制冷裝置循環(huán)性能模擬計(jì)算方法

　　水源熱泵(Heat Pump) 是以水作為熱源和熱匯的熱泵系統(tǒng)，可分為地下水熱源熱泵和地表水熱源熱泵兩大類(lèi)，就目前的現(xiàn)狀而言，水源熱泵還沒(méi)有獲得和空氣源熱泵一樣的廣泛應(yīng)用，原因有以下兩點(diǎn)：一方面是水源熱泵的投資比較高、水源的獲取受到限制（limit）；另一方面，目前為止還缺乏一種可靠的水源熱泵設(shè)計(jì)方法和計(jì)算模型水源熱泵的運(yùn)行特性必須與建筑(building)物的空調(diào)負(fù)荷特性相匹配，存在著負(fù)荷平衡的問(wèn)題(Emerson)。
　　本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的水源熱泵模擬方法的分析和比較，根據(jù)空調(diào)制冷系統(tǒng)幾個(gè)主要部件的運(yùn)行特點(diǎn)，建立了一組水源熱泵穩(wěn)態(tài)性能的計(jì)算模型，通過(guò)模擬得出R22和R22/R142b在同一熱泵機(jī)組相同工況下的性能，從理論和實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證混合工質(zhì)的節(jié)能(Energy saving)理論，得出相應(yīng)工質(zhì)可能的性能效果，為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究提供理論依據(jù)。昆山空壓機(jī)維修是更換全部磨損的零件，空壓機(jī)轉(zhuǎn)1000個(gè)小時(shí)或一年后，要更換濾芯，在多灰塵地區(qū)，則更換時(shí)間間隔要縮短。濾清器維修時(shí)必須停機(jī)，檢查壓縮機(jī)所有部件，排除壓縮機(jī)所有故障。
　　1模型建立1.1制冷空調(diào)系統(tǒng)(system)循環(huán)（continue)性能模擬(定義:對(duì)真實(shí)事物或者過(guò)程的虛擬)計(jì)算方法實(shí)際制冷系統(tǒng)是一個(gè)融合了傳熱傳質(zhì)的復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程。從系統(tǒng)性能模擬的角度來(lái)看，制冷系統(tǒng)的幾個(gè)主要部件可以分為三類(lèi)熱力模型：第一類(lèi)是蒸發(fā)器和冷凝器，它們屬于換熱器部件，其中儲(chǔ)存了一定量的制冷劑，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響著系統(tǒng)制冷劑儲(chǔ)液量分配的計(jì)算結(jié)果，但對(duì)系統(tǒng)的流量沒(méi)有直接的影響。第二類(lèi)是膨脹閥和壓縮機(jī)，它們屬于系統(tǒng)中壓力(pressure)調(diào)節(jié)(adjust)部件，直接決定著系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力和冷凝壓力。儲(chǔ)液器可以歸為第三類(lèi)，它儲(chǔ)存了整個(gè)系統(tǒng)中的大部分制冷劑，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有著很大的影響，但并不要求詳細(xì)了解其中的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，僅計(jì)算儲(chǔ)液器的總體狀態(tài)和進(jìn)出口參數(shù)。
　　由于蒸發(fā)(evaporation)器和冷凝器（類(lèi)別：換熱設(shè)備）在制冷系統(tǒng)(system)中是很重要的，對(duì)它們的研究也很活躍（Active)，分別建立了一些相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型(model)，總體上可分為4種：黑盒子模型、單一區(qū)域模型、兩區(qū)域模型和分布參數(shù)模型。水源熱泵的蒸發(fā)器和冷凝器都是采用循環(huán)水作為載體，在兩區(qū)域模型的基礎(chǔ)上，考慮（consider)了兩相區(qū)氣液滑移產(chǎn)生的動(dòng)量交換和質(zhì)量交換，建立的一組無(wú)因次數(shù)學(xué)模型。對(duì)于壓縮機(jī)和儲(chǔ)液器，一般都忽略其內(nèi)部復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過(guò)程(guò chéng)，認(rèn)為壓縮機(jī)容積中制冷劑均勻分布，儲(chǔ)液器中制冷劑處于飽和（saturation）狀態(tài)，整個(gè)容積壁面處于相同溫度下，建立集中模型（Lumped Model）。
