（农产品加工及贮藏工程专业论文）冷库集中与分散制冷模式的数学模拟及其经济效益评价.pdf

中国农业大学硕士学位论文中文摘要 摘要 采用不同的供冷方式是影响冷库经济性的主要因素之一。从供冷方式划分，制冷系统可分为 集中式与分散式两种类型。在冷库系统设计时，究竟应用哪种供冷方式符合经济性要求，这方面 国内外的定量研究很少。本文通过冷库集中供冷系统和分散供冷系统总成本的研究拟提供实际 冷库系统供冷方式选择时的定量计算手段。本文采用了制冷系统计算机仿真方法，通过冷库制冷 系统的计算机模拟研究，获得冷库不同供冷方式成本分析的通用方法。全文的主要内容包括： 1 制冷系统各个部件数学模型的建立。压缩机模型采用全稳态模型。换热器模型对制冷剂流 道内计算采用分布参数法，主要考虑各部件的系统耦合关系，忽略换热器结构形式的不同对系统 的影响，这样可以大大简化换热器模型，便于系统计算。节流阀采用电子膨胀阀，其参数选择直 接影响制冷系统的性能参数。本文在已知电子膨胀阀结构的条件下，模拟制冷剂流量。通过仿真 计算调节实现系统制冷剂流量在各处相等，从而使整个制冷系统性能模拟接近实际情况。 2 集中供冷与分散供冷系统仿真数学模型的建立。不论是集中供冷系统还是分散供冷系统， 仿真模型建立的原理都是相同的，都是基于四大部件之间进出口参数的耦合关系。集中供冷系统 仿真数学模型的主要特点是压缩机可以根据蒸发器总负荷大小选择性开关不同的档位，相应的输 入输出参数也随之改变。分散供冷系统的主要特点是相当于存在多个单独的小制冷系统。 3 冷库制冷系统的实验验证。在部件模拟的基础上，对冷库制冷系统进行了稳态仿真，仿真 结果与实验数据吻合良好。 4 冷库系统经济性分析。采用寿命期内单位冷量总成本指标来评价冷库集中供冷与分散供冷 系统的经济性，这种算法体现了不同系统在经济性上的可比性。通过分析得出：在冷库常用工况 蒸发温度- - 1 8 c ，冷凝器温度3 5 c ，过热度9 ，过冷度1 0 c ，运行成本只考虑直接运行成本条 件下t 冷库采用分散式供冷系统经济效益好于集中式供冷系统，并且在冷库使用初期经济效益优 势更明显。 5 软件编制年n 用v i s u a l b a s i c 6 0 程序设计语言，编制可视化冷库集中供冷与分散供冷系统 成本分析软件，为进一步研究冷库成本优化问题提供快捷手段。 关键 司：冷库，集中供冷，分散供冷，数学模型，经济性分析，v i s u a lb a s i c6 0 中国农业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t c o o l i n gd i s t r i b u t i o nm o d ei nr e f r i g e r a t e ds t o r a g es y s t e mi s am a i nf a c t o ri m p a c t i n gt h ec o s to f r e f r i g e r a t e ds t o r a g e a c c o r d i n gt ot h em o d eo fc o o l i n gd i s t r i b u t i o n ，r e f r i g e r a t i o ns y s t e mc a nb ed i v i d e d i n t oc e n t r a l r e f r i g e r a t i o ns y s t e ma n ds e p a r a t e dr e f r i g e r a t i o ns y s t e m s of a ra st h eq u a n t i t a t i v e c o m p a r i s o nb e t w e e nb o t hm o d e si ns y s t e md e s i g no fr e f r i g e r a t e ds t o r a g ei sc o n c e m e d ，t h e r ea r eh a r d l y r e p o r t sa th o m ea n da b r o a d t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h eo v e r a l lc o s to fc e n t r a lr e f r i g e r a t i o ns y s t e ma n d s e p a r a t e dr e f r i g e r a t i o ns y s t e mi nr e f r i g e r a t e ds t o r a g ea n dg o tap r a c t i c a la p p r o a c ht oc h o o s i n gd i f f e r e n t c o o l i n gd i s t r i b u t i o nm o d ei nr e f r i g e r a t i o ns y t e md e s i g no fr e f r i g e r a t e ds t o r a