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v r v 空调系统室内单元特性研究 摘要 变制冷剂流量多联空调系统( 简称v r v ) ，由于其舒适、节能、美观等优点，正越来越 得到广泛的应用。但由于变制冷剂流鼍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。 本文通过仿真的方法对v r v 系统的运行特性进行了分析研究，并着重对双联v r v 空调 系统的室内单元( 电子膨胀阀+ 换热器) 进行研究，充分考虑了v r v 空调系统室内单元多用 途、宽容量、多工况的工作特点，主要进行以下研究： 1 空调系统实现优化设计、控制必须建立在对系统的特性的充分的理解与掌握上，本人采 用分相流的方法，建立了蒸发器、电子膨胀阀、变频压缩机为一体的完整蒸发器分布参 数数学模型，引入界面关系方程，使方程组封闭可解。在此基础上，建立具有典型代表 性的双联系统的动态数学仿真模型，编制仿真程序，对其特性进行仿真研究。 2 通过对v r v 空调系统室内换热器的单独分析，论证了v r v 空调系统相对于普通小型家用 空调系统具有多功能、宽工况范围、宽容量范围以及较高的能效比，具有明显的节能、 舒适效果。 3 利用所建立的数学模型，通过仿真的方法，研究v r v 系统在调节作用及拢动作用下， 系统的各热力参数变化规律。本文着重于对系统中电子膨胀阀开度、压缩机转速与吸气 压力；尤其是室内机的工况的变化关系进行研究，拟出了一整套变化关系曲线。并进行 了具体的分析，为寻求系统的优化控制参数、掌握双联v r v 空调系统热力特性、优化 设计双联v r v 空调系统的综合奠定了基础。 关键词：v r v仿真电子膨胀阀蒸发器运行特性 a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r i s t i co fl n d o o rp a r to fv a r i a b l e r e f r i g e r a n tv o l u m ea 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 v a r i a b l e f r i g e r a t i o nv o l u m ea i rc o n d i t i o n e r ( v r v ) i sw i d e l yu s e dr e c e n t l yd u et oi t sm e r i t s s u c ha se f f e a t i v e n e s s c o m f o r t a b l y t h e r cs t a n d so b v i o u s t e c h n o l o g yg a ob 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 m f u r t h e r m o r e ，i th a st h ei m p o r t a n t m e a n i n g sa n dv a i h et or e s e a r c hb e c a u s eo f t h ev a r i e t yo f v r va i rc o n d i t i o n e r s i nt h i st h e s i s t h ep e r f o r m a n c eo ft h ev r vs y s t e mi ss t u d i e db yt h ew a yo fm a t h e m a t i ( ：a l s i m u l a t i o n b a s e do nt h eu n d e r s t a n d i n go f t h ec h a r a c t e r i s t i co f t h es y s t e m t h i st h e s i si sf o e u so n t h ei n d o o rp a r t s ( e e va n de v a p o r a t e ) o f t h ev r vs y s t e m t h em a i n w o r ki sa sf o l l o w e d ： 1 1 1 1 ep e r f o r m a n c eo ft w o - e v a p o r a t o rv r va i rc o n d i t i o n e ri sv e r yc o m p l e xb e c a u s eo ft h e i n t e r a c t i o no fr e s p e c t i v ee v a p o r a t o r s ad i s t r i b u t e d - p a r a m e t e rm o d e lb a s e do nt w o - p h a s e f l o wt h e o r yi nt w o - e v a p o r a t o rv r va i rc o n d i t i o n e ri se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r t h i sm o d e li s ap o w e r f u lt o o lf o rt h es t u d y i n go f v r vs y s t e m 2 t h r o u 曲t h ea n a l y s i so ft h ei n d o o rp a r to fv r v ，w ec a l ld r a wt h ec o n c l u s i o nt h a tc o m p a r e w i t ht h et r a d i t i o nc o n d i t i o n g r , v r vh a st h ea d v a n t a g eo f e f i e a t i v e n e s sa n dt o m f o r t a b l y 3 b a s e do nt h em o d e l s i m u l a t i o ni sc o n d u c t e dt os t u d yt h el a w so f t h ev r vs y s t e mb yv a r y i n g i t sw o r k i n gp a r a m e t e rs u c ha ss p e e do fc o m p r e s s o r , o p e n n e s so fe e v ，a i rv o l u m eo fi n d o o r u n i t sa n di n d o o rr o o mt e m p e r a t u r e s i m u l s t i o nr e s u i t sa r ea i s od i s c u s s e da n de x p l a i n e d a n d t h ec o n c l u s i o nd r a w np r o v i d e sg u i d e l i n e sf o rt h ed e s i g n i n go f c o n t r o ls y s t e mf o rv r v k e yw o r d s ：旧矿s i m u l a t i o ne l e c t r i ce x p a n s i o nv a l v e ( e e v ) e v a p o r a t o rc h a r a c t e r i s t i c i i 主要符号表 主要符号表 符号 4 换热面积 m 2 q定压比热l o ( k g k ) d 直径 m d含湿量l c g a c g e 能量w e 职 能效比 w w ，摩擦系数 g 质量流量 k g s g 单位面积质量流量 k g s m 2 焓值 k j k g m ，m质量k g p ，p压力 p a p r 普朗特数 q制冷量 w ， 汽化潜热1 0 k g k r e 雷诺数 t ，f温度 x 干度 z 微元长度 口 换热系数 空泡系数 j 厚度 五导热系数 动力粘度 p 密度 v 比容 善 析湿系数 盯 表面张力 1 1 1 w ( m z n m w ( m n n s m k g m 3 m k g n m i i i 上标 x 制冷剂 气体状态 液体状态 入口 出口 平均 饱和状态 过热区 两相区 过冷区 壁面 冷凝器 压缩机 蒸发器 膨胀阀 微元节点 空气侧 饱和液体参数 饱和气体参数 标 村 妒 ， w ， 硫，g，加耐；。删一m青口 1 绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 随着我国国民经济的腾飞和人民生活水平的提高，人们对居室舒适性的要求也越来越 高，从而住宅面积不断扩大，商品房质量不断提高，高级公寓和别墅的建设也发展迅速， 这些都大大推动了空调系统的运用与发展。 当今世界，能源问题是人们关注的焦点之一，随着制冷空调系统的广泛应用，空调用 电负荷在整个用电负荷中的比重越来越高。由于空调的丈每使用，导致电力紧张的现象， 对人们的生活及社会的发展造成很大阻碍，所以空调系统的节能势在必行。我国最新发布 的房间空调器能源效率限定值及能效等级标准，按照能效比将空调分为由高到低的1 5 级，低于5 级( c o p 小于2 6 ) 的空调产品不允许上市销售。 与此同时，制冷空调也向着舒适、节能、智能化甚至美观大方的趋势发展。传统的分 体挂肇式空调、窗式空调、以及柜式空调，无论是从室内温度调节的舒适度方面，还是从 建筑的室外及室内装璜美观方面考虑，已经不能充分满足人们的需要。 