a ( k ，1 ) a ( k ，2 ) a ( k ，f ) a ( k ，玎) 输入层中间层输出层 图1 3 三层b p 网络结构示意图 1 3 2 1 学习过程算法描述 y ( k ，1 ) y ( k ，2 ) y ( k ，f ) y ( k ，g ) 图1 3 给出的三层b p 网络结构，它由输入层、中间层( 隐含层) 、输出层 组成。其中a ( k ，f ) ( 简写为a 船，以下表示相同) 为输入模式向量，k = - i ，2 ，m 为 学习模式编号，卢1 ，2 ，川为输入层单元编号；产l ，2 ，护为中间层单元编号， w “卢1 ，2 ，刀；产1 ，2 ，护) 为输入层的第f 单元与中间层的第单元的连接权， 为清晰起见，图1 3 中只画出一组示意，实际上每组均有。t = l ，2 ，q 为输出 层单元编号，吁舻l ，2 ，护；t = l ，2 ，g ) 为中间层的第单元与输出层的第，单 元的连接权，同样为清晰起见，图1 3 中只画出一组示意。另外的变量有： 中间层各单元输出阀值o j 、输出层各单元输出阀值m 学习模式输出数组脚、 中间层各单元的输入、中间层各单元的输出、输出层各单元的输入如、 输出层各单元的输出、输出层各单元的一般化误差如、中间层各单元的一 般化误差e 酊等，各下标变量的取值范围同上。 本文采取的b p 网络是有教师示教的学习模式，设第k 个学习模式对表 述为 a k ，( f - 1 ，2 ，功，y k , ( t = l ，2 ，9 ) ) 。当一对学习模式提交给网络后，网络的 希望输出与实际输出偏差的均方值为： l 乓= ( 儿一) 2 2 ( 1 - 2 ) 6 哈尔滨1 ：稗入学硕+ 学位论文 学习过程是使& 随连接权的修正按梯度下降原则进行： 叱一口嚣，咄一售 ( 1 _ 3 ) 由此公式，可以推导出它们的具体表达式： = 嘁，= 摩j c a k , ( 1 - 4 ) 其中：= 厂( ) ，= 嘞- - o j ，= ( 一) ( 1 一) ，= 厂( 乇) ， 乇：p 一，：( q 办i = 1 ) b k j ( 1 一) 箕中的厂为s i g m 。i d t = 函l 数：如) ：1 ( 1 + p ，同理，可推导出阀值的调整量： 缸= 一毗，a o ，= 一鬼 ( 1 - 5 ) 如此对所有可能的学习模式进行，同时计算全局误差： ( 1 - 6 ) 当全局误差达到预先设定的极小值时，学习过程结束，否则计算误差梯 度调整权值、阀值继续进行学习，如图1 4 所示。若全局误差能够达到预先 设定的极小值则学习收敛，即学习成功。 1 3 2 2 回想过程算法描述 若学习成功，网络结构的各连接权及阀值被确定下来，当有任务要完成 时，可以提交给网络，从网络获得输出。设提交给网络的输入为a ，( 卢1 ，2 ，刀) ， 通过输入层各单元与中间层各单元的连接权及中间层各单元的阀值，按下式 求得中间层各单元的输入： s ，= 4 一d ，户l ，2 ，p ( 1 7 ) i = 1 由s i g m o i d 函数得出中间层各单元的输出易钡劝，再由中间层各单元的 输出及中间层各单元与输出层各单元的连接权及输出层各单元的阀值，按下 式计算输出层各单元的输入： 7 哈尔滨j f ：稃人学硕士学 7 ：论文 p = 1 y j t b j - r j ，t = l ，2 ，q ( 1 - 8 ) j = l 由s i g m o i d 函数得出输出层各单元的输出斥欹d ，( 产l ，2 ，g ) ，即为回 想结果。 图1 4b p 算法学习过程流程图 1 4 国内外的研究现状 通过计算机仿真代替繁复的样机制造与实验，并在仿真基础上分析制冷 系统各部件能力及制冷系统整机能力，是制冷界设计方法现代化的发展趋势。 8 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 国际上制冷系统计算机仿真研究始于2 0 世纪7 0 年代末、8 0 年代初f b 】【9 l ，国内 相关方向的研究始于8 0 年代中后期。期间众多学者为仿真技术在制冷领域的 应用做出了不懈的努力，他们的工作对今天的研究具有重要的借鉴意义。 