（制冷及低温工程专业论文）基于labview的小型制冷装置的仿真研究.pdf

中文摘要 摘要 随着人类生活水平和生活质量的提高，制冷空调产品已经得到了越来越广泛的应用，厂家之间的竞争也日益 激烈。由于人们对生活质量提高的要求是社会、经济发展的巨大动力，因此制冷空调系统将会具有更加广阔的发 展前景。一个制冷装置的性能是否优良、匹配是否合理，以往都是要依据实验数据进行判断。随着计算机技术的 发展，计算机仿真可以部分地取代试验，制冷装置的计算机仿真研究，对于制冷系统和设备的优化设计、降 低开发成本、缩短产品研发周期、促进产品设计现代化具有重要意义。 本文以小型制冷系统为研究对象，以美国m 公司的虚拟仪器软件l a b v i e w 作为研究平台，较为深入 地进行了制冷系统的仿真研究，通过对相关文献的总结分析，建立了压缩机的集中参数模型，并将仿真结 果与相关文献的实验数据对比，所得结果基本满意；对于毛细管则建立了分区稳态分布参数模型，分析了 相关参数对毛细管性能的影响，蒸发器和冷凝器则采用了分区线性参数法建立模型，在原有模型的基础上， 进行改进，可以计算出各个相区的长度以及进出口温度，并对过热度和过冷度进行了修正，使模型精度得 到很大提高，可以满足仿真要求。 在部件模型的基础上，用质量、动量、能量平衡方程将制冷装置各部件联系起来进行求解，建立系统 模型，实现了系统的稳态模拟。对所研究的仿真算法采用l a b v i e w 程序设计语言编制了可视化界面的程 序，利用基于l a b v i e w 的这一空调仿真软件，对制冷系统进行了模拟计算，研究了制冷系统工况参数的 变化对系统性能的影响，为全面、系统、深入地研究制冷统打下了基础。 关键词：制冷系统稳态模型性能分析仿真 目录 s i m u l a t i o na n dr e s e a r c h o nt h e m i n i r e f r i g e r a t i o ns y s t e mw i t hl a b v i e w a b s t r a c t n o w a d a y s ，a i r - c o n d i t i o n i n gp r o d u c t sh a v eb e e nu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l yi nv a r i e df i e l d sf o ri m p r o v i n g p e o p l e ss t a n d a r do fl i v i n g a n dt h i sh a sa l s oc a u s e di n c r e a s i n g l yf i e r c ec o m p e t i t i o na m o n gm a n u f a c t u r e r s a sa r e s u l t , t h es t u d yo fa i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mi sf a i r l yp r o m i s i n gs i n c ep e o p l e sd e m a n df o raq u a l i t yl i f ei st h e i m p e t u sf o rs o c i a la n de c o n o m i cd e v e l o p m e m i nt h ep a s t ，e x p e r i m e n t a ld a t aw e r eu s e dt oe s t i m a t et h e p e r f o r m a n c eo fa na i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e ma n dt oj u d g et h er a t i o n a l i t yo fi t sc o m p o n e n t s t h a n k st ot h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c e ，n o ww ec a nu s ec o m p u t e rs i m u l a t i o ni n s t e a do fp e r f o r m a n c et e s tp a r t l y t h e s t u d ya n da p p l i c a t i o no fc o m p u t e rs i m u l a t i o ni nr e f r i g e r a t i o nf i e l dh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c eb e c a u s ei tc a n r e d u c ed e v e l o p m e n tc o s t s ，s h o r t e np