（动力机械及工程专业论文）双联变频空调系统特性研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nc h a r a c t e r so fi n v e r t e ra i r c o n d i t i o n e ro f d o u b l ee v 印o r a t o r ss y s t e m a b s t r a c t i nm i s p a p e r ， am a m e m a d c a im o d e li se g t a b l i s h e df o ri n v e n e r a i r - c o n d i t i o n e ro fd o u b l ee v a p o r a t o r si n c l u d e da l ln l em a i np a r t so fm e a i r c o n m t i o n e r ， s u c ha s血ec o m p r e s s o r l o w _ p r c s s u r es t o r e ，c o n d e n s e r e v a p o r a t o r s ，e l e c t r i ce x p a l l d i n gv a l v e 锄dr c 衔g e m t i o nc a p a b i l i t y m a k ea f le x p e r i m e n tt ot e s tt h ec h 盯a c t e r so fak f r - 2 6 叭g w b p + 2 i n v e n e ra i 卜c o n d i t i o n e ro f d o u b l ee v a p o r a t o r s t h es i m u l a t i o np e r f b n n a n c eo f t h em o d e la g r e e sw e l l 谢t ht l l ee x p e r i i l l c m a lo n e u s em a t l a bt om a k ep r o g r a m st 0c a l c u la _ t ea i l ds i m u l a t em es y s t e mt o a n a l y z em ed i s 仃i b u t i o no fp r e s s u r e ，t e m p e r a n 聪趴do t h e rp a r 锄e t e r so ft l l e t w oe v a p o r a t o r s 、v i t l ld i 丘b r e mo p e l l i n go fe l e c 伍ce x p a i l d 如gv a l v e a 1 s o ，t o s t u d yt 1 1 e i n f l u e n c eo fr c g u l a t e df a c t o ri m p a c to ns y s t e me m p h a t i c a l l y i n c l u d i n gr e 衔g e r a t i o nq u 孤t i t y ，s u p e r h e a td e g r e ec k m g e db yc o m p r e s s o r m t a t i o n a ls p e e da n do p e n i n gd e 伊e eo fe l e c t r i ce x p a n d i n gv a l v eu n d e r d i f l e r b n to p e r a t i n gm o d e k e y w o r d s ：a i rc o n d m o n e r ；d o u b l ee v a p o r a t o r s ；s i m u l a t i o n 绪论 1 1 研究背景与意义第一章绪论 随着我国国民经济的发展和人民生活水平的不断提高，制冷空调装置 得到飞速发展，能耗比重也逐年增加。据统计，1999年我国制冷空调产品 的耗电量已超过国民生产总耗电量的20，2003年家用空调的国内销售量 达到了3 0 0 0 万套，且每年以1 0 的速度增长【l 】，这表明小型家用空调已从 消费奢侈品转变为生活必需品，而另一方面，我国的制冷空调技术水平还 比较 酣弱篙征薛岢以拜；秽骱p 一硅f 陬址融娶是气态制冷剂；l 贞，刚塾蟹誊 鳓型耽爹i 地叫；幛譬卣蘅皆兰琴咖氧暨羹群醣勤鞭。牲掘：似蹦鲤三；。 滢菇瑶濯曜噶躞噔浸；曜谬胜髂阱描珩翻积“韵帐雠警狲卦等氍苗 羹摇：镨型荨盐漫魁璐罂墨里件蟛跫卫蔓童墨瀚泵嗽毖篓驱骗。酲豁机的吸、排气温度有较大影响。 本文研究的双联变频空调系统采用小型全封闭滚动转子式压缩机，它 具有结构简单、重量轻、运动部件少及运行可靠等优点，目前广泛应用于 变频空调系统【2 2 】。滚动转子式压缩机的工霸诵锌煽康扔诺悖壳肮惴河糜 变频空调系统【22】。