空调器正从传统的单室内机单室外机的结构逐渐向单个室外机多室内机及多室内机和 多室外机系统的方向发展，整体结构逐渐趋于复杂，其中具有代表性的变流量制冷系统 ( v a r i a b l er e f r i g e r a n tv o l u m ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，简称v r v ) 也从单元变流量制冷系 统( s v r v ) 向多元变流量制冷系统( m v r v ) 发展，我们现在通常所说的v r v 系统就是 指后者，俗称为多联机、一拖多空调。 v r v 采用一台室外机，与多台室内机直接通过制冷剂管道相联接，室内机作为蒸发器 或冷凝器进行制冷或供热。由于使用先进的压缩变制冷剂流量技术、电子膨胀阀控制技术 及其它先进的智能控制技术，能够对各个房间进行单独控制，对于环境负荷情况不断发生 变化的楼宇来说尤为理想，更加有利于针对各个房间的实际条件对应地进行精确的控制。 v r v 系统冷气分配灵活，负荷适应变化范围广，尤其在系统部分负荷下，运行的效率很高， 在家用或商用的小型中央空调中，相比传统制冷系统节能效果明显。 v r v 空调系统相对于普通小型家用空调系统具有明显的节能、舒适效果： l 、v r v 空调系统依据室内负荷，在不同转速下连续运行，减少了因压缩机频繁起停 造成的能量损失；在制冷、热工况下，能效比c o p 随频率的降低而升高，由于压缩机长时 间工作在低频区域，故系统的季节能效比s e e r 相对于传统空调系统大大提高；采_ h j 压缩 机低频启动，降低了启动电流，电器设备将大大节能，同时避免了对其他用电设备和电网 的冲击。v r v 有着极高的效率，这是v r v 最显著的特点。 2 、v r v 空调系统具有能调节容量的特点，在系统初开时室温于设定温度相差很大， 利用压缩机高频运行的方式，使室温快速的到达设定值，缩短人体不适的时间；当系统受 到室内、外各种扰动时，控制系统可以通过室内、外换热器的容量、电子膨胀阀开度和压 缩机运行频率来调节系统的容量、冷凝和蒸发压力，适时的保证室内环境的舒适性和系统 的安全性运行要求；极少出现传统空调系统在起停压缩机时所产生的振动和噪声，且室内 机风扇电机普遍采用直流无刷电机驱动，速度切换平滑，降低了室内机的噪声。 3 、v r v 空调比冷水机组的蒸发温度高3 左右，其c o p 值约高l o ；它结构紧凑， 体积小，管径细，不需要设置水系统和水质处理设备，故不需要专门的设备间和管道层， 较大程度的降低建筑物造价，节省室内空间，提高建筑面积的利用率。 4 、室内机的多元化，可实现各个房间或区域的独立控制；而且热回收w 空调系统， 能在冬季和过渡季节，向需要同时供冷和供热的建筑物提供冷、热源，将制冷系统的冷凝 东南大学硕士学位论文 负荷和蒸发负荷同时利用，大大提高了能源利用效率。 5 、各式各样的控制方式，自动诊断功能，自动化程度很高。例如，大金公司提供的集 中遥控器最多能控制6 4 组计1 0 2 4 台室内机，并可进行区域控制，有自动诊断显示出故障 的类型和部位以便迅速而简单的进行维修，因而不需专门管理人员，又提高了检修效率。 v r v 空调系统主要适用于办公楼、宾馆、医院、高级别墅等建筑，采用变频压缩机、 电子膨胀阀和变频空调控制器，显著提高了用户舒适水平，具有优异的节能特性和灵活性。 当今突出能源与环境的主题下，v r v 空调系统将是今后中小型楼宇空调系统的发展主流之 1 2v r v 空调系统的基本原理 v r v 发展至今，按其功能可分为单冷型，热泵型和热回收型三种型式i lj ，这三种型式 与蓄热( 冷) 系统、变风晕系统等结合，又扩大了v r v 空调系统的应用范围。单冷或热 泵型的v r v 机组制冷或制热原理与普通变频空调类似。热回收型v r v 空调系统是于上世 纪9 0 年代初研制出，它不仅具有单冷和热泵型系统的功能，同时由于冷凝负荷和蒸发负 荷都被利用，所以大大改善了能源利用效率，在同时需要供冷与供热的建筑物增多的今天， 具有极大的应用前景，故成为当前研究的重要课题之一。 h e - x 图1 1 热回收型v r v 空调系统原理图 v r v 空调系统工作原理是：由控制系统采集室内舒适性参数、室外环境参数和表征制 冷系统运行状况的状态参数，根据系统运行优化准则和人体舒适性准则，通过变频等手段 调节压缩机输气量，并控制空调系统的风扇、电子膨胀阀等一切可控部件，保证室内环境 的舒适性，并使空调系统保持在最佳工作状态。 室外机由室外换热器，变频压缩机等部分组成；室内机只是一个换热器模块。换热器 模块由电子膨胀阀( e e v ) 、室内换热器( h e ) 、电磁三通阀( t w v ) 以及高压气体管， 高压液体管和低压气体管三个联管组成，室外换热器构成与室内换热器是相同的。通过电 2 1 _ 绪论 子膨胀阀和电磁三通阀的适当调节，任何一个模块都可以自由转换运行模式，系统也可以 进行制冷和制热的转换，并可以满足各个房间同时需要制冷和制热的要求。 v r v 系统一台室外机可以配置不同规格、不同容量的室内机l 一1 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长度可达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，避免不必要的能餐浪费。