r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e s ，p r o m o t et 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 na n d o p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo ft h ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m i nt h i sp a p e r , m a t h e m a t i c a lm o d e l so fr e f r i g e r a t i o ns y s t e mw e r ee s t a b l i s h e db a s e do nl a b v i e w , v i r t u a l i n s t r u m e n ts o f t w a r eo fn a t i o n a li n s t r u m e n tc o m p a n y , a n da ni n - d e p t hr e s e a r c hw a sc a r d e do u to nt h ec o o l i n g s y s t e ma f t e rs t u d y i n gr e l a t e dl i t e r a t u r e n em o d e l so fc o m p r e s s o ra n dc a p i l l a r yt u b ew e r eb u i l tu pb ya d o p t i n g c o n c e n t r a t i n gm e t h o di nt h ew h o l eu n i ta n dt h er e s u l to ft h i ss t u d yi ss a t i s f y i n ga f t e rc o m p a r i n gt h ed a t ao f s i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t af r o mr e l e v a n tc o m p a r a t i v el i t e r a t u r e t h ec o r r e l a t i v ep a r a m e t e r sw e r e a n a l y z e dt os t u d yh o wt h e yi n f l u e n c et h ec a p i l l a r y t h ee v a p o r a t o ra n dc o n d e n s e e sm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e db y d y n a m i ca n dc o n c e n t r a t i n gm e t h o di ne a c hz o n e ，a n ds o m ei m p r o v e m e n tw e r em a d ei nc a l c u l a t i o no fl e n g t ho ft h e g a s e o u sp h a s e - f i e l da n dl i q u i dp h a s e - f i e l d ，t h ei n l e ta n do u t l e tt e m p e r a t u r e s a n dc a l c u l m i o no fs u p e r h e a ta n d s u b c o o l i n gt e m p e r a t u r ew e r ei m p r o v e d ，t h ep r e c i s i o no ft h em o d e lw a sg r e a t l yi m p r o v e dt om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fs i m u l a t i o n i nt h i ss t u d y , b a s e do nt h em o d e lo fm a i np a r t s ，b yc o m b i n i n gm a s s ，m o m e n t u ma n de n e r g ye q u i l i b r i u me q u a t i o n w i t ha i r - c o n d i t i o n i n gc o m p o n e n t sf o rt h es o l u t i o n as y s t e mm o d e lw a ss e tu pa n das t a b l es i m u l a t i o no ft h e s y s t e mw a sr e a l i z e d w