g e b ym e a n so fc o m p u t e r s i m u l a t i o nf o r t h er e f r i g e r a t i o ns y s t e m ，t h ep a p e rp r e s e n t e dag e n e r a lm e t h o dt oc a l c u l a t eo v e r a l lc o s to f r e f r i g e r a t e ds t o r a g ew i t hd i f f e r e n tc o o l i n gd i s t r i b u t i o nm o d e s t h em a i nc o n t e n t so ft h ep a p e ra r ea s f o l l o w s ： 1 f o r m u l a t i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ff o u rm a j o rs e g m e n t si nt h er e f r i g e r a t i o ns y s t e m c o m p r e s s o rm o d e l i n gi sb a s e do nas t a b l es t a t em o d e l a n dt h ed i s t r i b u t i o np a r a m e t e rm e t h o di sa p p l i e d t ot h er e f r i g e r a n tt w o - p h a s ef l o wi nt h et u b eo fe v a p o r a t o ra n dc o n d e n s e r t h e r e i nt h e a t t e n t i o ni s f o c u s e do nt h es y s t e mi n t e m a lc o u p l i n gi nh e a te x c h a n g e rm o d e l i n g ，w h i c ha v o i d st h ee n t a n g l e m e n t f r o mt h ec o n f i g u r a t i o no fh e a te x c h a n g e r a n dt h ee l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v ei ss e l e c t e da st h et h r o t t l e i nt h em o d e l s a c c o r d i n gi ot h ek n o w ns t r u c t u r eo ft h ee l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v e t h er e f r i g e r a n tf l u xi s s i m u l a t e da n da d j u s t e df u r t h e rt ob ee q u a lw i t ht h er e f r i g e r a n tf l u xo fc o m p r e s s o r t h u s ，t h es i m u l a t i o n i sm o r ec l o s et ot h ep r a c t i c e 2 b u i l d i n gu pt h es i m u l a t i o nm o d e l so fc e n t r a lr e f r i g e r a t i o ns y s t e ma n ds e p a r a t e dr e f r i g e r a t i o n s y s t e m b o t hc e n t r a lr e f r i g e r a t i o ns y s t e mm o d e la n ds e p a r a t e dr e f r i g e r a t i o ns y s t e mm o d e la l eb a s e do n t h ep a r a m e t e rc o n p l i n gc o n n e c t i o no fd i f f e r e n ts e g m e n t si nt h er e f r i g e r a t e ds t o r a g es y s t e m a n dt h e c a p a c i t i e so fc o m p r e s s o rc o u l db es e l e c t e db yo n - o f f s w i t c ha l o n gw i t ht h ec h a n g eo fb u r t h e no f e v a p o r a t o r , w h i c hi sam a i