滚动转子式压缩机的工作原理如图21所示。 9x 北京交通大学硕士学位论文 大负荷要等于空调的标准工况负荷。随着环境温度升高，制冷负荷增大， 机组的制冷能力却降低，如图1 1 所示。图中两条直线的交点为平衡点。 实际运行中满负荷工况只占全部工作时间的1 0 2 0 左右，大部分时间制 冷量过剩。其实全年中空调运行在标准工况的时间很少，因此，有人提出 应用更为科学的季节能耗比( s e e r ) 来衡量空调变工况的性能【4 ”。相比于 能效比e e r 值，s e e r 值衡量的是空调在各种负荷下的综合耗能，是对全年 工作能耗特性的相对准确反映。 环境翟_ 匪 图1 _ 1 制冷量一环境温度关系示意图 传统的家用空调大都采用压缩机开，停控制方式来调节制冷量与负荷之 间的平衡关系，即房间温度达到设定停机温度时压缩机停机，而房间温度 回升到设定开机温度时压缩机重新启动工作。这种调节方式结构简单，控 制策略易于实现。因此，在制冷系统中得到广泛应用。但是，这种控制方 式存在不可克服的弊端：首先，被控房间温度波动大，当要求温度控制范 围较小时必然导致压缩机频繁起、停；其次，停机后再启动时工况会在一 定程度上产生振荡；第三，频繁的启动会造成能量损失的增加及运行可靠 性的下降】。 变频空调采用改变电源频率和输出电压来调节压缩机转速的方式实现 了连续的、无极调节方式。 捌薅 lll a 时阃( s ) ； 一 一 鬻 耀 b 时间( s ) 圈1 2 空调器开，停控制与变频调节的能耗随时间的变化 a ) 开停控制方式b ) 变频控制方式 图1 3 开，停控制与变频调节的房间温度随时间的变化 上个世纪九十年代中期，随着变频技术的发展、市场的需求，传统的 单联机型逐渐向单室外机多室内机系统发展，以变制冷剂流量为特征的多 联变频空调系统因为节能、舒适性好、管路布置简单、节省费用以及有利 于保持城市建筑整体美观的特点正日益引起各界的注意 1 0 , 1 1 。 节能性：一般工程选择空调系统遵照最大负荷情况，而空调满负荷运 行时间通常占总运行时间的1 0 一2 0 ，即大部分时间在低负荷下工作，当系 统制冷量大于房间负荷时，传统空调采用开停控制，每次启动都需要很大 3 北京交通大学硕士学位论文 的启动电流而耗费很多电能，同时，由于蒸发温度下降，压缩功增大，耗 能随之增大，使空调效能比e e r 减小，因此连续运行的空调机的s e e r 值 远远小于其在名义工况下的e e r 值。而多联变频空调可以根据实际符合调 整制冷量，使二者相匹配，一方面避开了开停机的能耗，另一方面当空调 系统在低于额定频率运转时，热交换器的效能相对增加，e e r 值也随之增 加，同时由于转速下降，也减小了压缩机的机械摩擦损失。所以，空调在 低负荷时有较高的e e r 值，从而连续运行时的s e e r 也大幅提高。 舒适性：多联变频空调系统能产生更好的舒适效果，空调启动后，利 用较高的压缩机转速及较大的容量方式使室温更快达到设定温度，缩短不 舒适时间。室温变化小且平顺。多联变频空调可以保持较低的运转速度和 较小的送气率，不改变室温而得到除湿效果。 此外，相对于传统的定频空调，多联变频空调还具有对电源与电压敏 感度低、减少因起停对电网的干扰、寿命长和冷量调节范围宽等特点。 基于以上优势，多联变频空调系统成为今后大居室、多居室空调器消 费的新趋势，所以对于多联变频空调系统的研究从理论上和实践上都具有 相当重要的意义。 图1 , 4 双联空调系统结构 图1 4 是双联变频空调系统，不同与传统的单机分体式家用空调器， 4 绪论 双联变频空调具有两个蒸发器，因此两个蒸发器间各参数互相影响，使其 运行特性较为复杂，具有极强的耦合性。空调系统模型的建立，最终目的 是为优化匹配服务，为使模型准确、可靠，采用稳念分布参数建模，其模 拟精度将会比集中参数建模有显著提高。在空调系统的运行中，各部件的 工作参数是互相关联的，系统满足能量守恒、质量守恒和动量守恒。图1 5 基于以上三个平衡关系，将各个部件的进出口参数耦合起来，模拟整个系 统各部件的运行，分析各个参数对于系统性能的影响。 毛dm i nz - 廿2 加茁拧 图1 5 制冷系统参数间的耦合关系 在系统工作过程中，构成系统的各个部件同时运行，都对系统的状态 起作用，部件之间的相互作用关系是通过能量和质量传递实现的。 北京交通大学硕士学位论文 由图1 5 中可以看出制冷系统参数之间的关系。各部件主要参数为质 量、压力和焓值。如果不考虑空调系统的制冷剂泄漏，在全封闭的空调器 里，正常情况下，制冷剂的总量保持不变，在稳定运行工况，流经各个部 件的制冷剂流量保持恒定，质量传递的同时伴随着能量的传递。系统内部 的压力是互相关联、连续变化的，稳态时，压力数值在系统内部按一定规 律循环，制冷剂的状态参数是封闭和连续的。系统内部与外部能量交换遵 守热力学第一定律，外部输入的能量( 包括蒸发器吸热，压缩机输入功等) 与内部向外部传递的能量( 冷凝器和压缩机壳体散热) 相等。 1 2 多联变频空调的发展及研究现状 综合国内外文献 1 2 2 1 ，目前多联变频空调的研究重点大致分为以下 五个方向： l 、直流、交流调速压缩机。 