t he m p l o y i n gt h ea i 卜c o n d i t i o n i n gs i m u l a t i o np r o g r a mb a s e do nl a b v i e w , as i m u l a t i o n c a l c u l a t i o no ft h ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mw a sc a r r i e do u t b ys i m u l a t i o n ，t h es t u d ya b o u ti n f l u e n c e so f r e f r i g e r a t o rp a r a m e t e r sw a sc a r r i e do u t , a n di tl a y sas o l i df o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c hi nt h i sf i e l d k e yw o r d s ：r e f r i g e r a t i o ns y s t e ms t e a d ys t a t em o d e l s s i m u l a t i o np e r f o r m a n c ea n a l y s i s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：勉聋 导师签名：。乏丝日期：力卿扩红矿研究生签名：魃聱导师签名：。乏丝 日 期：力卿扩红矿 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着人类生活水平和生活质量的提高，制冷空调产品已经得到了越来越广泛的应用，厂家之间的竞争也日益 激烈。由于人们对生活质量提高的要求是社会、经济发展的巨大动力，因此制冷空调系统将会具有更加广阔的发 展前景。 我国的制冷空调产品的年产量已达到世界第一，但在能源利用效率，产品的能源消耗、产品的制造成本等方 面与先进国家相比仍具有进步的发展空间，与先进国家相比我国在新产品开发中的投入也相对较少。由于条件 限制，企业不可能投入过多的资金用于新产品的开发，利用有限的资金，开发先进的制冷空调产品，降低开发成 本，加快开发速度，就成为行业发展的新课题。 技术的更新带动行业的发展，制冷行业的发展也必须走技术更新的道路。新型制冷装置的研发工作需要经过 系统设计和试验验证两个阶段。传统的制冷空调产品设计中主要依赖样机的反复制作与试验，既增加开发费用， 更谈不上产品性能方面的全面优化，不利于节能u 3 。如何在制冷产品的设计时，对各个部件及整个系统进行充分 优化，寻找各个部件间的最佳匹配，实现制冷装置设计方法的现代化，以达到提高制冷装置效率和节能降耗的目 的，是一项重要的研究课题。 叫哺0 冷装置的性能是否优良、匹配是否合理，以往都是要依据实验数据进行判断。随着计算机技术的发展， 计算机仿真可以部分地取代试验。通过制冷空调性能的仿真研究，可以为制冷系统的设计、优化提供工具和帮助。 1 2 研究现状 制冷系统仿真，通俗的讲，就是将计算机系统仿真的方法运用于引入到制冷空调装置的系统建模和特性研究 中来。通过计算机模拟制冷系统的实际工作过程，用模拟实现系统各参数相耦合以及系统各部件相匹配，研究系 统工作特性，从而改进或优化制冷系统部件或设备。从而实现对制冷系统的性能校核，通过改变或者部件结构实 现系统的优化设计，并且为控制系统选用相应的控制策略提供相应的接口软件和数据。最大的预期目标是实现替 代传统样机实验。 自2 0 世纪6 0 年代开始，仿真技术开始在制冷、空调领域得到应用，至今已有4 0 余年的发展历史。期间随 着计算机技术的高速发展，仿真技术在该领域得到了充分的研究和越来越广泛的应用。仿真算法也变得多种多样。 由最初的传统迭代法发展到有限差分法、n _ r 算法、人工神经网络算法等等嘲。仿真模型的发展经历了从单纯的 部件模型，到适合系统仿真要求的部件模型和系统模型：从稳态模型到动态模型；从集中参数模型到分布参数模 型过程h 1 。局部仿真的研究主要是针对制冷系统的各个部件，建立相应的模型进行仿真研究，得出运行参数或者 性能曲线，然后进行分析。像新西兰的p k b a n s a l 、b x u ，西安交大的王巍，泰国的j i r a p o r ns i n p i b o o n 、s o m c h a i w o n g w i s e s 就针对毛细管作了详细的模拟与分析晡儿叫u 。局部仿真研究时间较长也比较成熟，现在许多学者都 着力于制冷系统的仿真。 我国制冷系统仿真研究经历了两个阶段。自从陈芝久教授在国内提出“制冷系统热动力学”的观点以 来，有不少研究者投身于制冷系统仿真的研究，并且取得大量研究成果，这是第一阶段；第二阶段是丁国 良等提出智能仿真观点来解决传统的数值仿真中的收敛速度和精度问题，但除了对空调器的仿真有一定的 研究外，其它很少见到。