nc h a r a c t e r i s t i co ft h ec e n t r a lr e f r i g e r a t i o ns y s t e mm o d e l w h i l et h es e p a r a t e d r e f r i g e r a t i o ns y s t e mm o d e lr e s p o n d st ot h em u l t i - s m a l li n d e p e n d e n tr e f r i g e r a t i o ns y s t e m 3 c o n d u c t i n gt h es i m u l a t i o no fr e f r i g e r a t e ds t o r a g es y s t e ma n dt h ee x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o no ft h e s y s t e mm o d e l s o nt h eb a s i so fe a c hs e g m e n ts i m u l a t i o n ，t h ed i f f e r e n tr e f r i g e r a t e ds t o r a g es y s t e m sa e s i m u l a t e da n dt h er e s u i t sa r ea o e o r d a n tw i t ht h ee x p a d m e n t a ld a t a 4 a n a l y z i n gt h eo v e r a l le c o n o m i c a le f f i c i e n c yo fr e f r i g e r a t e ds t o r a g es y s t e m t h eo v e r a l lc o s tp e r u n i to fr e f r i g e r a t i n gc a p a c i t yd u r i n gt h ea v e r a g el i f e t i m ei su s e da sa ni n d e xf o rt h ee c o n o m i c a n a l y s i s o ft h er e f r i g e r a t e ds t o r a g es y s t e m 。w h i c hi n c a r n a t e sac o m p a r a b l ec h a r a c t e r a m o n gt h ed i f f e r e n t r e f r i g e r a t i n gs y s t e m s a c c o r d i n gt ot h i sa r i t h m e t i ca na n a l y s i so fd i f f e r e n tr e f r i g e r a t i n gs y s t e mo f r e f r i g e r a t e ds t o r a g ei sc a r r i e do u lu n d e rt h ec o m m o nc o n d i t i o n so fr e f r i g e r a t e ds t 0 , r a g e ：e v a p o r a t e d t e m p e r a t u r eo f 一1 8 c ，c o n d e n s e r e dt e m p e r a t u r eo f3 5 c ，s u p e r h e a ti n gt e m p e r a t u r eo f9 ca n d 中国农业大学硕士学位论文a b s l 卧c t s u b c o o l i n gt e m p e r a t u r eo f1 0 1 2 ，a n dc o n s i d e r i n go n l yt h em a c h i n ep o w e rc o s t ，t h er e s u l t si n d i c a t et h a t t h es e p a r a t e dr e f r i g e r a t i o ns y s t e mi sb e t t e rt h a nt h ec e n t r a lr e f r i g e r a t i o ns y s t e mi ne c o n o m i cb e n e f i t ，a n d t h a tt h ee c o n o m i cb e n e f i ti sm o r ep r o m i n e n ti nt h ee a r l yy e a r so ft h el i f e t i m e 5 p r o g r a m m i n gt h es i m u l a t i o ns o f t w a r ew i t hv i s u a lb a s