由于低转速时压缩机会出现供油不足气缸油膜形成不好和低频震动及 高频情况下存在强度、振动等问题，所以变频空调的制冷压缩机通常采用 回转式压缩机，如双缸滚动转予压缩机、涡旋式压缩机。目前研究焦点主 要集中在提高压缩机在宽频率范围内的效率、增加寿命及可靠度、降低压 缩机成本等方面。 2 、变频器。 变频器的研究主要为：降低其谐波失真、提高可靠度、集成化、提高 效率等。 3 、节流装置。 当变频空调的容量交化不大，即其频率范围变化不大时，由于毛细管 作为节流机构价格便宜，性能可靠，小型单机家用变频空调器仍然可以采 用。多联变频空调由于其容量变化范围较大，毛细管及普通热力膨胀阀不 6 能适应这一要求，电子膨胀阀因其容量调节范围宽、反应迅速成为研究重 点。 4 、最佳控制理论研究。 目前多联变频空调系统采用的控制方法有p i d 控制、模糊逻辑控制 p l c 、遗传算法g a 、人工神经网络和混沌理论等，但综合考虑舒适性及节能 性的最佳控制方式有待研究。 5 、多联变频空调系统各部件的匹配。 多联变频空调系统容量变化范围较大，对系统各个部件如何匹配也提 出了新的要求。 国内学者近年来才开始进行多联变频空调方面的研究，但均在控制方 式上。至于空调器的系统模拟，国内外曾有一些文章发表，但其蒸发器、 冷凝器和电子膨胀阀的模型都较为粗糙，本文从双联变频空调制冷系统运 行角度出发，对蒸发器、冷凝器和电子膨胀阀进行精确模拟，研究其与运 行特性，节能特性及控制方案，为多联系统的精确模拟和仿真奠定基础 1 3 本文主要工作 对于制冷空调装置的仿真研究，主要是为产品开发服务。通过仿真实 现装置的最优设计。 本文综合国内外对双联变频空调研究现状及目前存在的主要问题，在 实验及研究的基础上结合前人的经验，对制冷系统特性进行了分析，完成 以下工作： 1 充分考虑制冷系统的特点，从系统的传热、传质机理入手，建立制 冷系统的稳态分布参数模型。 2 对一台海信7 r - 2 6 0 l g w b p + 2 双联空调进行性能测试，验证仿真 数学模型的正确性。 7 双联变频空调系统模型 第二章双联变频空调系统模型 双联变频空调能够通过变频压缩机和电子膨胀阀的准确动作使系统的 制冷量基本随时与负荷匹配，同时又维持蒸发器出口制冷剂过热度最佳，保 证蒸发器面积得到充分利用，因而具有节能和舒适的特性。为了对变频空调 系统的特性深入了解，本章对压缩机、冷凝器、蒸发器、电子膨胀阀、低压 储液罐、管路和制冷剂充灌量建立数学模型。 2 1 压缩机模型 制冷系统仿真中，主要关心压缩机的热力性能，压缩机的热力性能可 以分为两个环节加以描述： 一是气态制冷剂工质的压缩运输环节。在此环节中，主要确定三个物 理量：通过压缩机的制冷剂输气量( 容积流量或质量流量) ，压缩机输入功 率和压缩机排气温度。 另一个是压缩机与环境的换热环节。在此环节中，主要确定的物理量 是压缩机的壳体温度，该温度对压缩机的吸、排气温度有较大影响。 本文研究的双联变频空调系统采用小型全封闭滚动转子式压缩机，它 具有结构简单、重量轻、运动部件少及运行可靠等优点，目前广泛应用于 变频空调系统【2 2 】。滚动转子式压缩机的工作原理如图2 1 所示。 9 北京交通大学硕士学位论文 2 擎霎，g 孕 图2 1 滚动转子式压缩机工作原理 当滚动活塞处于图2 1 ( a ) 位置时，活塞外表面与气缸内表面形成一月 牙形空间( 圈中容积k ) ，从蒸发器流入的低压制冷剂蒸气经吸气孔口流入该 空唰( 气室) 。此时，由于该气室内为低压气体，刳 气阀处于关闭状态。主 轴继续旋转，活塞在气缸内表面滚动。当活塞处于图2 1 ( b ) 位置时，滑 板、气缸及活塞将气缸内容积分成两个空间。滑板左侧与吸气孔口相通的 空间为低压室( 图中容积r ) ，随活塞转动容积不断增大，吸入气体。滑板另 侧容积则由于活塞转动而使容积缩小( 图中阴影部分) ，压力升高。滚动 活塞位于图2 1 ( c ) 时，滑板左侧容积r 扩大，吸入气体；丽右侧容积k 继续缩小，压力升高。活塞位于图2 1 ( d ) 时，吸气容积r 扩大，吸入更多 的气体。同时，压缩腔容积缩小而使气体压力高于排气阀外气体压力，排 气阀打开，高压气体自排气阀排出进入冷凝器中。制冷剂状态参数包括吸 气压力、吸气温度和排气压力、排气温度，在系统仿真中，因一一对应的 关系经常用蒸发器出口压力( 简称蒸发压力) 代替吸气压力，用冷凝压力 代替排气压力。本节中压缩机建模各个计算部分涉及到的吸气压力和排气 压力也用此法代替，不再赘述。 l o 双联变频空调系统模型 2 1 1 制冷剂流量计算 对于系统仿真用的压缩机模型，只需计算出每转的平均流量即可，因 此对于流量的计算可以借鉴已有的压缩机流量计算模型，见下式： m ；兄善 c z 一， 式中，为压缩机的理论容积输气量，脚3 s ；弋甜c 为吸气口制冷剂气体 比容，卅3 姆；a 为输气系数。 对于滚动转子式压缩机，理论输气量为： = 6 0 n ，r 上( r 2 一，2 ) ( 2 2 ) 式中，月为转速，r s ；r 为气缸内半径，m ；r 为压缩机滚动活塞半径， m ；三为气缸轴向长度，m 。 