上海交通大学、清华大学、西安交通大学等单位先后推出了窗式空调、分体空调 以及变频空调的仿真与优化设计软件，对变频空调系统进行研究，并通过仿真的方法研究对采用电子膨胀 阀与毛细管作为节流装置的系统进行了研究与优化设计，取得了很好的效果。 制冷系统的仿真又可分为稳态仿真与动态仿真。稳态仿真就是模拟制冷系统的稳定运行工况，是制冷 系统运行的一种特殊工况，系统参数不随时间的变化而改变，不考虑系统的启停等对制冷系统的影响，但 是可以反映出制冷系统的稳态工作特性、各部件在稳态工作时的匹配关系和充灌量对制冷系统的影响，稳 态研究是实现制冷系统优化设计的研究，也是动态仿真研究的基础。动态仿真即非稳态过程，研究系统的 变化过程，考虑了外界环境变化及启动、停机、除霜等实际过程对系统的影响。其动态特性可由含时间变 量的代数方程组联立求解而获得，问题较复杂，计算速度也较慢1 。系统仿真国外较早的有h a m l l t o n 的 空调系统模拟程序1 ，o r n l 开发的空调热泵制冷系统的计算程序叫等等。国内对此也有一定的研究，如 东南大学硕士学位论文 张峰对小型热泵进行了仿真研究 1 1 p 伏龙、苏祖坚等对螺杆冷水机组进行了仿真幻等等。 对于制冷空调装置的仿真研究，主要是为产品开发服务，在传统的制冷产品设计中，往往要制作大量 的样机进行实验，现有的制冷空调产品开发模式可以用“经验+ 实验+ 理论预测”来概括，但是多以“经 验+ 实验”为主。然而，经验设计法不可避免的具有可靠性低、稳定性差的缺点，只适宜于产品的初步开 发；而试验设计法的主要缺点是成本高、周期长，理论预测手段的引入可以有效的弥补经验和试验设计方 法的不足n3 1 ，通过计算机的仿真，可以减少试验，缩短开发周期，而不会影响制冷系统性能，并能对其进 行性能优化，从而大大增强了产品的竞争力。 虽然仿真技术的应用有赖于用户技术水平的提高，但从仿真的研究者来说，则应当致力于改进仿真技 术，以便降低对使用者的要求，更好地满足用户需求。 1 3 本文研究的主要内容 制冷系统的仿真是一项复杂的工作，需要进行长期的研究与实验，本文的主要工作是在查阅相关文献资料的 基础上，以l a b v i e w 为开发平台，建立小型制冷系统的稳态仿真模型，l a b v i e w 是美国国家仪器公司推出的 一种基于“图形”方式的集成化程序开发环境，是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言n 劓。本文在现有模型 的基础上利用计算机技术，分别建立了小型制冷系统的四x _ t 要部件- 压缩机、冷凝器、毛细管、蒸发器的仿 真模型，并且要完成单体模型的检验，然后用质量、动量、能量平衡方程将制冷装置各部件联系起来进行求 解，建立系统模型，实现了系统的稳态模拟。利用仿真模型，分析不同参数下小型制冷装置的性能变化特点， 如制冷量、0 0 p 、压缩机输入功率等等，实现小型制冷装置的性能优化。利用l a b v i e w 软件环境，建立了小型 制冷装置的主要部件以及制冷系统的仿真模型。仿真的人机界面良好，是套比较完整的仿真研究与应用软件。 2 第二章物性参数和热力参数的程序化 第二章物性参数和热力参数的程序化 在制冷系统的计算机仿真计算中，我们将反复用到制冷剂和空气的物性参数及其他相关参数，然而这些参数 不能单纯的依靠人工查图表来获得，因此实现制冷剂和空气的参数计算的程序化对整个制冷系统的仿真是十分重 要的。 2 1 制冷剂参数计算的程序化 目前对于制冷剂的热力性质的计算方法主要有状态方程法“司n 邮引，这类方法是制冷剂热力计算的核心方法， 状态方程及其辅助方程的建立是基于严格的理论和实验研究，因此这类方法具有精度高、适用范围广的优点。但 是，要从状态方程到建立起整个热力性质的计算公式框架，其过程是相当复杂的。 1 9 8 6 年，c l e l a n d 提出了一套可用于系统仿真的制冷剂热力性质简化计算模型“剐。这套计算程序简单、实用、 计算量小，完全可以满足系统仿真的精度要求，因此，本文采用c l e l a n d 模型计算，对于其他参数，参考相关文 献“伽踟，采用拟合的方法得到。 本研究对制冷剂热力性质的计算进行了模块化处理，建立了叫哺j 冷工质的计算模块，模块由各个物性参数 的计算子v i 构成，供仿真系统在需要时调用。目前模块中包含了r 2 2 的热力性质计算程序，以后可以根据需要 对其他工质参数进行扩展补充。r 2 2 制冷剂在小型制冷装置中的应用最为广泛，以下为r 2 2 的物性计算公式。 ( 1 ) 饱和蒸汽压力和饱和温度计算式 ，疗、 = e x p ia t + l 尸口 ( 2 1 ) l 删十日3 k = 旦一一a 3 。