西安交通大学张华俊等人用步进法建立了冷风型空调系统的稳态模拟模 型 1 0 j ，其中的换热器部分，模型中考虑了翅片形状、管排等因素对换热的影 响，并且验证此模型对空调器模拟的可靠性，进而预测了蒸发器、冷凝器迎 面风速的变化对空调器性能的影响。 j o h nj u d g e 、r e i n h a r dr a d e r m a c h e r 研究了应用单- $ u 冷剂和混合制冷剂 时的情况，分制冷剂、管道及翅片和空气三方面讨论了换热器的稳态和暂态 模型1 i 】。 j a m e e l u r - r e h m a nk h a n ，s y e dm z u b a i r 提出了特征性能系数曲线来表现 不同状况下的系统特性，并用实验关联式建模对整个系统进行动态仿真，提 出了换热器优化的方向【佗l 。 伏龙归纳了用于蒸汽压缩式制冷装置稳态仿真的基本方法，说明了各种 方法的优点和缺点，并指出了今后的研究方向 1 3 1 。 在r n n k o u r y 、l m a c h a d o 、k a r i s m a i l 提出的模型中，把蒸发器 和冷凝器分成好多控制容积，对于每一个控制容积列出与时间有关的质量、 动量和能量平衡方程，通过改变压缩机速度和阀门开度的组合来使蒸发器出 口过热 1 4 1 。 东南大学张小松等人运用空调器的分布参数数学模型，对空调换热器进 行系统优化研究b s 。他认为，空调制冷系统中的换热器要通过调整其结构参 数使整个系统达到最优才是空调器设计的目标所在，即系统目标的优化才是 空调换热器优化的归宿。 随着h c f c s 替代工作的进展，有学者建议将一些非共沸制冷剂作为替代 品用于制冷装置中，浙江大学张绍志、陈光明提出了翅片式蒸发器的分布参 数模型，用以模拟采用r 4 0 7 c 为制冷工质时空气侧的结霜过程 1 6 1 。 西安交通大学朱瑞琪等人建立了制冷系统的多输入多输出模型，系统模 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 型中包含了用集中参数法和相移动边界法建立的热交换器动态模型，引入“平 均空泡系数 的概念，得到简单的控制模型m 。 上海交通大学丁国良、张春路研究了系统仿真所用的动态和稳态模型f 2 】， 并且针对制冷系统稳态仿真算法设计不规范造成的概念和逻辑上的混淆，提 出一种通用的算法设计方法，给出了完整的操作准则和具体步骤l l s 。另外， 把人工神经网络应用在冷凝器的仿真中【9 】，在国内率先提出了智能仿真的概 念。 陈红等人基于过程物理机理，建立了制冷空调系统冷凝器分布参数动态 数学模型，结合冷凝器的工作特点确定了具体的仿真算法。并且对冷凝器的 动态与静态特性进行了较为全面的仿真分析：o 】。 王婷等人建立了小型制冷系统的稳态模型，实现了相关物性参数计算的 程序化以便于模型的数值求解。在蒸发器模型中提出了析湿系数的新算法， 加速了模型的计算【2 i 】。 另外，上海交通大学制冷与低温工程研究所，在国家自然科学基金和其 他各类基金的持续资助下，在国内率先完成了一套较为成熟的理论成果，并 为美国c a r r i e r ，f o r d 等著名国际公司提供设计软件，在此领域的研究中走在 国际前列。 1 5 本文要做的工作 本文取典型的蒸汽压缩式制冷系统为研究对象，选取常用工质r 2 2 ，对 此制冷系统进行稳态仿真，该系统主要由四大部件组成：压缩机、冷凝器、 节流阀、蒸发器，其中采用毛细管作为节流阀。参考相关的资料，在己有的 理论研究成果和实验数据的基础上，进行以下几点工作： ( 1 ) 对于部件毛细管，根据制冷剂在毛细管内的流动特性，在适当的假 设条件下，建立合理的数学模型，对模型进行算法设计，编写相应的子程序 与独立运行计算程序。 1 0 哈尔滨t 程大学硕+ 学传论文 ( 2 ) 对于部件压缩机，同样选取适当的仿真模型，作出合理的假设，建 立数学模型并设计算法，分别编写子程序与独立运行的计算程序。 ( 3 ) 对于部件冷凝器，分析几种仿真模型的优劣，并进行选取，为了能 充分反映冷凝器的特性，采用准确性高的稳态参数模型。