i c6 0 as e to fv i s u a ls o f t w a r eo fc e n t r a l r e f r i g e r a t i o ns y s t e ma n ds e p a r a t e dr e f r i g e r a t i o ns y s t e mo fr e f r i g e r a t e ds t o r a g ei sd e v e l o p e dw i t ht h e p r o g r a m m i n gl a n g u a g ef o rc o s ta n a l y s i so fd i f f e r e n ts y s t e mo fr e f r i g e r a t e ds t o r a g e k e yw o r d s ：r e f r i g e r a t e ds t o r a g e ；c e n t r a lr e f r i g e r a t i o ns y s t e m ；s e p a r a t e dr e f r i g e r a t i o ns y s t e m ； m a t h e m a t i c a lm o d e l ；e c o n o m i ca n a l y s i s ；v i s u a lb a s i c6 0 m 中国农业大学硕士学位论文 主要符号表 变i ( v a r i a b l e s ) c o p c o s t d e f f 1 ，f 2 。f 3 。f 4 g 月 ， i , k , m , n , r 足 k s 工 主要符号表 m a i ns y m b o l st a b l e 传热面积( m 2 ) ； 阀孔面积( m 2 ) 制冷剂物性公式中的系数 系数 余隙容积系数； 热容 j ( k g - k 制冷系数 寿命期单位负荷总成本( 元) 直径( m ) ： 设备成本( 元) 土建成本( 元) 流通面积( m 2 ) 模型函数 基本电费( 元) 保温成本( 元) 焓值( j k g ) ： 时间( 小时) 投资成本( 元) 整型变量或系数 传热系数 w ( m 2 k 绝热或多变指数 长度( m ) 质量流率( k g s ) 脉冲数 上角标( s u p e r s c r i p t s ) ，注释 双级系统四大节点外的点 v i i i p电价( 元) ： 电力成本( 元) 压力( p a ) 功率( k w ) 换热量或制冷量( j ) 蒸发器风量( k g ，s ) 单位容积制冷量( k j m 3 ) 运行成本( 元) 活塞行程( m ) 温度( ) 流速( m s ) 比容( m 3 k g ) 压缩机输气量( m 3 s ) 给排水成本( 元) 管长( m ) 活塞与气缸之间的径向间隙 密度( k g m 3 ) 输气系数 微分符号 收敛精度 制冷剂干度 绝热效率 增量，变化值 p n q钟弘月s r m v y 宇6 p a z 破a 如 “c c 中国农业大学硕士学位论文主要符号表 下角标( s u b s c r i p t s l b e v a g g z ， 阀孔 制冷系统四大节点 空气 冷凝器 压缩机 泄漏 流量 压缩机低压级 蒸发器 气体 压缩机高压级 入口 液体，液相边界 中间 出口 压力 部分或步进电机 饱和气体 过热 饱和液体 气液两相 温度 理论计算值 节流阀 容积 总数或整体 m d p s 踞曲“，r地咖 v 2 啊 0。l l d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 土存 时间： 硒年月g 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 立杀 导师签名：弓协乏毛、 时l 虱：) t o y s - 年6 玛f g 日 时间：k f 年月训，日 第一章文献综述及立题分析 1 1 国内外冷库能源利用现状 能源是人类赖以生存、社会得以发展的物质基础。利用能源的技术水平，直接影响着物质水 平的提高和国家的经济建设。能源紧缺是一个长期的国际性问题，并且存在着能源有效利用率低 的问题。西欧各发达国家能源有效利用率多为4 0 以上能源利用率比较高的日本高达5 0 以上， 我国总的能源利用率约为3 0 ，相当于发达国家5 0 年代的水平。针对我国能源利用率低的现 状，国务院制定了能源建设的总方针：“能源开发和节约并重，近期要把节能放在优先地位，大 力发展以节能为中心的技术改造和结构改革。”围绕这一总方针，各行业兴起了以节能为目标的 研究与革新。 制冷行业作为耗能大户，节能问题不容忽视。制冷是人工制造低温( 低于环境温度) 的技术， 即消耗一定量的能量。从低温物体中取出热量( 冷量) 转移到较高温度的环境中去。因此，也可 以说，制冷是能量转换为“冷量”的工程。世界发达国家制冷消耗的能量相当大，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”1 。以美国为例，仅建筑物( 住宅与商业楼 宇) 中的空调与制冷的能耗约占全国总能耗的4 7 。