c i n p 骝，一a t 式中： a t = 2 1 2 5 3 8 4 ，口2 = - 2 0 2 5 4 5 1 8 ，a 3 = 2 4 7 9 4 ( 2 ) 液体焓计算式 7 j i = a 4 + a 5 t t + a 6 t ；+ 口7 亏 j k g 式中： a 4 = 2 0 0 0 0 0 ，a 5 = 1 1 7 0 3 6 ，0 6 = 1 0 6 8 6 7 4 ，0 7 = 5 2 7 0 3 8 x 1 0 3 ( 3 ) 饱和气体焓 红l = 魄+ 呜+ q o 匕+ q 1 3 j k g 风= 吩l + q 2 姆 式中： 口8 = 2 5 0 0 2 7 ，a 9 = 3 6 7 2 6 5 ，a t o = 一1 8 4 1 4 3 ，a t l = - 1 1 4 5 5 6 x 1 0 - 3 , a t 2 = 1 5 5 4 8 2 ( 4 ) 过热气体焓 鲁= i + a t 3 虬+ q 。蛾+ q ，址曲+ q s 碱。+ 口l ，虬f 二+ q s f 三r 二 红= 扛2 + q 2j 堙 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 东南大学硕士学位论文 一南口1 3 = 2 8 5 4 4 6 x 1 0 - 3 , q 4 = 4 0 1 2 9 x 1 0 - 7 , q 5 - - 1 3 3 6 1 2 x 1 0 - 6 , a 1 6 = 一7 1 1 6 1 7 x 1 0 。8 ， a t ，= 1 4 11 9 4 1 0 8 ，a t 。= - 9 5 3 2 9 4 1 0 1 。 ( 5 ) 饱和气体比容 u = a 2 1 + a 2 2 。+ 嘞，匕+ 吃) e 坤( 吗+ 南 聊3 ，堙 q 固 式中： a 1 9 = - 1 1 8 2 3 4 4 ，a 2 0 = 2 3 9 0 3 2 1 ，a 2 1 = 1 0 1 8 5 9 ，a 2 2 = 5 0 9 4 3 3 x 1 0 。4 ， a 2 3 - - - 1 4 8 6 6 4 x 1 0 - 6 , a 2 4 = - 2 4 9 5 4 7 x 1 0 。7 ( 6 ) 过热气体比容 y d s = l + a 2 5 厶+ a 2 6 域+ a 2 7 缸曲k + 口2 b 碱+ 口2 9 r 曲匕+ a 3 。出曲2 2 ( 2 9 ) 式中： a 2 5 = 5 2 3 2 7 5 x 1 0 - 3 , a 2 6 = 一5 5 9 3 9 4 x 1 0 - 6 , a 2 7 = 3 4 5 5 5 5 x 1 0 - 5 , a 2 8 = - 2 3 1 6 4 9 x 1 0 。7 ， a 2 9 = 5 8 0 3 0 3 x1 0 - 7 , a 3 0 = - 3 2 0 1 8 9 x 1 0 巧 ( 7 ) 饱和液体的导热系数 乃= 6 0 + 6 i k + 6 2 匕+ 岛f 乞+ 钆f 二w ( m k ) ( 2 1 0 ) 式中： = 9 7 6 4 1 8 2 x 1 0 - 2 , 6 l = - - 4 9 3 4 5 7 2 x 1 0 4 , b 2 = 2 0 3 4 8 1 9 x 1 0 - 7 , b 3 = - 1 1 2 9 1 5 2 x 1 0 ， 钆= 1 4 5 0 7 9 x 1 0 一o ( 8 ) 饱和气体的导热系数 气= 吒+ c 。( 一1 0 ) + c 2 ( 一l o ) 2q - c 3 ( t s 埘一l o ) 3 + c 4 ( o l o ) 4 + 巳( 一1 0 ) 5w ( m k ) ( 2 1 1 ) 式中： = 1 1 0 9 9 4 2 x 1 0 - 2 , c 1 = 3 0 9 5 7 5 8 x 1 0 - 5 , c 2 = - 2 8 9 0 4 6 9 x 1 0 - 7 , c a = - 2 2 3 6 7 8 7 x 1 0 。9 ， c 4 = 3 3 9 7 5 7 1 x 1 0 q l , c 5 = 3 2 8 1 3 3 x 1 0 1 3 ( 9 ) 饱和液体的动力粘度 鸬= d o + 碣( k + 5 ) + 破( + 5 ) 2 + d 3 ( t , a + 5 ) 3 + 以( k + 5 ) 4 p a j ( 2 1 2 ) 式中： 成= 2 7 4 9 2 4 8 x 1 0 。4 , 碣= 1 6 1 9 6 0 6 x 1 0 - 6 , 畋= 1 0 8 2 8 4 2 x 1 0 - s , 蟊= - 7 6 6 6 4 0 8 1 0 。1 1 ， 以= 4 6 2 5 5 8 3 x 1 0 。1 3 饱和气体的动力粘度 以= + 巳o + e 2 匕+ 巳之p a s ( 2 1 3 ) 式中： - - 1 1 9 9 4 7 8 x 1 0 - 5 , e i - - 3 2 8 4 7 7 6 x 1 0 - s , e 2 = 一9 7 7 5 6 4 1 x 1 0 - t l , e 3 = 4 3 2 6 9 2 3 x 1 0 1 3 第二章物性参数和热力参数的程序化 p r t = f o + 彳( k + 5 ) + 石( r 埘+ 5 ) 2 + 石( + 5 ) 3 + 五( + 5 ) 4 + 六( o + 5 ) 5 屺( k + 5 ) 6 ( 2 “) 式中： f o = 3 1 7 4 7 0 1 ，彳= 3 8 3 2 5 6 6 x 1 0 - 3 , 五= 1 8 8 9 5 7 2 1 0 - 4 , 五= - 4 5 1 3 7 4 x 1 0 ， 工= - 1 6 0 9 8 6 x 1 0 4 , 工= 3 0 5 4 2 9 9 x 1 0 - i o , 以= 7 6 2 5 2 7 2 1 0 q 2 饱和气体的普朗特数 p r v = g 。