　　節(jié)流裝置(Apparatus)有毛細(xì)管、熱力膨脹(inflate)閥等，通常把熱力膨脹閥看成一個(gè)節(jié)流裝置。
　　1.2系統(tǒng)簡(jiǎn)介水源熱泵系統(tǒng)示意圖如所示，其具體參數(shù)如下：冷凝器：采用套管式換熱器（外加保溫層），銅管外徑φ0＝10 mm，內(nèi)徑φi＝8 mm；塑料套管內(nèi)徑φ＝18 mm；總長(zhǎng)為10 m.采用每2 cm一個(gè)結(jié)點(diǎn)，沿管長(zhǎng)共取500個(gè)結(jié)點(diǎn)。
　　蒸發(fā)器：采用類(lèi)似蒸發(fā)器的套管式換熱器，總長(zhǎng)為8.46 m，沿管長(zhǎng)共取423個(gè)結(jié)點(diǎn)。昆山空壓機(jī)維修是更換全部磨損的零件，空壓機(jī)轉(zhuǎn)1000個(gè)小時(shí)或一年后，要更換濾芯，在多灰塵地區(qū)，則更換時(shí)間間隔要縮短。濾清器維修時(shí)必須停機(jī)，檢查壓縮機(jī)所有部件，排除壓縮機(jī)所有故障。昆山空壓機(jī)是回轉(zhuǎn)容積式壓縮機(jī)，在其中兩個(gè)帶有螺旋型齒輪的轉(zhuǎn)子相互嚙合，使兩個(gè)轉(zhuǎn)子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出。采用熱力膨脹閥，其中感溫包中的制冷(Refrigeration)劑的溫度對(duì)應(yīng)于蒸發(fā)器出口溫度的響應(yīng)。壓縮機(jī)：旋轉(zhuǎn)(Rotating)式壓縮機(jī)，n = 2 980 r/min，壓縮機(jī)理論排量V = 2.16×10 -6 m 3 /r.儲(chǔ)液器：容積(Capacity)為V = 4.75×10 -4 m 3。四通換向閥。
　　1.3系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型的目標(biāo)是在已知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)、換熱器進(jìn)出口水溫和流量(單位:立方米每秒)的基礎(chǔ)上，分別建立各個(gè)部件的數(shù)學(xué)模型，最后求得系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能。
　　1.3.1換熱器模型(model)換熱器是制冷空調(diào)系統(tǒng)中的主要換熱設(shè)備，它包括蒸發(fā)器和冷凝器兩大主要部件。對(duì)于水源熱泵來(lái)說(shuō)，常采用套管式（小負(fù)荷）換熱器和管殼式換熱器（大負(fù)荷），實(shí)驗(yàn)中選取套管式的，制冷劑走管程，載熱（冷）劑走殼程，所以換熱器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型應(yīng)包括管內(nèi)側(cè)制冷劑、管外側(cè)水和金屬管壁三個(gè)部分。
　　第一部分為管內(nèi)側(cè)制冷劑的數(shù)學(xué)模型。（4）對(duì)于均相流體來(lái)說(shuō)，上述式（1）（4）中的取值分別為0或1，其中R q為制冷劑與管壁的換熱量：tp，in tp（）R w qαT T =。
　　（5）第二部分為管壁的數(shù)學(xué)模型：認(rèn)為管內(nèi)、外壁(Outer wall)溫度相等，采用集中參數(shù)法建立管壁熱平衡方程。昆山空壓機(jī)維修軸承跑外圈一般是因?yàn)榕浜系木炔粔蛞约巴馊Χㄎ环绞皆O(shè)計(jì)不合理造成的。并非所有機(jī)頭都按這個(gè)時(shí)間進(jìn)行，如果保養(yǎng)好的可以延后，保養(yǎng)差的則需要提前。 d（）（）d w R i R w a o w a T C M A T T A T T t =α。
　?。?）第三部分為載冷（熱）劑水的數(shù)學(xué)模型(model)，可以作出如下假定：流體(fluid)為不可壓縮流體；流體流動(dòng)為一維流動(dòng)；流體的粘性作用很小，略去粘性耗散項(xiàng)；沿流動(dòng)方向的導(dǎo)熱，質(zhì)量方程：d（）πd a a o a M d Dωx =。
　
　?。?）1.3.2壓縮(compression)機(jī)模型壓縮機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)(system)的核心部件，實(shí)驗(yàn)中采用容積式壓縮機(jī)由于壓縮機(jī)內(nèi)的制冷劑處于氣態(tài)，在此作如下處理(chǔ lǐ)：簡(jiǎn)化為一個(gè)理想的絕熱過(guò)程除80%.