在英国的工业、农业和商业中，制冷装置( 包 括空调和冷藏运输) 每年耗电量约为7 6 3 5 亿度，其中冷库耗电估计约为9 1 亿度。消耗的电力超 过全国发电量6 ”1 。据初步估算。我国制冷产品用电量已占社会总用电量的2 0 左右“1 。其中， 由于制冷工艺流程不合理，机器、设备技术落后，自动化程度低，管理水平低等原因造成大量的 能源浪费。我国制冷行业由于发展起步较晚，能源利用率较低，节能空间巨大。 冷库是冷藏业中主要的用电部门及节能的核心部门。据统计，目前我国冷库总容量己达5 0 0 多万吨，年耗电量1 0 亿度以上，冷库的动力费约为整个冷库仓储成本的2 5 - 3 0 ，在一般食 品工厂的生产中，冷库动力耗电量约占全厂总耗电量的5 0 一6 0 ”1 。长期以来。由于我国制冷 技术落后以及人们对冷库设计、操作中节能问题的忽视，致使电能的浪费相当严重。冷藏企业耗 电考核标准规定：冷库冻结物冷藏单位产品耗电量指标为0 3 k w h ( t d ) ；冷却物冷藏单位产品耗 电量为0 9 k w t v ( t d ) ；冷冻加工单位产品耗电量为1 2 0 k w - h t 。以我国冷库管理比较规范的上海为 例，上述三个指标分别为：冻结物冷藏平均单位产品耗电量0 3 5 k w - h ( t d ) ，最高单位产品耗电量 为0 9 ：2 k w - h ( t - d ) ；冷却物冷藏单位产品耗电量为0 9 9 k w h ( t - d ) ，最高单位产品耗电量为 2 1 5 k w h 心d ) ；冷冻加工单位产品耗电量为1 8 8 7 5 k w h t 。最高单位产品耗电量为2 9 4 1 6 k w h t 。 以上海年冷冻加工1 5 万吨，冻结物冷藏6 5 0 0 万吨，冷却物冷藏1 4 0 0 万吨按平均单位产品耗电 量计算，如果达到冷藏企业等级标准规定的要求，每年大约可节约用电1 4 8 2 万k w h ，经济效益 相当可观，可以节约电费大约2 3 “1 。我国其它省市冷库管理水平不及上海市，能源利用率离冷 冻企业较高等级存在的差距更大。总体看来，目前我国冷库能源利用率低，节能潜力巨大。 1 2 制冷系统节能研究进展 节能问题始终是制冷工程领域的研究热点。国际制冷界针对制冷系统节能问题展开了大量的 1 中国农业大学硕士学位论文 第一章文献综述及立题分析 研究。研究发现：要实现伟4 冷系统的节能，关键在于提高制冷系统的循环热效率。因此，深入研 究制冷系统各部件之间匹配关系，进行制冷系统和部件的优化设计以期大幅度的提高制冷系统循 环熟效率成为制冷系统除c f c s 类制冷剂替代问题外的另一热点问题。在进行制冷系统和部件的 优化设计的研究中，人们发现，传统的试验研究存在盲目性、研究周期长、研究费用大等问题， 针对上述问题，人们提出了制冷系统模拟与计算机仿真优化的理论。2 0 世纪8 0 年代至今二十几 年的研究与实践表明，该研究方法活力很大，它经历了传统的静态集中参数到动态分布参数的研 究过程，使节能设计方法更新更优1 1 o 1 2 1 制冷系统数学模型研究进展 作为系统仿真的基本单元，部件数学模型和算法的研究一直是研究者研究的重点，从二十世 纪八十年代开始，关于制冷系统部件模型的分析文章屡见报道。主要有压缩机模型、节流元件模 型、换热器模型等。 压缩机模型研究主耍有全动态模型、全稳态模型、两结点模型、神经网络模型和模糊模型。 1 9 8 2 年c h i l p l o u g - s o r e n s e n l ”在关于热泵和制冷系统的动态仿真研究中提到了全动态模型， 该模型主要用于压缩机性能的研究和改进，由于没有对各个传热传质环节进行应有的分析简化， 模型计算复杂，不适合系统仿真，现在应用较少。全稳态模型实际上就是压缩机的热力计算， m u r p h y ”“”1 和m a c a r t h u r “等在空调和热泵的仿真研究中都采用了这类模型，很显然这类模型 适用于稳态仿真对于动态仿真，应用该模型描述准稳态过程时，开机瞬态过程的仿真效果不是 很理想，需要进行线性或一阶惯性处理。两结点模型适用于制冷系统动态仿真，该模型的特点是： 将压缩机模型处理成稳态的输气环节和动态的换热环节。m a c a r t h u r ”最初应用该类模型进行预 测热泵性能的研究，丁国良和张春路”“”应用该模型研究t 4 型制冷系统动态仿真和家用空调 器动态仿真，仿真效果良好。神经网络模型由丁国良、张春路和詹涛等“”“7 提出，总体来看， 目前神经网络模型是全稳态模型的一种，由于在建模方式上与传统模型的差异，将神经网络模型 单独列为一类新模型。在此基础上，丁国良、张春路“”还尝试建立了压缩机热力计算的模糊模 型。 节流元件主要包括膨胀阀和毛细管。膨胀阀模型比较典型的是热力膨胀阀模型，热力膨胀阀 模型的研究必须结合制冷蒸发器模型一起研究，对于热力膨胀阀模型研究的比较多的是制冷蒸发 器与热力膨胀阀的稳定性问题。美国学者w e s t o e c k c r ”最早于1 9 6 6 年提出了制冷系统蒸发器 和热力膨胀阀防止振荡的重要性，十四年后，荷兰学者e m t b r o e r s e n 1 作了制冷蒸发器和热力 膨胀阀间如何防止振荡，保持稳定性的研究，找出了若干规律并付之工程实用。