+ 9 1 ( + 5 ) + 9 2 ( + 5 ) 2 + 岛( f 厶+ 5 ) 3 + 9 4 ( k + 5 ) 4 + 9 5 ( o + 5 ) 5 ( 2 1 5 ) 式中： g o = 0 5 7 6 9 4 6 8 ，g l = 1 4 5 8 7 4 2 x 1 0 - 2 , 9 2 = 一1 7 1 9 9 3 1 x 1 0 。4 , 9 3 = 一9 6 6 4 9 3 6 x 1 0 巧， 9 4 = 3 3 3 8 7 4 1 x 1 0 - 7 , 9 5 = - 2 6 7 0 9 6 3 x 1 0 。9 饱和液体的密度 辟：丁等k g m ， ( 2 1 6 ) 辟2 币瓦习万 q 1 d 式中： = o 7 8 3 9 8 0 3 ，啊= 1 5 4 9 1 0 3 x 1 0 - 3 , 红= 2 3 7 8 8 0 6 x 1 0 。 饱和液体的定压比热 勺= 乇+ k + f 2 匕+ f 3 幺+ f 4 4 + i s t 二材( k g - k ) ( 2 1 7 ) 式中： o = 1 1 7 4 4 6 9 ，= 2 4 5 7 0 9 2 x 1 0 - 3 , i 2 = 1 0 4 6 2 3 6 x 1 0 - 5 , 毛= 4 0 7 1 0 0 0 1 0 一， = 7 4 0 3 8 1 6 x 1 0 - 9 , f 5 = 7 5 6 0 6 1 3 x 1 0 。1 1 ， a 9 饱和气体的定压比热 ，；： 翥妻嚣二z 芝二乌黑芝二芝二0 黑_ 1 7 j 4 广+ 材，c 堙k ? 8 ， 五( o + 1 7 1 4 ) 4 + 兀( + 1 7 1 4 ) + 五( 丘讲+ 1 7 1 4 ) 6 、 j 式中： j o = 0 6 0 6 9 4 1 2 ，石= 1 7 6 6 7 6 4 x 1 0 - 3 , 五= 1 0 5 2 1 2 4 x 1 0 - 5 , 五= 3 2 3 1 9 1 2 x 1 0 。， 丘= 3 7 2 3 1 8 7 x 1 0 - 9 , 五= 一3 3 4 2 1 1 6 x 1 0 - n , = - 4 7 2 5 9 6 9 x 1 0 。3 q 6 ) 饱和液体的比熵 s t = 0 0 0 4 0 5 5 t 。讲+ 1 0 0 2 0 0 8 材( 堙k ) ( 2 1 9 ) 0 7 ) 饱和气体的比熵 & = 一0 0 0 1 3 9 t 删+ 1 7 5 0 0 5 9 材( 船k ) ( 2 2 0 ) 根据以上计算公式分别编制成制冷剂计算模块( 子v i ) ，供以后的部件模型仿真和系统模型仿真时使用。 2 2 空气参数计算的程序化 5 东南大学硕士学位论文 湿空气是由干空气和一定量的水蒸气混合而成的，在空气调节的计算过程中，需要涉及到大量的空气状态参 数的查取，虽然可以通过手工查取i d 图获得，但是也增：3 nt 误差，并且本文采用计算机进行大量计算，手工查 图非常繁琐，所以，空气参数计算的程序化也是非常重要的。本文中的空气状态参数的计算式来自于文献 2 1 ， 其余部分参数来自于参考文献 2 2 ，采用拟合的方法得到。 ( 1 ) t = 2 7 3 1 5 + rk( 2 2 1 ) ( 2 ) 饱和湿空气的水蒸气分压力 当t = 一1 0 0 - 一0 时 l n ( 岛士) = 彳c i + e 2 + c 3 t + c 4 t 2 + c s t 3 + c 6 t 4 c 7e l l ( z ) p a ( 2 2 2 ) 式中： c l = 一5 6 7 4 5 3 5 9 ，c 2 = 6 3 9 2 5 2 4 7 ，c 3 = - 0 9 6 7 7 8 4 3 x 1 0 - 2 , 气= 0 6 2 2 1 5 7 0 1 x 1 0 。6 ， c 5 = 0 2 0 7 4 7 8 2 5 x 1 0 - s , c 6 = - 0 9 4 8 4 0 2 4 x 1 0 - 2 , c 7 = 4 1 6 3 5 0 1 9 当f = 0 - - - 2 0 0 时 l i l ( 岛6 ) = 彳c 8 + c 9 + q 。t + c l l t 2 + q 2 t 3 + q 3h 1 ( 丁) p a ( 2 2 3 ) 式中： c s = - 5 8 0 0 2 2 0 6 ，c 9 = 1 3 9 1 4 9 9 3 ，q o = 一0 0 4 8 6 0 2 3 9 ，c l l = 0 4 1 7 6 4 7 6 8 x 1 0 。