输气系数a 可以用如下公式计算： = 以冬t ( 2 3 ) 式中， ，九 x 北京交通大学硕士学位论文 胀过程是在超音速工况下进行的，速度很快，可以认为是绝热过程。 压力系数九： 圳一等等 5 ) 式中，靓为吸气压力损失，觇主要取决于吸气压力相对损失眈见，而 滚动转子式压缩机由于没有吸气阀是吸气孔口进气，故这一值很小，大约 只有0 0 0 5 左右，因此可以近似认为 。= 1 。 温度系数l ： 乃= 一z + 曰( z 。一i ) ( 2 _ 6 ) 式中，l 为冷凝温度，k ；乙为吸气温度，k ；l 为蒸发温度，彤。 全封闭滚动转子式压缩机是吸气管直接接到气缸吸气，但由于吸入气 体流经通道及气缸时仍被壳体内的高温高压气体加热，故温度系数很小， 上式为实验方法得到的经验公式。其中a = 2 5 7 1 0 ，b = 1 0 6 1 0 ，该 式的适用范围是3 0 3 岸s 瓦3 2 3 k 。 泄漏系数五，： 在滚动转子是压缩机中，泄漏是影响输气量的重要因素，因为气缸内 部的泄漏通道比较多。依据间隙值及冷凝温度的不同，泄漏系数也有所不 同。根据经验，对于标准工况，可近似取五= 乃，或当转速”= 5 0 r s 时， 丑= 0 8 2 0 9 2 ：转速刀= 2 5 r s 时，五= 0 7 5 0 8 8 a 积聩变颠定调系统模型 2 1 2 压缩机功率计算 压缩机理论功率计算公式为： n = v a p 击 实际的电机输入功率采用下式计算 式中，_ 。，为电效率。 电效率的计算公式为 n 。 ( 尊 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 叩c ，= 叩f 吁f 。柙? 玎m 。玎。 ( 2 9 ) 式中，_ r 、吼、研、巩、_ m 。依次为指示效率、加热效率、泄露效率、机 指示效率1 ：矾表示在压缩气体是气动损失及压缩过程热交换损失的 驴忑盏江 ，k ， l + ! ：! ( 望m ! 垒盟 ” ( 唾一 ) m 式中，v l 为吸入口气体比容，姆；婶k ，却_ 为吸、排气阀平均压降。 只；s 为压比： ，嚏为压缩初始及终了时制冷工质的比焓，：i k g 。 加热效率1 7 ：仉表示吸气过程的加热损失，近似取_ ，= 如。 泄漏效率叩f ：1 7 。表示气缸泄漏引起的能量损失，近似取口，= 九。 北京交通大学硕士学位论文 机械效率，7 。：r ，主要取决于摩擦功耗、油和制冷剂混合物的粘性，即 与混合物的温度、浓废有关，对于家用全封闭滚动转子式压缩机， r 。= 0 7 o 8 5 。 电机效率叩。：叼。对于商用压缩机来说，r 。0 8 。 2 1 3 压缩机温度计算 在压缩机的仿真模型中，制冷剂气体的压缩运输环节的时间常数，与 压缩机转速直接相关，近似于一转所需要的时间，例如，对于5 0 h z 的转速， 时间常数约为0 0 2 s ，与换热器的时间常数相比，相差2 3 个数量级，因此 可以采用稳态方程描述。然而，对于压缩机与环境换热的环节，其时间常 数主要取决于压缩机的热容和换热热阻，压缩机总的热容和换热热阻都比 较大，因此对于系统而言，其时间常数不能忽略，应采用动态方程描述。 按集总参数建模，将压缩机看成只有一个单节点的集中温度乙。，由能量方 程： e 。警- q 2 一q i ( 2 - 式中，e 。为压缩机的点热容，9 1 为压缩机壳体与外界换热，；q 2 为压缩 机内部生热，j 。 压缩机壳体对环境的散热包括壳体与环境的对流换热和辐射换热： q 1 = 疗b 2 h ( k k ) + 阳( k 4 - l ，r 4 ) 2 - 1 2 ) 式中，q 为壳体与环境换热，j ；占为壳体黑度；d 为压缩机当量球体直 径，m ； a 为壳体与环境换热系数，w ( m 2 k ) ；为波尔兹曼常数 d = 5 6 7 x 1 0 4 。 压缩机内部生热： 岛= m 。一m 一( k ，一吩。) ( 2 一1 3 ) 式中，为电机输入功率，删为压缩机内制冷剂质量，吃。、玩为制冷剂 山、入c i 焓。 21 4 压缩机模块计算流程图 根据以上理论分析，确定压缩机模块计算流程图如图2 4 所示： 2 2 冷凝器模型 计算吸气管出口参数 一算压缩机质量流量、功率 上 算压缩机换热量、出口参数 图2 2 压缩机计算流程图 冷凝器作为装置的高温换热器，与高温热源进行热量交换，在制冷模 式下是将系统产生和吸收的热量( 直接或间接) 排放到高温环境中去在 制热模式下是将系统产生和从低温环境吸收的热量( 直接或间接) 排放到 高温的用热空间中。 制冷剂在冷凝器中的换热主要是相变换热，以利用制冷剂冷凝潜热大 的优点。在装置稳定运行时，制冷荆咀过热气体状态进入冷凝器，先降温 的优点。在装置稳定运行时，制冷剂以过热气体状态进入冷凝器，先降温 北京交通大学硕士学位论文 而后逐渐冷却到汽液两相状态，并进一步冷却至过冷液体后离开冷凝器。 2 2 1 建模假设 冷凝器的稳态参数模型，其复杂程度有很大差别，如果完全考虑细节 结构的流动换热，必须建立三维模型。这样计算量大，计算稳定性差，且 也未必能保证计算精度。因此作如下假设： l 、管内制冷剂为一维均相流动，且不考虑压降。