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，室外机即可以在欠载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j 。 1 3 国内外发展及研究现状 v r v 系统于1 9 8 2 年由日本大金公司研制成功，发展至今，世界上主要是日本三菱、 日立、大金、夏普、松下等少数几家大企业拥有这项技术。现在日本市场上新建筑的3 2 ， 旧建筑改建中的6 0 采用了此类系统，v r v 系统在欧美国家也得到广泛应用p l 。多年来， 人们以优化设计为目的，在v r v 空调系统仿真上做了大量工作。 在v r v 系统的基础理论研究上，国外学者已经做了许多工作。例如，r u s s e l l w g r i f f i t h 提出了用季节能效比s e e r 作为衡量空调器连续运行时效率高低的标准，并研究发现空调 器的能量调节是获得较高s e e r 的一种非常有效的方法【41 ；s a t a s s o u 在对比了变容量热 泵与常规热泵运行情况后指出，变容量热泵至少要节能1 0 以上。v b a h e l 在对比了某种 实际的变频空调和常规空调器后认为，变频空调可以节能2 0 2 5 ”j 。y n a k as h s h i m a 研 制出了一种适应变频空调制冷机流量变化大的电子膨胀阀，获得了很好的节能效果1 6j 。 相比之下，国内在v r v 系统方面的研究才刚刚起步，且多以理论为主。在我国，变 频空调器的研究始于上世纪9 0 年代中期，目前仍处于探索阶段，现已有多幢建筑物采用这 种系统，如深圳的市政设计院办公楼、同济大学建筑设计研究院，上海坤阳国际商务广场， 北京的电信器材公司等；美的公司推出的m d v 系列产品曾经被国家列为重点科技创新计 划，其产品的可靠性还有很大提高的余地。v r v 空调系统在国内的市场份额正在逐年扩大， 将在今后充分地发挥出其无与伦比的优越性。 国内清华大学，上海交通大学以及同济大学都有学者对多联空调系统做了实验或仿真 研究，取得了一定的成果： 清华大学的石文星、邵双全等人对多元变频v r v 空调系统作过详细的研究工作【7 1 j ， 主要通过热回收型多元变制冷剂流量( m v r v ) 空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。 上海交通大学的周兴禧、陈武等人则对双联变频空调系统进行一定的研究【l ”】，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耦合关系进行仿真 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，陈沛霖、刘传聚等主要对v r v 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 解决的一些问题，简单地阐述了这种系统产品的应用及前景【l ”l 。并对变频控制热泵型 v r 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 东南大学硕士学位论文 ( 热) 量、机组功率的因素，得到了v r v 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熟水机组作了比较。 国内一些空调企业也对变频v r v 系统进行了一些研究，如科隆公司、东宝公司等， 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一些控制策略的研究。其研究目 的是开发出适合中国国情的v r v 系统，研究的主要方法是通过实验，采用集中控制的方 法。 1 4 研究的内容和目的 为了实现v r v 空调系统的优化设计、最佳控制和节能运行，必须充分了解系统的运 行特性。v r v 空调系统需要具有在宽工况范围下进行制冷、制热、通风、除湿的功能，v r v 空调系统的多联切换和可变流量使其在高舒适性、低能耗及可靠运行等方面具有优势，同 时要兼顾多用户的舒适、节能和可靠运行也为系统控制策略的制定提出了挑战。 整个v r v 系统的配置和运行控制是一项复杂的工作，需要考虑的问题很多，例如系 统的匹配、系统各部件的控制、除霜、保护、回油等，国内外的研究者们在这些方面也都 始终在进行着卓有成效的研究工作，本研究将在现有研究成果的基础上尝试从新的视角即 以室内单元为主要研究对象，探究其系统特性。 多联机室内单元部分是空调系统功能实现的终端部件，直接关系到整个系统的运行品 质，具有多用途、宽工况的工作特点，深入研究其运行特性，并通过双联系统的仿真，可以 为系统控制策略的制定提供依据，为此，本文拟在以下几方面开展工作： 1 、空调系统实现优化设计、控制必须建立在对系统的特性的充分理解与掌握上，本人 采用分相流的方法，建立了蒸发器、电子膨胀阀、变容量压缩机为一体的完整蒸发器分布参 数数学模型，引入界面关系方程，使方程组封闭可解。