4 ， c 1 2 = 一o 1 4 4 5 2 0 9 3 x10 - 7 , c 1 3 = 6 5 4 5 9 6 7 3 ( 3 ) 湿空气中的水蒸气分压力 p q = p q 6 一a ( t 一) b p a ( 2 2 4 ) 式中： 4 一可根据风速大小计算，即彳= 6 5 + 鱼笙、1 0 一，或一般黝：0 0 0 0 6 6 7 v t 。一湿球温度。c b 一当地大气压力p a ( 4 ) 湿空气的含湿量 d ：6 2 2 旦g 姆 ( 2 2 5 ) p q 。b ( 5 ) 湿空气的焓值 h = 1 o l t + 0 0 0 1 d ( 2 5 0 1 + 1 8 4 f ) ，堙 ( 2 2 6 ) ( 6 ) 湿空气的密度 p = 0 0 0 3 4 8 4 争0 0 0 1 3 4 争姆脯 ( 2 2 7 ) ( 7 ) 湿空气的露点温度 t t = 一6 0 - 0 时 t t = - 6 0 4 5 + 7 0 3 2 2 h l ( p q ) + 0 3 7 i l n ( p q ) 2 ( 2 2 8 ) 6 第二章物性参数和熟力参数的程序化 当= 0 。7 0 时 ，= 一3 5 9 5 7 1 s 7 2 6 e 1 1 1 ( p q ) l + 1 1 6 8 9 i l n ( p q ) 1 2 ( 2 2 9 ) ( 8 ) 湿空气的相对湿度 口：p q 1 0 0 ( 2 3 0 ) p g 6 ( 9 ) 空气的导热系数 五= 气+ f + 五f 2 + 乃f 3 + 以广+ 以r 5w l ( m k ) ( 2 3 1 ) 式中： 厶= 2 4 3 5 0 9 1 x l o - 2 , 五= 8 2 2 7 8 2 7 x l o - 5 , 如= - 3 8 3 3 0 8 8 x 1 0 - 9 , 乃= - 2 1 7 2 4 2 0 x 1 0 4 ， 五= 3 8 6 7 0 6 0 x 1 0 - n , 五= 1 4 2 3 9 4 5 1 0 以3 0 c 9 空气的动力粘度 = , u o + 朋，+ 段r 2 + 鸬，3 + 心4 + 鸬f 5 p a - s ( 2 3 2 ) 式中： 鳓= 1 7 1 7 0 3 1 x 1 0 - 5 , 朋= 4 5 9 1 9 5 1 x 1 0 - s , 鸬= 一1 5 6 3 8 6 6 x 1 0 - n , 鸬= 1 8 4 5 8 5 2 x 1 0 1 2 ， 从= 一8 9 1 8 9 7 7 x 1 0 - 1 5 , 1 5 = 一6 8 9 5 1 9 3 x 1 0 1 7 ， q d 空气的普朗特数 p r = p o + a ，+ p 2 f 2 + 见，3 + 见f 4 + 死r 5 + 仇f 6 ( 2 3 3 ) 式中： p o = 7 0 7 5 6 2 9 x 1 0 - t , p l = 一3 2 5 6 1 5 7 x 1 0 - 4 , p 2 = 5 7 4 9 7 6 3 x 1 0 - 6 , p 3 = - 5 6 7 3 5 1 8 x 1 0 ， n = 一1 1 1 2 5 0 6 x 1 0 - 9 , p 5 = 2 4 9 9 1 1 7 x l o - n , p 6 = - 1 2 6 9 8 7 8 1 0 1 3 空气的定压比热 在空气调节的温度范围内，且空气的定压比热变化不大，为了使程序计算的简单、快捷，在研究的计算过程 中，空气的定压比热我们取为定值。 勺，。= 1 0 0 5 叫( 培。c ) 同样将以上计算公式编制成空气性质计算模块( 子v i ) ，供以后的部件模型仿真和系统模型仿真时使用。 7 东南大学硕士学位论文 3 1 概述 第三章压缩机模型 压缩机是压缩式制冷装置中的核心部件，对于压缩机性能的研究有助于研究整个制冷系统的调节和控 制，从而达到更好的运行特性和节能的效果。从1 9 7 2 年开始，每两年在美国普度大学举办一次国际压缩 工程学术会议，会上集各国研究之新成就、新思想，进行交流并出版论文集，对压缩机技术的发展起到了 推动作用【2 3 l 。 现在使用的压缩机种类较多，有往复式、螺杆式、离心式等等，在目前的中小型制冷装置中，全封闭 的活塞式压缩机得到了广泛的应用，虽然目前涡旋式压缩机因其优越的性能越来越受到青睐，但是活塞式 压缩机凭借其在成熟的生产工艺，低廉的加工成本等方面占有的优势，在制冷行业中依然占据着相当重要 的地位。本文将建立小型全封闭活塞式压缩机的数学模型。 模型的建立与使用模型的目的相关，从系统仿真优化的角度研究压缩机数学模型，并不要求能够准确 反映压缩机内部的工作过程，所以只要求模型能够反映出压缩机的热力性能即可。压缩机对于制冷空调装 置的作用是通过制冷剂的迁移来实现的，因此对于压缩机的制冷剂流量的计算是最主要的；其次流经压缩 机的制冷剂进口与出口状态之间的关系，对于反映压缩机与蒸发器和冷凝器之间的作用也是十分重要的； 同时由于压缩机是系统能耗的主要方面，从降低系统能耗，优化装置的角度来看，压缩机功耗的计算也非 常重要。因此，对于系统仿真用压缩机模型，主要是建立压缩机的流量与功率、制冷剂进出压缩机状态与 蒸发器和冷凝器的关系，并且计算出其他影响装置性能的参数，例如排气温度。 