对冷凝器进行必要 的假设，建立数学模型，最后设计相应的算法，编写子程序与独立运行的计 算程序。 ( 4 ) 对于部件蒸发器，与冷凝器相似，通过分析蒸发器的换热及其内部 制冷剂的流动特性，建立准确性高的稳态参数模型。但是由于蒸发器模型较 冷凝器模型复杂，所以需要进行必要的简化，建立数学模型后，设计算法， 编写子程序与独立运行的计算程序。 ( 5 ) 建立完善并且具有可执行性的蒸汽压缩式制冷系统的数学模型，将 上述的各个子程序连接起来，开发蒸汽压缩式制冷系统的仿真软件，力求做 到界面美观易用，计算快速准确。并对所编写的各个独立运算程序的仿真结 果进行验证，从而验证软件的正确性。 哈尔滨1 ：程人学硕十学位论文 第2 章毛细管仿真模型 2 1 制冷剂在毛细管中的流动特性 毛细管由于价格低廉，结构简单，可靠性好，有利于降低制冷空调的成 本，因此在小型制冷装置中得到了较为广泛的应用。毛细管连接冷凝器和蒸 发器，无疑是小型制冷装置的关键部件之一，虽然其几何结构简单，但其内 部流动非常复杂。 毛细管 冷凝器 蒸发器 图2 1毛细管的物理模型 从图2 1 中可以看出，制冷剂在毛细管内的整个流动过程可以分为四个 区域：过冷段单相液体区，亚稳态单相液体过热区，亚稳态气液两相区和热 平衡段气液两相区。首先，制冷剂以过冷液体状态进入毛细管，在过冷液体 区，制冷剂温度基本不变，而压力线性下降；接下来进入亚稳态区域，尽管 压力已经下降到温度所对应的饱和压力，但由于此时液体的汽化是需要一定 的过热度的，即在满足热力学平衡的基础上，还要满足力学平衡，克服相问 的压力差后才会产生气泡，所以汽化并没有立即发生，而是在下游的某一点 上才会发生；进入气液两相区亚稳段后，管中开始出现第一个汽泡，温度急 剧下降，压力降变为非线性变化；随后进入到气液两相区热平衡段，此段压 力降也呈非线性变化，压力降低，温度降低，由于摩擦产生的压降以及汽相 的产生，造成加速压降的增大，故压力和温度都下降的很快，此时制冷剂已 1 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 达到热力学平衡状态，但温度始终对应于饱和温度，压力为该饱和温度所对 应的饱和压力【2 2 1 。 工质在毛细管距离入u 的长度 图2 2 制冷剂流过毛细管时的压力和温度典型分布 工质在毛细管内的压力变化如图2 2 所示，r 和只分别表示制冷剂在毛 细管内的沿程压力和制冷剂沿程温度所对应的饱和压力。制冷剂以过冷状态 进人毛细管，沿程压力p v 大于沿程温度所对应的饱和压力只，由于流动摩擦 阻力使压力尸v 下降，对于液体制冷剂，可以认为是不可压缩流体，即温度与 压力无关，同时考虑到绝热流动，故液体温度不变，因而制冷剂温度对应的 饱和压力只不变。当下降到两者相等时，制冷剂便无法保持液体状态，要发 生液相到汽相的相变，将发生闪发现象，即图中理论闪发点。实验研究表明， 当r 下降到理论闪发点后，并不是立刻发生闪发，而是r 继续下降，温度 还是保持不变( 即只保持不变) 。正如上文所述，这是因为生成气泡既要满足 热力学平衡条件还要满足力学平衡条件。这时制冷剂液体会在毛细管内形成 一个温度高于制冷剂压力对应的饱和温度的“过热”液体区，即所说的亚稳 定液体状态。但亚稳定液体状态很不稳定，一旦受到小的扰动，平衡就会被 破坏，液体真正开始闪发，即图中的实际闪发点。这个过程中压力r 和只 13 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 都开始下降，但由于气泡成分较少，p ，和只的相差还较大，所以力平衡占主 导地位，从总体上还表现为亚稳态，不过这个过程相当短暂。随着气相份额 的增加，制冷剂平均比容上升，流动速度迅速加快，流动的摩擦阻力增加， 制冷剂压力p ， j h 速下降，气泡的生成趋于剧烈而无序，力平衡削弱而热力学 平衡占主导地位，从而很快过渡到热力学平衡下的气液两相流动1 1 2 4 2 s 】。 p c h 背匪p b 诎 图2 3 毛细管背压与流量的关系 毛细管两相区内的制冷剂压力下降很快，这意味着制冷剂流速迅速上升 可以拉近甚至达到当地音速。如果制冷剂在毛细管内部达到音速，这就引出 了毛细管的壅塞流动问题。