实际冷凝器内压降不 大，可以忽略。实际冷凝器内制冷剂的流动是复杂的分相流动，为了描述 的简便，做此简化。 2 、冷凝器为逆流行换热器。 3 、管外空气流动视为一维流动。 4 、管壁热阻忽略不计。与管内外侧的换热热阻相比，管壁径向热阻很 小可以忽略不计 5 、只考虑径向传热，即，制冷剂与管壁即空气之间的传热，忽略轴向 传热。 根据以上假设可以将冷凝器简化为下图所示物理模型： 也区 过婪区 图2 3 冷凝器模型示意图 t 剂 在模型中，将冷凝器分为三个相区，即过热区、两相区、过冷区。每 个相区按照制冷剂测温降划分若干个微元，对于两相区微元的划分，由于 温度不变，换热表现在焓值得变化上，可以按照焓值进行均分。 1 6 双联变频空调系统模型 由于是稳态模型，因而连续性方程( 质量守恒方程) 不必写出，由于 忽略制冷剂侧压降，因此制冷剂侧动量方程也不必写出。这样只需要写出 制冷剂侧能量方程、空气侧能量方程，和空气侧热平衡方程即可。 2 2 2 单相区模型 组 对任一微元，可以建立如下方程 空气侧换热方程 q o2 ( 吃z a 1 ) ( 2 1 4 ) 如嗥2 ，k 式中，q 为空气吸热热流量j s ，：m 。为空 l 图2 4 单相区微元示意图 0 l ，q l ，k 气质流率盘g j ；吃。，h o ：为空气进、出口比焓，i ，堙。 制冷剂侧换热方程 q r = m ，( i i h ，2 ) ( 2 1 5 ) 式中，q ，为制冷剂放热热流量j j ；m r 为制冷荆质流率置g s ；l 。，_ ：为 制冷剂进、出口比焓，堙。 管内外换热量平衡方程 q o = 占q ( 2 1 6 ) 式中，占为漏热系数。根据实验测定一般为o 8 s l 。 传热方程式 q ，= 删，( 一乙) ( 2 1 7 ) 式中，a ，为管外微元面积，m 2 ；乙为制冷剂侧平均温度，k ；l 。为空气 1 7 官 北京交通大学硕士学位论文 2 3 蒸发器模型 蒸发器作为装置的低温换热器，与低温热源进行热量交换。在制冷模 式下是从低温空间吸收热量，通过冷凝器排放到高温环境去；在制热模式 下则是从低温环境吸收热量，通过冷凝器排放到高温用热空间。 制冷剂在蒸发器中的换热是相变换热，以利用制冷剂蒸发潜热大的特 点。通常，采用r 2 2 制冷剂，在制冷装置稳定运行时，制冷剂以较低干度 的气液两相状态进入蒸发器，逐渐吸热蒸发，最后以过热状态离开蒸发器。 但是当蒸发面积较小或者当系统中制冷剂充注量较多时。蒸发器出口可能 不过热 2 7 】。 蒸发器特性与冷凝器特性的差异不仅表现在制冷剂侧，还表现在管外 侧的换热上，对于空冷型的蒸发器，由于蒸发温度一般会低于来流空气的 露点温度，故湿空气流经蒸发器时会发生析湿。，当蒸发器温度低于冰点时， 空气中析出的水滴会凝固，在蒸发器表面结霜。析湿有利于提高蒸发器的 换热能力，因为此时不仅有显热交换还有潜热交换，结霜则不同，在结霜 初期，同样可以增强换热，随着霜层的增厚，热阻加大，最终恶化换热隅2 9 1 。 蒸发器制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，整个流程的压降较大，从而对平均换热温差有一定影响，因 此，在模型中将引入压降计算。在空气流经蒸发器时，经历的是一个降温 降湿的过程，由于潜热的因素，析湿的出现对换热器的影响很大，因此蒸 发器空气侧模型较冷凝器更为复杂。 本节将建立双联蒸发器的稳态分布参数模型，双联系统具有两个蒸发 器，但是蒸发器的数学模型是一样的，只是需要计算两个蒸发器出口合流 后的状态参数作为系统循环的计算参数，本节首先给出蒸发器的数学模型， 再给出两个蒸发器出口合流计算模型。 职联变频空调系统模型 2 31 建模假设 蒸发器建模时采用如r 假设： l 、制冷剂与空气处于逆流状态。 2 、管壁径向温度一致，对于沿管长的每个微元，制冷剂侧、空气侧、管壁 的物性视为一致，不考虑管壁的热阻。 3 、从简化模型算 圭的角度考虑，过热区较短且加速压降很小，故忽略微过 热区压降 制冷剂 2 32 单相区模型 两相区过热医 图2 7 蒸发器模型示意图 k 类似于冷凝器对某一微元，可以 建立如下方程组： 乏，虹 空气侧换热方程 制冷荆侧换热方程 热平衡方程 l 0 1 。茸l - ，凡? 图2 8 单相区微元示意图 q = ( 。i 吃2 ) ( 2 3 9 ) q = m ，( h ，2 一1 1 ) ( 2 4 0 ) 包= s 9 ， ( 2 - 4 1 ) 2 5 宜 北京交通大学硕士学位论文 传热方程 制冷剂侧平均温度 空气侧平均温度 管壁长度 q ，= 蝴，( 巩一) ( 2 4 2 ) 7 1 ：她 n _ 7 1 ：拉 删 ( 2 4 3 ) ( 2 4 4 ) 上2 砉 c z 郴， 对于相区中第j 的微元，其计算长度0 可以写成 _ ：毫簿 协。， ( ，一乙，) 万z 下标为，的参数取它们在该相区中第j 个微元末端，即第，+ 1 个微元始 端的值 2 3 3 两相区模型 类似冷凝器对两相区某一微元，制冷剂 侧能量方程 q = ( 2 ，2 + 竹2 矗，2 ) 一( 聊，l ，1 + 啊1 n ) 又m v2 x m r = ( 1 一j ) 啊 腑小气p 0 坍巾k l 册。