目前，压缩机的数学模型的建立主要有两种方法。第一种方法是从计算压缩机的效率入手建立模型， 采用压缩机的输气系数、指示效率、机械效率、电机效率这几个指标来描述压缩机的性能，根据这几个指 标我们可以得到压缩机的电功率和制冷剂质量流量。这种方法比较直观，对于只能获得少量性能数据的压 缩机性能预测计算是十分合适的，如文献 2 4 1 就是采用这种方法。第二种方法是抛开压缩机的内部结构和 种类，只考虑压缩机的功耗、制冷剂的流量和蒸发温度、冷凝温度等的关系1 2 5 1 。这种方法需要比较精确的 压缩机性能曲线或者相关的实验资料等，来建立关系式。 根据本文的仿真目的以及其他条件，综合考虑，本文采用第一种方法建立压缩机的数学模型。 3 2 压缩机的数学模型 实际制冷循环中制冷剂在压缩机的进排气管道中以及压缩机中，温度、密度、比容等参数均为三维不 均匀分布，为了便于建立模型，假设压缩机气缸内工质参数是均匀分布的2 0 1 。 1 压缩机制冷剂流量计算 m c o r n ：五监 ( 3 1 ) q 式中： 压缩机的理论容积输气量，m 3 s v l 压缩机吸气口制冷剂比容，m 3 k g ： 入输气系数。 对于活塞式压缩机，其理论输气量为 v , h = i 等s 一 2 ， 式中： 驴砷径，m ： 第三章压缩机模型 s 活塞行程，m ； n 为转速，r r a i n ： i 为气缸数，对于小型全封闭压缩机，一般有i = l ； 输气系数的计算可以采用以下公式 元= 五五。奄砧 式中： 五，丸，乃，如分别为容积系数，压力系数，温度系数和泄漏系数。 五= 一c ( 鲁 击一 2 = 1 l + ca p p l i ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 冬2 赢 6 ， 式中： a ，仍压缩机吸气压力与压缩机的排气压力，p a ； c 相对余隙容积，一般取2 6 ： 研等端点多变膨胀指数，对于氟利昂压缩机一般取0 9 5 1 0 5 ： 蛾吸气压力损失，对于氟利昂压缩机一般取( o 0 6 0 0 8 ) p l ，p a ； 瓦，瓦分别为冷凝温度和蒸发温度，k ； 互压缩机的吸气温度，k ： 口压缩机的温度随冷凝温度变化的系数，一般取1 0 1 5 ，对于家用制冷压缩机取1 5 ； b 反映压缩机向周围空气散热对温度的影响，一般在0 2 5 - 4 ) 8 之间； 与压缩机的转速、活塞环结构、气阀密封面的精度、磨损程度以及润滑状态等有关，不易直接计 算，一般推荐在0 9 7 , , - 0 9 9 之间。 2 压缩机的排气温度 根据压缩机进出口气体状态方程 嘲了 7 ， 式中： 栉为多变过程指数，对于氟利昂压缩机一般取1 0 5 1 1 8 ； 仍= 风+ 瓴p a( 3 8 ) a = p o 一觇p a( 3 9 ) 式中： 东南大学硕士学位论文 卸- - ( o 1 0 1 2 ) p k ，a p o - - ( o 0 5 o 1 ) 风 么=屹名”,刀,一n，【-rll,a2譬一， m ：监 m ：盟 机械效率，一般在0 8 - 0 9 5 范围内； 心：旦 传动效率，直联时为i ，采用三角皮带联接时为o 9 0 加9 5 ： 。电动机效率，对于三相交流电动机，一般取0 8 - 0 9 ： 4 压缩机的能耗指标 评价制冷压缩机消耗能量方面的先进性可采用两个指标，一个是制冷压缩机的性能系数，另一个是能 效比，此指标考虑到驱动电动机效率对能耗的影响，而以单位电动机输入功率的大小进行评价，该指标多 用于全封闭制冷压缩机【2 6 】。 制冷压缩机的性能系数 c o p ：= o o n e 制冷压缩机的能效比 e e r ：o o n 弧 ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ” d 动 b ， m 嗡 耶 q b o 第四章毛细管模型 第四章毛细管模型 4 1 概述 毛细管作为一种节流元件，由于结构简单，价格低廉，可靠性高等优点，被广泛应用于小型制冷装置 中，如电冰箱、房间空调器等等。其结构参数对制冷系统的制冷剂流量和制冷量等存在着直接的影响，因 此深入了解毛细管特性，对于改进制冷装置的性能，实现高效节能，具有非常重要的现实意义。 毛细管通常是一根直径为o 7 之5 m m ，长度为0 6 m 细而长的紫铜管，连接在冷凝器和蒸发器之间， 作为制冷循环的流量控制与节流降压元件。根据毛细管裸露在空气中的情况，可以视之为绝热毛细管；而 对于毛细管与吸气管捆绑在一起形成回热换热器的情况，则视之为非绝热毛细管【2 7 l 。由于非绝热毛细管的 流量计算特性可以转换为绝热毛细管的流量计算，因此，本章的主要研究对象是绝热毛细管。 4 2 毛细管内流动过程分析 毛细管虽然结构比较简单，但是其内部的流动却非常复杂，制冷剂在毛细管内的流动可以如图4 1 所 示的四个区域。在制冷装置处于正常的稳定工况时，通常毛细管的进口状态是过冷液体，然后由于流动摩 擦产生压降，制冷剂压力下降。因此，在热力学平衡的条件下，当制冷剂压力下降到制冷剂进口温度对应 的饱和压力时，便产生闪发现象，开始闪发的位置成为闪发点。但事