如果制冷剂在毛细管内部达到音速，则由于制冷 剂在毛细管内将进一步加速，从而出现超音速流动，这是违背热力学第二定 律的。根据热力学第二定律可以知道，如果毛细管内流动出现壅塞，则制冷 剂在毛细管出口达到音速。这时毛细管出口处的制冷剂压力将大于或等于毛 细管的背压( 对于制冷系统而言，毛细管的背压就是蒸发器的进口压力) ，制 冷剂流量也将不再受到毛细管背压的影响。如图2 3 所示，图中实线表示制 冷剂的实际流量，当毛细管的背压低于压力如后，制冷剂流量便不再改变； 虚线表示如果不考虑壅塞流动，那么制冷剂流量在毛细管背压低于压力如 后将下降，这显然是不真实的1 2 1 1 2 6 1 。 1 4 哈尔滨j r 稃大学硕十学位论文 2 2 绝热毛细管分布参数模型 根据上述的分析，对毛细管实际的模型进行必要的简化，使其在达到模 型精度要求的同时，模型不至于太复杂，从而简化模型的程序化设计。为了 建立合理而有效的绝热毛细管的数学模型，将采用如下几点假设【2 】： ( 1 ) 由于毛细管的管径很细，所以按一维流动考虑。毛细管内流动是一 个短暂的过程，故忽略与外界的热交换，认为毛细管内的流动为一维绝热流 动； ( 2 ) 制冷剂在毛细管内的高速流动，造成气、液两相充分混合，气、液 相的流动速度较为接近，可以不考虑相间的滑动，故按均相模型处理； ( 3 ) 亚稳态流动现象是一种不稳定的现象，目前尚无公认结论。而且亚 稳态流并不影响模型的通用性，若获得较为成熟的结论后，可以通过简单的 方式接入已有的模型和程序，故忽略亚稳态流动； ( 4 ) 忽略毛细管内径不一致和内表面粗糙程度不均匀对结果的影响。 2 2 1 模型的建立 由流体力学知识可知，对于任何的流动过程，都可以建立连续性方程、 能量方程和动量方程为主体的基本数学模型。对于本文研究的制冷剂在绝热 毛细管内的流动也不例外。 连续性方程： 肌：手d 2 g = c o n s t ( 2 1 ) 4 、7 能量方程( 绝热) ： j l z + 去g 2 v 2 = c o n s t ( 2 2 ) 动量方程： 一d p = g 2 d v + 丢丢v g 2 d l ( 2 - 3 ) 1 5 哈尔滨丁稗大学硕十学位论文 其中p 、v 、m 、g 分别为流体的压力、比容、质流量和质流密度，d 和 三分别为毛细管的内径和长度，厂为沿程摩阻系数。 方程的离散采用有限差分方法，将制冷剂在毛细管内的流动沿管长划分 若干微元，则对其中的某一微元有： 连续性方程离散化： m l = m 2( 2 - 4 ) 能量方程离散化： 啊+ 1 g 2 v 1 2 = 红+ 1 2 g 2 ，2 2 ， ( 2 5 ) 动量方程离散化： p 。唱_ g 2 飞) + 譬址 ( 2 - 6 ) 其中，下角标1 ，2 ，m 分别表示微元的进1 2 1 参数、出1 ：3 参数、平均参数， 址为微元段长度。 2 2 1 1 过冷单相区 过冷区中，过冷液体可视作不可压缩、比容不变，从而式( 2 5 ) - - i 简化为： 啊= h ：( 2 - 7 ) 由于在一般情况下液体焓可看作只是温度的函数，故由式( 2 7 ) 可知过冷 区的液体温度不变，则摩阻系数不变。由式( 2 6 ) n - - j 求得过冷区的长度为： k 2 巧2 d a 丙p s c ( 2 8 ) 其中，p 表示压降，下角标职表示过冷区。 2 2 1 2 气液两相区 对于气液两相区，按本文采取按温降均分为若干个控制容积，两相区焓 和比容的计算为： 1 6 哈尔滨t 稗火学硕十学何论文 h = + x ( 唿一t ) ( 2 - 9 ) 1 ，= 吩+ x ( k v f ) ( 2 - 1 0 ) 其中，下角标厂和g 分别表示饱和液体和饱和气体。