在此基础上，建立具有典型代表性的 双联系统的稳态数学仿真模型，编制仿真程序，对其特性进行仿真研究。 2 、对v r v 空调系统中室内机的运行特性进行专门研究，模拟分析在多联、可变容鼍系 统中室内机的性能指标和运行参数间的依变关系，揭示制冷( 热) 量、除湿量、风量、工作压 力、空气温湿度等参数间相互影响规律。 3 、着重对系统中电子膨胀阀开度、压缩机转速与吸气压力；尤其是室内机的工况如室 内温度、室内机风速等的变化关系进行研究，拟出一整套变化关系曲线。仿真计算结果为我 们了解系统特性、建立v r v 空调系统控制稃序提供理论依据；所建立的模型可用于了解多联 系统的特性及检验控制算法的性能，仿真的结果为寻求系统的优化控制参数、掌握双联乃至 多联v r v 空调系统热力特性、优化设计v r v 空调系统奠定基础。 1 5 本研究的创新点 1 、现有的v r v 系统特性研究基本上都是以变容罩压缩机为中心，对室内单元的多用 途、宽工况条件下的特性研究相对薄弱，而多联机的主要特点之一就是可以同时满足多用 户的不同功能要求，如开，停、快速制冷、快速制热、除湿、干盘管及恒温运行等。本研究 以室内单元为主要研究对象，可以更清晰的了解各种功能实现对系统控制的需求，满足系 统在制冷、制热、及热回收等多运行模式f 的功能实现和节能运行。 2 、由于是以室内单元为主要研究对象，和其它室内单元的相互影响可以简化为最简单 双联系统，使得系统模型得到最大程度的简化，而又不影响其运行特性的分析研究，研究 结果也可以直接推广应用到多联机系统中。 4 2 空气和制冷机参数计算 第二章空气和制冷剂参数计算 长期以来，工程技术人员都借助于各种热物性图表来完成设计或校核计算，但是如果需 要对热力系统、化工流程和单元设备进行计算机模拟、仿真及优化设计，以提高设计水平和 产品质量，这种情况下，图表法不能满足计算要求，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。 2 1 湿空气参数计算 本文的空气热力性质计算程序主要采用文献【1 6 1 提供的关系式编制，热力性质采用 a s h r a e 提供的计算式计算。 2 1 1 湿空气的热力性质 1 )空气饱和水蒸汽分压力p ，( p a ) ： 当一1 0 0 f 0 时： 6 h a p ，= c , t + c 7 l 盯 ( 2 1 ) j = 1 当o c ，2 0 0 时： 1 2 l n p ，= c i t 一+ c ”l l 】r ( 2 2 ) 1 1 8 式中：r 一空气干球温度( t = t + 2 7 3 1 5 ) ，k ； c 一公式系数，具体数值见下表： 表2 1 e 1 5 6 7 4 5 3 5 9x1 0 3 8 5 8 0 0 2 2 0 6 1 0 26 3 9 2 5 2 7 491 3 9 1 4 9 9 3 3- - 0 9 6 7 7 8 4 3 1 0 21 0 - - 4 8 6 0 2 3 9 1 0 2 40 6 2 2 1 5 7 0 1 1 0 61 1o 4 1 7 6 4 7 6 8 1 0 4 50 2 0 7 4 7 8 2 5 1 0 8 1 2 一o 1 4 4 5 2 0 9 3x1 0 1 60 9 4 8 4 0 2 4 1 0 1 21 36 5 4 5 9 6 7 3 74 1 6 3 5 0 1 9 2 ) 湿空气比焓h ： h = 1 0 1 t + d ( 2 5 0 1 + 1 8 4 t 1 式中：d 一湿空气的含湿量，k 眺g 卜一湿空气温度，。 3 )湿空气水蒸汽分压力p 。： p ，= p ：一a - ( r 一) b 5 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 东南大学硕士学位论文 式中：p ：一湿球温度下饱和水蒸汽分压力，p a ： a 一系数，a = 0 0 0 0 0 1 ( 6 5 + 6 7 5 v 1 v 一空气流速，m s ； 占一实际大气压力，p a 。 4 ) 湿空气露点温度r 。： t 。= 8 2 2 + 1 2 4 1 n p ，+ 1 9 ( 1 n p ，) 2 5 ) 湿空气含湿量d ，k g k g ( 干空气) 。 d ：o 6 2 1 9 8 里l b p 。 2 1 2 湿空气的热物理性质 1 ) 湿空气的密度p ( k g m 3 ) ： p = 0 0 0 3 4 8 b ( t + 2 7 3 1 5 ) 一0 0 0 1 3 2 p ，( t + 2 7 3 1 5 ) 2 ) 空气的普朗特数只( 一5 0 ，1 0 0 ( 2 ) ： p = 岛+ p i t + p 2 t 2 + 与f 3 + 只f 4 + 忍f 5 + 只，6 3 ) 空气的定压比热c 。( - - 5 0 r l o o ) ： c ，= a o + 爿1 t + a 2 r 2 + 一3 t 3 + 彳4 t 4 + 4 5 ，5 + a 6 t 6 4 ) 空气粘度r l ：( 一5 0 f 1 0 0 ) ： 玎= 1 0 。