，- 毛l ，m 。 ( 2 4 7 ) 图2 g 两相区微元示意图 取联变频空调系统模型 所以得 g = 肌，2 t ，2 + ( 1 一屯1 1 ；l 和善：；! 二；霉i 萎l i 丑i 耋j ；i ；骧! 型籍a # ；莓蠢鞫i ! ，钏铡砒戥裂些；繇攀誊划冀磐酮誉臻，箨i 算ij j 终 薯鼍；t 薹冀 曼荔 _ 茕囊篓萋薹_ 童 薹 塔磊并 苦蠢籍荫 柏一i i 羹蠢 i l ，i ，( 矍。! 蚕；一薹： l g e ! ； 鞭* 冀涛 i 辱；塞 i 缓一篙；i 羹一鐾i ib。合关 联式2 6 1 ， 本文模拟的冷凝器翅片形式为三角形波纹形，因此选用如下关联式 n u = 0 6 8 7r e 。s l a l ( 一如s 1 “”( 等厂沼， 式中，5 为翅片间距，脚；屯为沿空气 b l i ；2 d 方向管间距，m ；吐为翅根直 径，m ；n 为排管数。 m ：华( 2 - 3 8 ) 2 2 5 算法设计 根据以上分析，设计根据冷凝器计算长度确定冷凝器出口状态的迭代 北京交通大学硕士学位论文 2 3 5 相关参数计算 对于单相区，制冷剂侧换热系数a 由d i 挑一b o e l e r 换热关联式计算： 式中努塞尔特数 雷诺数 m = 0 0 2 3 r e o 8p r 0 4 ( 2 5 5 ) 帆= 簪 ( 2 5 6 ) 二j u ， a 空气进口导热系数， r e ：堂 ( 2 5 7 ) 式中，为空气进口运动粘度，删2 s ：g ，为制冷剂质流密度坛聊3 s 。 对于两相区，制冷剂侧换熟系数采用w a n g 的公式【3 0 】 式中 p 一s 玎口 印 沼s s ， k 一一( 等卜吲。社。一般取。艇， “= ( 爿( 甜( 钳 协s ， h 。= 导九硝( 甜 ( 2 6 0 ) r1r q 5 l 考j 虻 像6 1 ) 北京交通大学硕士学位论文 合流后压力值的计算。蒸发器出1 ：3 压力变化非常复杂，有可能处于两 相流。处于液态的制冷剂压力不变，吸熟蒸发，处于气态制冷剂压力变化 非常复杂，本文对此作了简化；认为气态制冷荆合流后压力初始值为两压 力的平均值。 图2 1 0 蒸发器流程图 双联变频空调系统模型 2 4 电子膨胀阀模型 电子膨胀阀是一种智能型控制节流元件，它对输入信号处理后，根据 输入信号输出控制量来调节膨胀阀开度，达到调节流量的目的。电子膨胀 阀的动作需要三部分功能组合完成：传感器、单片机和电子膨胀阀 3 1 , 3 2 】。 图2 1 3 为以电子膨胀阀为节流元件的制冷系统示意图。 一 电早膨胀阀 压缩机 图2 1 1 以电子膨胀阀为节流元件的制冷系统示意图 传感器将温度或压力信号转换为模拟电信号；该模拟信号经a d 转换 后变为数字信号供控制部分逻辑运算；控制部分把传感器的测量值与设定 值进行比较，并根据确定的逻辑输出调节量，调节量转变为脉冲量或经过 d a 转换变为模拟量输出到电予膨胀阀的执行机构。 双联变频空调制冷系统通常采用电子膨胀阀作为节流机构，且两个蒸 发器各有一个独立的电子膨胀阀。 2 4 1 基本模型 以步进电机驱动的电子膨胀阀的质流量m v 计算公式 m ，= c v a ，p 妒 ( 2 7 0 ) 双联变频空调系统模型 共同结合作为系统最终的收敛准则，而不去直接求解储液器中两相制冷剂 的量。 低压储液器中存储豹制冷剂量在稳态模拟时是无法算出来的，制冷剂 在各部件中的分布在启动完成进入稳态运行后，就不会发生较大变化，因 为这是电子膨胀阀和压缩机的流量相等从而使进入储液器的制冷剂量也相 等。稳态模拟时，只有用充灌量减去系统其他部件内的制冷剂存储量才能 确定储液器中的制冷剂量。 因此，对储液器的模拟只要注重制冷剂存储量的计算，由于双联变频 空调制冷系统在高、低频率的最大充灌量有较大差异，高频时所需的充灌 量多，低频时较少。如果按高频的要求确定充灌量，低频时会出现充灌量 过剩是系统整体性能下降；如按照低频的要求确定充灌量，高频时会出现 充灌量的严重不足。储液器就是用来缓解变频空调这一矛盾的，因此，储 液器的最小尺寸应能存储高、低频的充灌量之差。 2 5 1 低压储液器制冷剂存储量计算 本系统使用圆筒形储液器，储液器总高度为h ，当液面高度为h 时内部 存储的液态制冷剂为： m 。：! 业 ( 2 _ 7 1 ) c 式中，为储液器半径，m ；k ，为储液器中压力对应饱和液态的比容 肌3 k g 。 储液器内部存储的气态制冷剂为 。竽 协，z ， 北京交通大学硕士学位论文 式中，k 。为储液器中压力对应饱和气态的比容，m 3 培。 储液器中的制冷剂量只能用机组的总充灌量减去系统中其他部件的存 储量来确定 帆。= m 删+ 帆。= 帆。一 ( 2 7 3 ) 2 5 2 储液器进、出口状态确定 储液器进口状态与蒸发器出口状态有很大关系，忽略制冷剂管道的压 力损失和外界的吸热，可以认为与蒸发器出口的状态一致。 低压储液器存储了系统中多余的制冷剂，由于储液器内部是气液共存 的状态，可以认为其出口状态为内部压力对应的饱和气体状态。 