由于膨胀阀数学 模型研究相对较少，用于系统仿真的膨胀阀模型采用经验公式的仍很多。毛细管模型比膨胀阀模 型要复杂得多，制冷系统毛细管的研究开始于二十世纪四十年代，分布参数模型和经验关联模型 近年来研究得比较多也比较成熟。分布参数模型中以均相流模型研究为主，大量研究“”“”“” ”“7 1 ”1 表明均相流模型基本可以满足工程精度的要求。w o n g t n 和w o n g w i s e s s ”“研究 对比了均相流模型和分相流模型的计算效果，结果表明分相流模型可以更准确地模拟毛细管沿程 制冷剂参数分布，但两类模型对于制冷剂流量的影响差异不显著。最近，有研究者发现“， 由于稳态流动的影响，毛细管的流量可能存在分岔现象，这一问题还有待研究。经验关联模型 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章文献综述及立蹬分析 从关联数据的来源来看，有基于试验数据6 6 和基于通用模型的计算数据两类”“”， 考虑到毛细管通用模型研究的广泛性和成熟性，有研究者认为采用计算数据进行关联模型研究可 以排除试验中存在的诸多不确定因素，有利于提高研究效率。毛细管模型研究中还包括壅塞流动 “2 “和串、并联特性的研究，张春路、丁国良”“1 对毛细管的串、并联特性进行了初步研究。 获得了一些具有指导意义的结论。 冷凝器和蒸发器都是换热器这类模型与压缩机和节流阀相比更为复杂，对于稳态特性和动 态过程的仿真，这类模型有较大的差别。稳态模型主要用于描述并预测换热器的稳态性能，为换 热器设计和选型提供依据。根据模型参数的集中程度，稳态模型主要分为集中参数模型、分布参 数模型、分区模型以及近几年d i a zg 、p a c h c c o v e g aa 和刘浩”“”“1 等提出的神经网络模型。 集中参数模型是一类典型的单结点模型，对于没有相变的换热器，可以采用对数平均温差法来计 算换热器的稳态性能，k a y swm “”在他所著的书 c o m p a c th e a te x c h a n g e r s ) ) 中介绍了这一点。 实际上。制冷系统的换热环节都是存在相变的，二十世纪八十年代，挪威的g l o r e n z e n 教授在研 究换热器数学模型时，已经考虑到单相和两相的热质交换。对于有相变的换热器，通过集中参数 模型预测稳态性能，传统方法都是采用( 拟) 线性公式进行回归，与实际的非线性特性在机理上 并不吻合。分布参数模型“将换热器划分为许多个控制容积，对每个控制容积按集中参数 建模，这类模型由于计算量比动态分布参数大大减少且稳定性好在系统稳态仿真中得到了应用。 九十年代m a r t i n s c o s t a m l 、o s k a r s s o nsp “”1 等对稳态分区模型的研究表明，分区模型与分 布参数模型的计算偏差可以很小。又由于稳态分区模型不存在移动相边界问题，因此，考虑用分 区模型代替分布参数模型以提高计算速度在系统稳态研究时是可行的。换熟器动态模型更为复 杂。根据过程的不同分为长瞬态模型和短瞬态模型。长瞬态模型主要用于描述装置的开、停机动 态过程，常用于系统动态仿真“”“ s 6 1 。短瞬态模型主要用于描述换热器在运行过程中 因边界条件发生变化而做出的动态响应，常用于系统状态量的控制4 1 ”“”“1 ”。根 据模型参数的集中程度，动态模型也可以分为集中参数模型“5 1 ”、分布参数模 型8 5 9 】刚8 小删训汹孙7 1 1 7 2 1 和分区模型m 1 阳5 2 ”1 “，【7 。 1 2 2 制冷系统仿真研究进展 系统仿真是近几十年中发展起来的一门新兴科学技术，它主要通过建立系统模型、进行模型 实验方法来研究系统特性。早期的仿真主要是物理仿真，现代仿真技术贝凭借计算机技术及数值 计算技术的发展而不断发展。 运用系统仿真技术研究制冷空调系统，早在六十年代就已经开始，其建模所用方法、构造系 统模型和仿真模型的思路及算法也不断推陈出新，并且从系统简单设计、部件选型，逐步发展到 更新传统设计方法、模拟系统动态特性，以及优化分析和优化控制系统运行等方面。系统仿真作 为一种新型系统研究工具，对制冷空调系统研究具有重要意义。在建立制冷系统模型的基础上， 运用计算机送行仿真与优化设计，己成为国内外研究中广泛采用的一种先进方法。计算机仿真是 用计算机按照数学模型算出实际的情况，对于制冷机可以算出循环各点的参数、循环的性能指标、 制冷机的变工况特性，并进一步可以进行设计参数的优化等。通过建立被研究对象的模拟模型( 即 可由计算机程序直接表达的模型) ，在计算机上运行相应的模拟程序来进行模拟实验，达到定量 3 中国农业大学硕士学位论文 第一章文献综述及立题分折 分析的目的。制冷系统采用计算机仿真具有明显的优点： 可以解决制冷系统设计阶段出现的许多问题，避免费时的样机试验，避免不合理的结构。 尽快实现系统的优化设计。 可以扩大分析范围可用计算机仿真的数学模型检验实际试验不能实现的工况。 可以仿真试验研究时必需的而实际条件又难以实现的环境条件及减少设备费用。