6 g 。+ x l t + x 2 t 2 + x 3 t 3 - i - x 4 1 4 + 墨t 5 ) 5 ) 空气的导热系数丑： 旯= o o l ( z o + z l t + z 2 t 2 + z 3 t 3 + z 4 t 4 + z 5 f 5 ) p ，a ，石，z 一公式参数，具体数值见下表 表2 2 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) p4 xz 07 0 7 5 6 2 9 1 0 11 0 0 6 1 3 71 7 1 7 0 3 l2 4 3 5 0 9 1 1- - 3 2 5 6 1 5 7 1 0 41 4 7 8 9 2 3 1 0 44 5 9 1 9 5 1 1 0 28 2 2 7 8 2 7 l o 一 25 7 4 9 7 6 3 1 0 6 2 5 0 1 6 0 0 1 0 61 5 6 3 8 6 6 1 0 。一3 8 3 3 0 8 8 1 0 1 3- - 5 6 7 3 5 1 8 1 0 8- - 8 0 7 3 9 8 7 x1 0 1 01 8 4 5 8 5 2 1 0 62 1 7 2 4 2 0 1 0 1 41 1 1 2 5 0 6 1 0 9- - 2 9 3 5 6 0 7 1 0 一l o- - 8 9 1 8 9 7 7 1 0 93 8 6 7 0 6 0 1 0 1 0 52 4 9 9 1 1 7 1 0 一“9 1 1 7 8 9 7 1 0 1 2- - 6 8 9 5 1 9 3 1 0 一“1 4 2 3 9 4 5 1 0 一“ 61 2 6 9 8 7 8 1 0 一”- - 6 9 5 1 6 2 9 1 0 1 4 6 2 空气和制冷机参数计算 2 2 制冷剂参数计算 由于目前大多数的v r v 空调大多都还是采用r 2 2 最为制冷剂，所以本文也采用r 2 2 作 为研究对象。热力性质参照文献【1 7 】，热物理性质参照文献【，数据来源于文献。 2 2 1r 2 2 制冷剂的热力性质 1 ) 饱和蒸汽压力： p ，= p 。e x p r i l n t ，+ 忙f 一4 + 只弦以) 】 ( 2 1 2 ) 式中：妒以) = 4 以一1 ) t , + s 仍) 一5 3 1 n t ， s 仍) = 以一l 知2 仍+ 1 ) 2 + o 5 ) 见一临界压力，p a ，见表2 - - 1 ； p ，饱和压力，p a ； z 一对比温度，p = 叫t ，其中瓦为l 临界温度，k ，见表2 3 r f ，只一准则数，见表2 3 。 2 ) 饱和液体密度： p = p ce x p a l ( 1 一i ) “3 + a 2 s ( r ) 】 式中：p 一饱和液体的密度，k g m 3 ； 见一l 晦界密度，k g m 3 ，见表2 3 ； a i ，a 2 物质常数，见表2 3 。 3 ) 气体密度： 胪瓦布葡 口 式中：= 6 ，c d 1 0 3 y ； t = l j = o p 气体的密度，k g l m 3 ； p 气体的压力，p a ； r 气体常数，j ，( 蚝k ) ，见表2 3 6 。一常数，见表2 4 。 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 上式中，已知压力p 和对比温度r ，需要用迭代法求出密度p 。p 的初值可按z i = 0 计 算。若迭代计算的第n + 1 次值与第n 次值满足收敛条件： l ( 成。- p ) i p + 。l e 7 东南大学硕士学位论文 则计算即可结束，并取p = 见，一般取e = 1 0 5 1 0 。 4 ) 气体比焓： h = r r t , 0 + l , + 1 3 ) + 1 0 3 + 吃 式中：=厶9厶3_了jp13t = l1 - - 0 1 ； 式中： = 厶厶了i 百f i ； u 铲疋喜鲁； _ j 广气体的比焓，j k g 。 玩一根据基准态的焓值确定的常数，j k g ，见表2 3 ； z 物质常数，见表2 3 。 5 ) 气体比熵； 忙r ( 卜如乩爿枷3 蝇 式中：屯= 善9 台3 了b u i 刳p 。； 4j 8 0 = d 。l n l + 争巧； s 气体的比熵，j ( k g - k ) 。 j 。一根据基准态的熵值确定的常数，j ( k g k ) ，见表2 3 。 6 ) 饱和液体比焓： 拈n 疋。b 一爿等 热万d p s2 陪 i - 4 + p 。( 嘶巧+ 0 4 t , + 0 3 - - 萼3 + 别号 饱和液体的比焓，j k g ： 7 饱和蒸汽的比焓，肼嘻； p 。饱和蒸汽的密度，k g m 3 。 7 ) 饱和液体比熵： 拈 f 土一上1 盟 i p 。p jd t 8 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 2 空气和制冷机参数计算 式中：j 饱和液体的比熵，j ( k g k ) ； s 。饱和蒸汽的比熵，j ( 埏k ) 。 