2 6 制冷剂充灌量计算 单相区的制冷剂质量计算。 对于家用空调系统，单相区制冷剂量可以表示成如下形式 m = 孓”pd y + 鬟”l pd y + 孓“ i pf d y + p 矿。小+ mp 伊。+ m 。，7 ( 2 7 4 ) 上式中各项分别对应蒸发器过热区( 包括回气管) 、冷凝器过热区、冷 凝器过冷区、压缩机空腔、管路和润滑油中的制冷剂量。 由于系统稳定运行时，连接管内制冷剂及压缩机气缸中的过热制冷剂 气体，温度变化不大，故可用平均温度来计算密度；电子膨胀阀内容积很 小，其储存的制冷剂可以忽略：润滑油中溶解的制冷剂量，可以根据油质 量及制冷剂的溶解度进行计算【州。 两相区的制冷剂质量计算。 双联变频空调系统摸型 稳定运行时，制冷剂在蒸发器、冷凝器管内大部分处于两相区分均相 流( 雾状流、泡状流、塞状流) 和分相流( 分层流、环状流) 模型，管内 实际存在的两相流为环状流和雾状流，在干度o 9 2 0 7 之间发生流型的转 变，横向布置得u 型管弯头，不改变管内的环状流型。本文根据系统实际 情况，假设换热器两相区的单位面积热负荷一定，选用h u g h m a r k 模型计算 两相区的制冷剂量【3 5 l ，其表达式为： 口： 垒 1 + ( 1 - x ) 一p , ( 2 7 5 ) x p l 式中k ”2 ( z ) 其具体关系式见2 i 表 表2 1z 与k h 关系表 z1 31 52 03 o4 05 06 0 k h0 1 8 50 2 2 50 3 2 5 0 4 9 00 6 0 50 6 7 50 7 2 0 z8 01 0 01 5 02 0 0 4 0 0 7 0 01 3 0 0 k h0 7 6 70 7 8 00 8 0 80 8 3 00 8 8 00 9 3 00 ，9 8 0 z ：r e 0 6 t _ f r s( 2 7 6 ) y l i 黜。2 万丽d , g ( ：琊) 式中f r 为f r o u d e 数： 丹= ( 2 7 8 ) 儿2 习亚 ( 2 - 7 9 ) 1 + i l l 、”7 l 1 一x p g 系数z 计算中包含口，所以模型在计算空泡系数时，必须经过迭代， 计筑量较大，这样两相区中的制冷剂贮存量为： 北京交通大学硕士学位论文 历= + = 爿r 卜岛+ ( 1 一口) 舟 ( 2 8 0 ) 式中，如为两相区长度，m ：爿为换热器面积m 2 ：，为制冷剂管长m 。 制冷剂总的充灌量为各部分充灌量之和。 2 7 制冷剂工质r 2 2 热力性质计算 r 2 2 的热力性质有很多软件和算法可以参考，本文根据文献 3 6 采用气 液两相精度均较高的p r 方程来计算r 2 2 的热力性质。 p r 状态方程为 肚嵩一而舞而 沼s - ， v 一6v f v + 6 ) + 6 f v 一6 ) 0 17 在已知t 和p 时，用压缩因子z 来表示p r 方程 z 3 + ( 1 一占) z 2 + ( 爿一3 曰2 2 曰) z 一( 一b 一6 3 一b 3 ) = o( 2 8 2 ) 其中：爿= 筹，占= 等口6 为范德瓦尔常数。 弘罂小器一警已 崩6 4 p 。，8 p 。，3 t c r 一 。r 度和比容。 2 7 1 焓熵计算公式 由p r 状态方程导出：余自由能方程 铲胁孚一焘k 署等h 毒 v 2 2 6 v + 2 4 1 4 6 v n 余熵方程和熵计算公式 口3 一q ( 2 - 8 3 ) ( 2 8 4 ) 双联变频空调系统模型 驴一刖n 击+ 忐m 鬲v - o 而4 1 4 b 圳n 三v 0 余焓方程和焓计算公式 5 2s o s 。 ( 2 8 5 ) ( 2 8 6 ) l = q + 已+ ( r ，一p v ) ( 2 8 7 ) 矗。一一 ( 2 - 8 8 ) = 。+ h d r ( 2 8 9 ) 其中，v 0 为与实际气体同温同压状态下理想气体比容v o = 下r t ；和为与 实际气体同温同压状态下理想气体的比焓、比熵；c 。为理想气体比热， 铲叶b t + c r 埘3 ：卢= 蠢。 2 8 双联系统计算流程 在制冷系统中，各部件之间相互作用构成一个整体，系统中通过制冷 剂流动产生的作用与通过热量传递产生的作用同时存在，两种作用的计算 都存在闭环系统的处理问题。因此，在系统仿真过程中必须把闭环系统转 化为开环系统，再通过系统参数之间的耦合性重新形成闭环系统。对于一 般通过反馈形成的闭环系统，可将估计的反馈值作用于输入端，在去除反 馈的情况下计算输出，然后根据开环计算的反馈输入重新进行开环计算， 直到修正反馈值和原来估计的差值足够接近【”圳】。 按照闭环系统的计算方法，必须在某一环节断开，从估计反馈值开始 进行开环计算。由过去的研究中发现 4 1 - - 4 3 】，从压缩机入口处断开最为理想， 第一，由于压缩机的输入值是压力和焓值，无需流量方面的信息，因此容 3 7 北京交通大学硕士学位论文 易获得初始值；第二，系统各部件之间进出口参数联系的原因是制冷剂的 流动，而压缩机是制冷剂流动的动力源，所以从压缩机入口处断开容易获 得稳定解。 