只要计 算机运算速度足够高，还可以缩短制冷系统的试验时间。 可以排除实际试验条件下无法排除的附加干扰的影响，从而获得所设干扰条件下反映出 来的真实信息。还可以根据所建立的数学模型，推测实际试验结果。 早在1 9 7 1 年，美国a s h r a e 能源需求研究小组就提出了运用稳态模型仿真部件和系统的程 序”“，对于制冷系统的稳态运行给出了详细的计算程序。然而由于整个系统总是处于非稳定工 况，因而对于系统的瞬态及非稳定工况运行过程的仿真就是必须的。d h a r 等”将制冷系统中发 生的连续物理过程，看作是一维小离散时间步长序列，从而建立集中参数系统模型，并进行了试 验验证。y a s u d a 等”在1 9 8 1 年提出了表征实验室规模的制冷系统动态特性的模型通过对基本 质量和能量守恒方程的时间积分，运用数值方法来求解模型，仿真结果与试验结果吻合较好。 m a c a r t h u r 等“研究了系统的分布参数特性，提出了换热器分布参数模型，获得了良好的仿真效 果，近年来，分布参数模型被广泛用于空调和热泵系统仿真中”“7 ”。k u i j p c r s 等”1 首先将空 泡系数影响引入到装置仿真研究中，弥补了m a c a r t h u r 研究的不足。陈芝久”“”等运用系统动 态仿真和优化方法研究冰箱及汽车空调系统特性及仿真优化，这一思路和技术成果具有首创性。 系统算法的研究是制冷系统仿真研究中的重要环节。目前国内外采用的制冷系统仿真算法主 要有两太类：联立求解方程组法和顺序模块法。联立求解方程组法将所有的方程和初、边值条件 联立成一种可以套用某一经典方法的格式，然后求解。常用的经典方法有e u l e r 法”、 n e w t o n - r a h p s o n # p ”、r o n g e k u t t a 法等，这类方法求解时还可以基于某些通用的求解器，如e e s 、 m a t l a b 等。这类方法的优点是不要求使用者具备很高的算法设计水平和编程能力，缺点是无 法保证计算的绝对稳定性。因此，这种方法在研究中使用的较多，但不适用于实用化仿真软件的 编制。顺序模块法1 1 “1 以特定的平衡条件为收敛准则，采用由内到外完成 各层循环的计算。这类方法的优点是计算的中间过程有明确的物理意义，计算的稳定性容易保证， 缺点是通用性不高，往往要结合实际循环调整或重新设计算法流程，这类方法还要求研究者具备 较强的算法设计和编程能力。目前，这类方法广泛应用于实用化仿真软件的开发。 近年来，国内冰箱空调公司为使其产品节能更具竞争性，对制冷系统动态特性及优化设计问 题的研究也提出了强烈要求，不少公司还和大学研究机构联合研究，如科龙、海尔、春兰集团等 公司与上海交通大学合作进行制冷空调系统计算机动态仿真、优化及c a d 研究，以提高其产品的 性价比。由于小型制冷空调装置的量最大，面最广，因此公司对其加大投入进行研究开发，既有 理论价值又有很高的经济价值j a i l 1 2 3 制冷系统集中供冷与分散供冷研究 制冷系统作为食品企业的能耗大户，其经济性严重影响企业的运行成本，而制冷系统设计不 同，又决定了冷库的总投资成本不同以及运行成本不同。从制冷系统供冷方式划分，制冷系统可 4 中国农业大学硕士学位论文 第一章文献综述及立题分析 采取集中式与分散式两种供冷方式。 集中式供冷是把制冷装置的主要机器、设备安装于特设的机房内，设气、液调节站，用供液、 回气管道把各库房的冷却设备连接起来。它的一套制冷装置可以承担冷加工、冷藏、制冰等多种 制冷负荷，同时向若干库房供冷。工质为氨的，一般采用集中式供冷，如图i - i 。工质为氟利昂 的一般采用分散式供冷。分散式供冷又可分为分体型和组合型。分体型分散式供冷是把制冷压缩 冷凝机组布置在库房外面，用管道把库房内冷却设备连接起来，如图i - 2 。而组合型分散式供冷 是把制冷压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器以及必要的附属设备在制造厂组装起来，成为一套紧 凑、商效、具有全自动性能的制冷机组，如图1 - 3 。 田i - i 集中式供冷方式 1 嗣) 压缩机2 贮液蔫3 低压镛环贮液桶4 气、渣调节站5 湾却器 圈1 - 2 分散式供) 方式分体型 1 压缩冷凝机组2 冷却叠 田1 - 3 分散式供冷方式组合型 1 翻冷压缩冷却机组 5 集中式供冷出现于2 0 世纪5 0 年代。集中式制冷装置有两方面的优势：一是部分负荷运行时可 以利用全部冷凝器换热表面，这意味着运行中平均冷凝压力较低；二是在调节容量时具有较大的 灵活性，其优势的大小取决于采用的压缩机的台数和控制系统。缺点是：集中式供冷的制冷效率 不稳定，设备选配不当，与负荷不相匹配时，易造成“大马拉小车”现象；一部分库房热负荷波 动会影响其它库房工况的稳定，只要有一间库温度上升，主辅机就要全部运行，管道长阻力大， 总耗电量大；漏氨量大，一旦漏氨发现，已引起严重失误；管理范围大，对管理人员技术水平要 求高；供电与动力系统复杂，机组重、体积大，生产、安装使用的金属材料多，现场安装调试工 作量大。目前，我国大型冷库一般采用集中式供冷系统。 8 0 年代以来，分散式系统在国外发展很快。