将式( 2 - 9 ) 和( 2 - 1 0 ) 代入式( 2 5 ) 中，整理得： h f 2 + 碱：也) + 譬饥：嘞k 】2 - 啊+ 譬 ( 2 1 1 ) 式( 2 11 ) 可整理成关于干度x 2 的二次方程： + h 2 + c = o 式中口：丢g 2 ( ，g ：一_ ：) z ，6 ：g z v ，：( 飞：一吁：) + 唿：一h j ： c ：丢g z ( 哆：一订) + _ ：一7 i i 考虑到干度值在0 和1 之间，求解方程后有： 一bj - 4 b 2 4 a c x 22 五一 ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 已知了控制容积的出1 2 1 压力和干度，就可确定控制容积的出1 3 状态，从 而由式( 2 6 ) 可确定控制容积的长度： 业t p = 瓦2 d z 【p l - p 2 - 6 2 ( v 2 一h ) 】 ( 2 1 4 ) 对两相区所有控制容积的计算长度求和，可得到整个两相区的计算长度： 岛= ( 址牙) ( 2 - 1 5 ) 2 2 2 壅塞流 随着毛细管背压的降低，制冷剂流速开始增加，流量加大，当流速达到 音速时，此时的流量为极限值，出现“壅塞”，此后制冷剂流量不再受到毛细 1 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 管背压的影响，将一直保持不变，因此在计算流量时对此必须加以考虑。 壅塞流量的计算公式为： 式中： 2 2 3 摩阻系数的计算 瓯= 胃钉 ( 2 1 6 ) 去：盟拿一了d v g ( 2 - 1 7 ) g ：gs g s fd p d p 击：盟拿一了d r ( 2 - 1 8 ) g 苦s g s f 却 d p 关于毛细管内摩阻系数的计算，本文采用c h u r c h i l l 关联式【：7 ：8 】【z 。】，因为 该关联式可覆盖整个雷诺数r e 区域，并考虑了毛细管内粗糙度的影响。 同脚2 + 赤 西 9 ， 式中彳= 2 4 5 7 i n 而酽南】 1 6 ，b - ( 3 7 5 3 。r e ) 1 6 ，趾= 了g d 其中，f 为粗糙度，为动力粘度，在相对粗糙度s d 无法确定时，可考虑 取3 2 7 x 1 0 4 。 对于气液两相区摩阻系数的计算，只需在r e 数的计算中采用平均粘度万 即可，本文采用m c a d a m s 模型1 3 0 1 ： 三：三- t 1 - 一x ( 2 - 2 0 ) 一：= 一 1 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 2 3 算法设计与程序验证 2 3 1 算法的设计 本文采用毛细管的主要目的是在已知毛细管结构参数和进口条件的情况 下求解制冷剂流量以及制冷剂在毛细管出口的状态，进而确定系统的流量和 蒸发器的入口状态。输入的已知参数包括毛细管的结构尺寸( 管长与管径) ， 制冷剂进口的状态( 冷凝压力与冷凝器的出口温度) 以及蒸发器的入口压力， 输出的参数为制冷剂的流量以及制冷剂在毛细管出口的压力。 如图2 4 所示，采用二分法作为迭代算法，计算流程描述如下： 步骤一：假设毛细管出口压力，根据已知计算出毛细管的壅塞流量，并 以此流量来计算每一微元长度，累加后即可得到毛细管的计算总长度。 步骤二：将计算长度与已知的实际长度进行比较，当计算长度大于实际 长度时，说明此时制冷剂的质量流量己达到壅塞流量，不再改变，故调整出 口压力计算管长：出口压力的上限为冷凝压力，下限为蒸发器入口压力，取 上限与下限的算术平均值作为迭代初值重新计算管长，并与实际长度进行比 较，如果误差在收敛精度内，则转向步骤三：否则用二分法调整出口压力后， 重新计算管长；当计算长度小于实际长度时，说明制冷剂的质量流量还未达 到壅塞流量，故需调整质量流量计算管长：流量的上限为壅塞流量，下限为 0 ，取上限与下限的算术平均值作为迭代初值重新计算管长，并与实际长度进 行比较，如果误差在收敛精度内，则转向步骤三；否则用二分法调整流量后， 重新计算管长。 步骤三：输出结果，结束 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 图2 4 计算毛细管流量的算法流程图 2 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 3 2 程序的验证 参照文献【3 】附录b - 1 5 中的1 0 组实验数据，将各已知条件代入到毛细管 独立仿真程序中，计算后的仿真结果与文献中的实验数据对比如表2 1 所示。 