整体算法主要思路为：在稳态时，制冷系统中的制冷剂质量流量一致， 制冷剂状态以及制冷剂充注量保持不变。具体操作时程序采用三重循环结 构，由内到外依次为质流量平衡、过热度计算值与假设值相等及充注量平 衡。首先假设蒸发温度、冷凝温度和蒸发器出口过热度，通过调节冷凝温 度来达到压缩机出口质流量和电子膨胀阀出口质流量相等，在蒸发温度和 过热度一定的情况下，冷凝温度变化对膨胀阀质流量的影响比对压缩机质 流量的影响大得多，通过调节冷凝温度可以方便地达到两者间的平衡，因 此，这重循环是可以实现的。然后，调节蒸发温度使蒸发器出口的过热度 与假设值一致，蒸发温度的改变将直接影响蒸发器与外界之间的换热，因 而可以大范围改变蒸发器出口过热度，使计算过热度和给定过热度相等， 这重循环也是可以实现的；最后，调节过热度达到制冷剂充注量平衡，由 于过热度的变化对制冷剂在蒸发器和冷凝器中的分布情况影响都很大，因 而调节过热度即可改变制冷系统中制冷剂的充注量，使之达到给定充注量， 从而可实现第三重循环，通过这三重循环即可确定制冷系统稳态工作参数。 制冷系统稳态仿真模型求解的流程图如图2 1 3 所示。 双联变频空调系统模型 图2 1 3 制冷系统稳态仿真程序流程图 北京交通大学硕士学位论文 房间l 压力测量装 压力测盂装置 压五虱面目i 语l 连接风警 勰一薹书t排风扁鲁釜i i 1 空气测量装置 墼整吲 温度测量装置 房间2 喷垮 l。j 塑涔囊纛 掣要基赶蠢 币亭皇毯 亨 耋鍪弦霉i 海蓑 亟 雾转慕 耋企鍪囊薹鬃 琶。翥i 羹羹薹雾 妻。i 融莪氍掮婪r 卧 睁矗譬羹 噬躅咀骱囊懦崤。盈攮篓蘸阀进需径绻辅黜弩壬半刽冒。夥蔫圣三刍 剧# g 型；嚣蒲随 着 a 阀开度变大，a 、b 阀进口及压缩机吸气压力都是先变大后变小，而 x 系统实验研究及模型验证 差表，其测试值可直接由显示屏输出。实验前用水浴法对热电偶进行标定。 3 3 2 湿度测量 测试仪表主要有普通干湿球温度计、通风干湿球温度计和自记式温湿 度计。本实验选用通风干湿球温度计，此种干湿球温度计是在两只水银温 度计下部增设风扇，使空气以2 m s 的速度流过干湿球温度计的感温包，其 测量精度要高于普通干湿球温度计。 3 3 3 循环风量测量 空调器室内侧循环风量的测量采用毕托管和斜管微压计进行间接测 量，是由测量风道出口附近的三个喷嘴的前后压差计算得出，三个喷嘴用 于测量不同范围的风量。 3 3 4 压力测量 在空调系统中，制冷剂侧的压力测量原理是利用毛细管在节流元件前 后布置导出装置，测量其内制冷剂压力，空气侧的压力测量主要是测量风 管内喷嘴前后的静压差或喷嘴喉部的动压及喷嘴进口处的大气压力。他们 的值可用液体压差计和毕托管( 又称测压管) 配合测定。本实验中，液体 压差计采用的是y y t - 2 0 0 b 型倾斜式微压 x 北京交通大学硕士学位论文 冷剂量就是充入系统的充灌量。制冷剂质量的测量采用x h 一1 0 0 型电子秤 其量程为2 0 0 9 3 0 k g ，最小 r 器。萎豢鏊。雕鋈羹企慧薹囊霪薹 酬骚；辅错攀案靠赫塔商拭濂壤潆型藕驯桕豁墼酣群鞋“鼎墼掣： 霎? 囊萋鬟翱囊蠢霾冀 道消塌制港糯理埔氇耀塑造障名瑁镉檬滩l 鬟嗜氇溜璺霾阿拍墓理翼耋 耋耄羹茎冀萎墓；矍囊关 系 4 2 2 定开度变转速对各参数的影响 电子膨胀阀开度不变时，压缩机运行频率对各参数的影响。工况为：冷 凝温度tc o n = 3 8 ，过冷度t = o ，室温t 。= 3 2 ，先计算找出最佳工作点 a ，其过热度2 左右，两膨胀阀开度相等均为f = 0 6 m m 2 然后其它条件不变 只改变压缩机转速，研究其对系统各参数的影响。 图41 0 分析了压缩机运行频率对两蒸发器出口混合过热度的影响。从 图中看出，压缩机运行频率对过热度有比较明显的影响，因此，对于变频 空调过热度控制系统的设计，必须考虑压缩机运行频率对过热度的影响。 在整整个变频空调控制系统中，压缩机的运行频率应该是最重要的被控参数， x 北京交通大学硕士学位论文 表3 2 换热器结构参数 排数片形 片距片长 粗管 细管排形 冷凝器双波纹片 1 7 m m2 2 m m 西1 2 西6 两折 蒸发器双窗口片 1 4 m m1 3 m m 击9击9三折 3 5 1 额定工况下变频率性能测试 本次实验测试在额定工况下，充灌量为1 6 0 0 9 时，双机全开在不同频率 下的性能参数，由于系统频率允许变化范围为2 0 1 2 0 h z ，避开两端极限频 率，测设频率范围选择3 0 1 1 0 h z ，频率变化区间为= 1 0 h z 。实验数据见 表3 3 和表3 3 续。 表3 3 室内外丁况参数 室 z 2 7 0 22 7 0 12 7 0 22 7 0 0 2 7 0 12 6 6 92 7 o l2 7 0 l2 7 0 2 内 球 工 湿 1 9 0 31 9 0 31 9 0 l1 8 9 31 9 0 21 9 0 31 8 9 81 9 0 0 1 8 9 6 况球 室千3 5 0 03 5 0 13 5 0 2 3 4 9 8 3 4 9 63 5 0 23 5 0 33 5 0 23 5 0 1 外球 下湿2 4