表2 3r 2 2 的基本参数 气体常数 临界温度临界压力临界密度临界熵临界焓 且 瓦 p cp c&虬 j ( k g k ) 】【k 】【p a l k g m 3 】 j ( k g k ) 】【j k g 9 6 1 63 6 9 2 8 4 9 9 0 x 1 0 55 3 7 24 1 7 4 5 x 1 0 4 9 2 3 5 x 1 0 3 i up 。 6 7 9 6 4_ 0 1 6 4 4 a 1 1 a 2 函 矾如砖 以 1 4 8 9 2 0 2 8 6 50 2 0 4 2 80 3 l o l o0 ，2 9 0 4 30 2 1 9 6 00 0 4 1 3 5 表2 4 r 2 2 的6 f ，值 j j 0l 23 l3 5 1 1 5 9 49 8 5 1 8 6 77 5 9 1 7 3 7 1 6 4 2 3 6 5 8 518 4 7 3 2 32 9 5 9 3 0 5一1 2 6 8 3 1 6 38 6 16 2 85 6 0 6 7 0 8 8 9 6 4 7 5 24 2 0 8 5 0 8 3 4 1 9 6 6 1 34 3 8 0 9 7 66 2 8 5 8 2 6一1 8 9 7 5 8 4 57 1 0 1 1 53 8 2 2 4 6 75 0 3 1 9 4 2 o 6 1 9 3 3 2 0 3o2 0 0 0 3 4o 78 9 9 7 2 1 5 9 8 8 4 2 0 o 8o00o 90 8 4 1 5 7o0 o 2 2 21 i 2 2 制冷剂的热物理性质 对于制冷剂r 2 2 的饱和液体汽化满热、普朗特数、饱和蒸汽的定压比热、饱和液体的 定压比热、饱利液体的导热系数、饱和液体与饱和蒸汽的粘度等参数可以根据文献【圳中的 数据拟和公式得到。 1 ) 饱和液体普朗特数： p r 7 = c o + c l 以+ 5 ) + c 2 ( f ，+ 5 ) 2 + 岛o ，+ 5 ) 3 + c 4 0 ，+ 5 ) 4 + c 5 0 ，+ 5 ) 5 + c 6 ( r ，+ 5 ) 6 ( 2 1 9 ) 式中：p r7 饱和液体的普朗特数； t 。饱和温度，以下同； c 0 - 3 1 7 4 7 0 1 ；e l = 3 8 3 2 5 6 6 x 1 0 一；c z = 1 8 8 9 5 7 2 x 1 0 4 ；c 3 = - 4 5 1 3 7 4 6 x 1 0 ； c 4 = 一1 6 0 9 8 9 6 x 1 0 4 ：c 5 = 3 0 5 4 2 9 9 x 1 0 ”：c 6 - - 7 6 2 5 2 7 2 1 0 ”。 2 ) 饱和液体定压比热： c p = p o + q t ，+ 乞e + p 3 t ；+ p 4 e + 岛t ； ( 2 2 0 ) 式中：c ：饱和液体的定压比热，j ( k g k ) 。 e o = 1 1 7 4 4 6 9 x 1 0 3 ；e l = 2 4 5 7 0 9 2 ；e 2 = 1 0 4 6 2 3 6 1 0 。； o 东南大学硕士学位论文 旬司0 7 1 0 0 0 x 1 0 5 ；e 4 = 7 4 0 3 8 1 6 x 1 0 - 6 ；p 5 - 7 5 6 0 6 1 3 1 0 4 。 饱和液体导热系数： a = 厶+ 石f ，+ a t ；+ a t ；+ 丘e 式中：丑饱和液体的导热系数，w ( m k ) ； 0 - - 9 7 6 4 1 8 2 1 0 - 2 ：f l = - - 4 9 3 4 5 7 2 x 1 0 4 ：f 2 - - 2 0 3 4 8 1 9 x 1 0 4 ； f 于- 1 1 2 9 1 5 2 x 1 0 4 ；f f - 1 4 5 0 7 9 6 x 1 0 “。 饱和液体动力粘度： ( 2 2 1 ) 1 = g o + 9 1 0 ，+ 5 ) + 9 2 ( f ，+ 5 ) 2 + 9 3 0 ，+ s y + 9 4 0 ，+ 5 ) 4 + 9 5 0 ，+ 5 ) 5 ( 2 2 2 ) 式中：饱和液体的动力粘度，p a s ； g o - - 2 7 4 9 2 4 8 1 0 - 4 ；g l = 一1 6 1 9 6 0 6 0 x 1 0 _ 6 ；g f l 0 8 2 8 4 2 x 1 0 4 9 3 = 一7 6 6 6 4 0 8 1 0 。l l ：9 4 = 4 6 2 5 5 8 3 x 1 0 ”。 饱和蒸汽定压比热： ”= + i l t + i 2 t 2 + i 3 t 3 + i 4 t 45+i6tcpi oi l ti 2 ti 3 ti 4 t - i - i s ti 6 t 6 = zj4)。 式中：g 饱和蒸汽的定压比热，j ( k g 。k ) 5 r f ，+ 1 7 1 4 2 8 6 ； i o = 6 0 6 9 4 1 2 x 1 0 2 ：i l = 1 7 6 6 7 6 4 ：i 2 = 1 0 5 2 1 2 4 x 1 0 。