表2 1毛细管仿真结果与文献数据的比较 序直径长度冷凝温度蒸发温度进口温度 质量流量( k g a a ) 号 m m mm p a m p a c 文献值仿真值误差 11 20 7 0 01 5 7 40 6 1 83 4 03 3 9 33 3 6 30 8 8 21 20 7 0 01 6 9 90 6 2 03 7 13 5 5 03 5 0 61 2 4 3 1 20 7 0 01 8 2 50 6 2 04 0 03 7 0 33 6 4 81 4 9 41 20 7 0 01 9 5 40 6 2 04 3 03 8 4 53 7 7 41 8 5 51 2 0 7 0 0 2 1 0 50 6 2 0 4 6 0 4 0 1 8 3 9 4 01 9 4 6 1 20 7 0 0 2 1 1 4o 6 1 95 0 1 3 6 7 l 3 6 5 2 0 5 2 71 20 7 0 0 2 1 1 0 0 6 2 04 8 13 8 1 93 7 9 5o 6 3 81 20 7 0 02 0 9 9o 6 2 14 6 0 3 9 7 7 3 9 2 61 2 8 9 1 2 0 7 0 0 2 1 0 3 0 6 2 0 4 4 14 1 4 94 0 2 2 3 0 6 1 01 20 7 0 02 1 0 l0 6 2 44 2 04 3 4 53 9 9 97 9 6 黾 堇 蚓 嫣 幂 殳 器 毛细暂背胜m p a 图2 5 背压与流量的关系 表2 1 中仿真值与文献值的比较如下：毛细管内制冷剂质量流量的相对 误差最大值为7 9 6 ，相对误差的平均值为2 0 9 ，可见仿真结果令人满意， 仿真精度达到要求。图2 5 是用仿真程序计算得出的制冷剂流量与毛细管背 压的关系。图中的曲线与图2 3 中的实曲线趋势相同，可以很好的反映壅塞 流动的现象，进一步说明了程序的准确性。 哈尔滨工稗大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章先分析了毛细管内的流动特性，对毛细管内的亚稳态流动以及壅塞 流动现象进行了说明。在一定假设的基础上，建立了绝热毛细管的分布参数 模型，根据此模型编制毛细管独立运行的仿真程序，最后根据文献【3 】中的实 验数据，对毛细管的仿真程序进行了验证。 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 第3 章压缩机仿真模型 3 1 活塞式压缩机的热力参数模型 压缩机是制冷空调装置的“心脏。从系统仿真角度讲，压缩机热力模型 主要用于确定三个物理量：通过压缩机的制冷剂质量流量、压缩机输入功率 和压缩机排气温度。其中，压缩机输入功率直接影响系统的性能，而制冷剂 质量流量和排气温度将直接影响冷凝器中制冷剂的状态和放热量，进而对整 个系统产生影响。 1234567 l - 进气阀2 一排气阀3 一气缸盖4 气缸5 活塞6 连杆7 - 曲柄 图3 1活塞式压缩机示意图 本文选用活塞式压缩机，结构如图3 1 所示。目前对压缩机数学模型的 研究，通常是作为单独的装置考虑。从系统仿真的角度研究压缩机的数学模 型，不要求准确反映其内部的具体工作过程，但是要求准确表达对系统参数 和其他部件的影响，所关心的是制冷量所产生的制冷效果，并且效率要高， 故对其进行集中参数法建模。对于压缩机模型，流量的计算是最基本的功能 之一，由于活塞每一个运动周期所需要的时间约为百分之几秒，完全可以取 每个周期中即时流量的平均值作为压缩机的实际流量，因此压缩机流量计算 模型可以采用稳态模型1 3 h 。本文以压缩机理论循环为基础建立压缩机模型， 2 3 哈尔滨t 稃人学硕+ 学位论文 同时考虑实际循环中的特性，为了使模型的精确度高、易用性强，作如下几 点假设： ( 1 ) 一个压缩工作过程非常短暂，故忽略压缩机壳体与环境的换热，将 压缩过程视为绝热过程，为了便于计算，令多变指数为定值； ( 2 ) 压缩机排气过程中的压力损失对压缩机的容积效率影响较小，故将 其忽略； ( 3 ) 忽略润滑油对工质性能的影响。 3 1 1 质量流量的确定 1 通过压缩机的制冷剂质量流量： 聊。：五丘