在两种情况下采用分散式制冷系统是合理的。 一种情况是有多个热负荷，各热负荷的大小和温度要求又不同时。例如气调库，考虑到气调库适 应贮藏不同品种和不同产地果蔬的需要，每间气调间的温度经常要求控制在不同点，若设定多个 温度且各温度间温差较大，使用集中式制冷就会带来控制困难的问题，这种情况采用分散式制冷 比较适宜。另一种情况是各用冷的场所相距较远，即各蒸发器相距较远，这时制冷的分配损失增 大，控制方面的投资明显增加。这种情况也适于采用分散式制冷。除了上述两点，分散式供冷还 有其它一些优缺点。就日常运行管理讲，分散式系统小而简单，易于控制，不需要熟练冷冻技工： 就安全可靠性讲，单机制冷量小，制冷剂充注量少，万一氟利昂泄露时，对商品及环境的影响较 小；但氟利昂对臭氧层有破坏作用，从长远来看，危及人类健康及生态平衡；就设计、安装、施 工讲，分散式系统工艺设计简单，库容量利用率高，现场安装调试容易，工期短，费用少：但就 设备投资讲，制冷系统小型化，制冷设备方面投资增加。 上面的资料显示，制冷系统采用集中式供冷或者分散式供冷各有其优缺点。目前，日本、英 国、美国、瑞典、法国等国正广泛推广分散式供冷系统。我国多数冷库采用以氨为制冷剂的集中 式供冷系统，近几年一些新建中小型冷库也逐渐采用分散式供冷系统，主要应用于贮藏水果蔬菜 的气调库。但是在冷库系统设计时，究竟应用哪种供冷方式更适宜，这方面的定量研究还很少， 本文试图通过集中式供冷和分散式供冷投资成本和运行成本的数学模型研究，为实际冷库系统供 冷方式选择与优化设计提供定量的科学计算的手段。 1 3 立题意义 关于制冷空调计算机模拟国内外研究的较多，而冷库系统计算机模拟研究相对较少，并且多 数研究也主要侧重于制冷系统四大部件选型匹配，而系统整体的模拟优化及模拟模型应用方面的 研究较少，生产实际中存在一定制冷量条件下单一系统集中供冷和多个系统分散供冷问题，制冷 系统采用集中式供冷或者分散式供冷各有其优缺点，分析比较在建设成本与运行节能方面上述两 种系统的优劣是实际生产管理者关心的问题。以往基于传统的经验法和类比法无法很好的达到分 析此娄问题的目的，而通过实验来研究需要大量的费用和时间，并且无法避免由于客观和人为因 素导致的实验偏差，由于上述原因致使此类研究长久以来停滞不前，8 0 年代开始制冷系统模拟仿 真的研究为此类研究带来了生机。随着各国制冷系统计算机仿真研究的日益成熟，我国也开始致 力于运用制冷系统计算机仿真研究大型复杂的制冷系统，本课题就是在这一大趋势下根据生产实 6 中国农业大学硕士学位论文 第一章文献综述及立题分析 际要求而进行的。课题拟运用制冷系统模拟仿真的方法分析制冷系统一定制冷量条件下单一系统 集中供冷和多个系统分散供冷两种方式初投资成本和直接运行成本总和的问题，解决实际冷库系 统供冷方式选择的问题，以期获得这类问题的较通用的计算方法，指导生产实际中冷库制冷系统 的优化设计，根据经济发展趋势，从设备有效寿命期考虑，综合优化、合理选择制冷系统、比较 冷库项目的经济效益。从而达到节约能源，降低成本的目的。 1 4 研究目标、内容、方法和技术路线 研究目标：本课题以某企业冷库制冷系统运行指标性能系数( c o e f f i c i e n t o f p e r f o r m a n c e ，简 称c o p ) 和初投资建设成本综合优化为研究目标，建立数学模型计算冷库设计中集中供冷和分散 供冷系统的c o p 值和初投资成本的大小，分析比较不同时期内不同供冷方式的投资成本和直接运 行成本的变化规律，达到经济效益综合最优化的目的。在数学模拟的基础上，得出实际生产中冷 库供冷方式选用集中供冷方式或分散供冷方式的综合经济效益的通用分析方法。 研究内容：主要包括对制冷系统四大部件工作过程的计算机模拟，通过各部件间的能量和质 量的耦台关系建立系统的数学模型：在系统的数学模型的基础上进行计算机性能模拟，在系统供 冷方式设计时，输入运行工况条件，可以得到制冷系统的性能系数c o p 值，得到该靠冷系统的制 冷特性，在一定制冷量条件下探求单一制冷系统集中供冷与多个制冷系统单独供冷 k j c o p 值的关 系，并进一步比较集中供冷与分散供冷的直接运行成本：比较一定制冷量条件下单一系统和多个 系统两种供冷方式的初投资建设成本，探求两种供冷方式的综合成本的关系。 研究方法：课题根据制冷系统各部件间的内在联系和制冷剂的热力状态和流动状态特性，按 照系统运行的内在规律，应用系统的质量平衡、能量平衡原理，采用稳态方法建立制冷系统模型。 模型算法采用顺序模块法。算法基于稳态时，制冷系统主要部件中的制冷剂质量流量一致，制冷 剂状态确定以及制冷系统制冷剂充贮量保持不变。运用面向对象v i s u a lb a s i c6 0 语言进行编程求 解，程序采用两重循环，依次调节各部件质流量平衡。因系统充贮量不明补充过热度已知，降低 一重循环。通过模拟获得特定工况下的主要性能参数，从而得到特定工况下的c o p 值；根据能耗 指标c o p 值得到一定制冷量条件下集中供冷系统与分散供冷系统的直接运行成本，再与各自的初 投资建设成本综合得至q 制冷系统成本晟优化设计。 技术路线：本课题设计的技术路线是根据制冷系统质量平衡、能量平衡建立系