：i 3 = 3 2 3 1 9 1 2 x 1 0 4 ； i 4 = 3 7 2 3 1 8 7 x 1 0 - 6 ：i s = 一3 3 4 2 1 1 6 x 1 0 4 ：i 6 = - 4 7 2 5 9 6 9 x 1 0 + ”。 饱和蒸汽导热系数： 五。= j o + ( f ，一l o ) + j 2 0 ，一1 0 ) 2 + 五o ，一l o y + ，。( f ；一1 0 ) 4 + ，o ，一1 0 ) s 式中：饱和蒸汽的导热系数，w ( m k ) ； j o = 1 1 0 9 9 4 2 x 1 0 。；，1 _ 3 0 9 5 7 5 8 1 0 5 ；j 2 = 一2 8 9 0 4 6 9 x 1 0 4 ； j 3 = - 2 2 3 6 7 8 7 x 1 0 4 ；j 4 = 3 3 9 7 5 7 1 x 1 0 “；j5 = 3 2 8 1 3 3 0 1 0 一”。 饱和蒸汽动力粘度： 。= + k l r ，+ _ j 2 e + k 3 t ； f 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 式中：u 饱和蒸汽的动力粘度，p a s ； k o = 1 1 9 9 4 7 8 x 1 0 - s ；i l - 3 2 8 4 7 7 6 x 1 0 4 ；k z = - 9 7 7 5 6 4 1 x l f f ”；3 - 4 3 2 6 9 2 3 x 1 0 ”。 1 0 3 v r v 空调系统数学模型及计算 第三章v r v 空调系统数学模型及算法 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 求得部件模理和系统模型研究；从稳态、集中参数，到动态、分布参数；从瞬态特性研究， 到长期运行过程的仿真这样一条发展途径。 对系统部件的运行特性进行研究，最基本的方法是根据实验目的，制定实验的布骤，搭 建系统的实验平台，对实验数据进行收集整理分析，得出实验结论。从理论上讲，实验方法 是一种科学严谨的研究方法，但往往受到实验条件、测试精度、经济条件以及时间上的限制。 而计算机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对系统的性能进行 研究。通过计算机仿真，原来需要在实际装置上进行的实验，很多就可以在计算机上实现， 这样不仅可以节省大量的实验费用，而且对系统的运行特性、运行参数等能更加全面的了解 和掌握。 系统仿真所用的部件模型，不同于单独研究部件所用的模型，专门用于部件特性研究的 数学模犁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、以及部件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，因此采用过于复杂的部件模犁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j 。 在v r v 空调系统中，存在多个换热器，其大小规格可能各不相同，但数学模型都是相 同的，只要将各个蒸发器出口的制冷剂的合流后的状态参数作为压缩机模型的输入参数即 可。本文选择双联系统作为研究对象，既能体现v r v 系统的特点，又能不至于使模型计算 变得过于复杂。 本文研究的换热器为风冷翅片套片管式换熟器( 紫铜管，铝制翅片) ，这种换热器在房 间空调用蒸发器中使用较多，技术相对成熟。采用一维分布参数的方法对蒸发器建模求解， 因为在房间空调器中，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 器的管稃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，故采用有限著分的方 法来处理蒸发器，即将管长分成若干微元段，上一微元段的出口参数为下一微元段的进口参 数，如图所示： j - 1 j lf 一1 制盐倒i 豇 fl 、f + l l 图3 1 微元段示意图 3 1 蒸发器模型 蒸发器动态参数模型的建立分为制冷剂侧、管擘侧和管外空气侧三部分。冷剂侧一般由 两相区和过热区组成。由于同时存在加速压降和摩阻压降，整个流稃的压降较大，因此在模 型中引入压降计算。由于潜热交换的因素，析湿现象的出现对蒸发器的换热效果影响很大， 东南大学硕士学位论文 必须予以考虑。 制冷剂经过膨胀阀节流后，以低干度的汽液两相混合状态进入蒸发器。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， 蒸发器制冷剂侧仿真模型将分为两相区和过冷区两部分分别建模，两个区的换热机理、压降 也将分别计算。 两相区过热区 制冷剂喜 印。垂，d 参，h a ，牢气 一一。 图3 2 蒸发器模型示意图 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，只考虑轴向运动，忽略径向运动； 2 制冷剂在垂直与流动方向的截面上各点的物性参数和运动参数一