　　壓縮機(jī)的排氣量：th v R s V m v=λ，（9）其中：輸氣系數(shù)vλ，包括壓縮機(jī)的容積系數(shù)cλ、壓力系數(shù)pλ（取1）、預(yù)熱系數(shù)Tλ和泄漏系數(shù)Dλ（取0.98）的修正，νs為壓縮機(jī)的進(jìn)入氣體密度，V th為壓縮機(jī)理論容積輸氣量。
　　1.3.3熱力膨脹閥模型制冷劑流過(guò)熱力膨脹閥的過(guò)程可視為等焓過(guò)程，忽略其本體熱容變化的影響，則通過(guò)膨脹閥的流量計(jì)算：st（）
　?。ǎ﹊ c e b e m C p ρ，（11）其中C為膨脹閥的特性系數(shù)，ρi為膨脹閥制冷(Refrigeration)劑密度，p b為感溫包的壓力，p st為由膨脹閥彈簧提供的靜壓。
　　1.3.4儲(chǔ)液器模型(model)制冷劑流過(guò)儲(chǔ)液器的壓力降較小，可以認(rèn)為其進(jìn)口蒸氣的焓值與出口蒸氣的焓值相等，把儲(chǔ)液器看成一個(gè)整體，且整個(gè)壁面保持在同一溫度下，采用集中參數(shù)法建立如下的數(shù)學(xué)模型。昆山空壓機(jī)維修軸承跑外圈一般是因?yàn)榕浜系木炔粔蛞约巴馊Χㄎ环绞皆O(shè)計(jì)不合理造成的。并非所有機(jī)頭都按這個(gè)時(shí)間進(jìn)行，如果保養(yǎng)好的可以延后，保養(yǎng)差的則需要提前。 儲(chǔ)液器質(zhì)量方程：d ac c e m t 。
　?。?2）儲(chǔ)液器能量方程：dd ac e e ac w ac c c m h T m h t = +α。
　?。?3）儲(chǔ)液器壁面的溫度（temperature)變化：d（）d w o a w ac w ac T C M T t =α。（14）1.3.5四通換向閥模型四通換向閥主要通過(guò)改變氣流通道而使氣體流動(dòng)方向發(fā)生變化，從而達(dá)到改變氣動(dòng)執(zhí)行元件(element)運(yùn)動(dòng)(movement)方向目的。制冷劑在四通閥中，從高壓側(cè)向低壓側(cè)的泄漏(leakage)量可表示為：（）L c e L C p p m=μ，（15）其中C L為泄漏系數(shù)。
　　2計(jì)算方法與結(jié)果分析2.1計(jì)算方法穩(wěn)態(tài)計(jì)算主要用于預(yù)測(cè)一定工況下制冷系統(tǒng)穩(wěn)定（解釋:穩(wěn)固安定；沒(méi)有變動(dòng))運(yùn)行時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的系統(tǒng)性能(property)，從而反映壓縮機(jī)、冷凝器、儲(chǔ)液器、四通換向閥、熱力膨脹閥和蒸發(fā)器各部件之間的耦合關(guān)系。實(shí)際制冷系統(tǒng)是一個(gè)封閉的循環(huán)回路，其表征工質(zhì)特性的物理量，既是系統(tǒng)某部件的輸出量，同時(shí)又是系統(tǒng)下一個(gè)部件的輸入量，因而可以很方便地得到系統(tǒng)和各部件工作參數(shù)的耦合關(guān)系。一般采用上游邊界點(diǎn)值代替內(nèi)部結(jié)點(diǎn)相應(yīng)的參數(shù)值，對(duì)各微分項(xiàng)采用向前差分，對(duì)時(shí)間項(xiàng)采用隱式格式。
　　純工質(zhì)R22和混合工質(zhì)R22/R142b（按質(zhì)量成分46.3：53.7）的熱物性參數(shù)(parameter)計(jì)算，采用改進(jìn)的PT方程，并假定初始參數(shù)：蒸發(fā)器出口過(guò)熱度同為5℃；T
　　C、T e的選取原則：純工質(zhì)取冷凝壓力和蒸發(fā)壓力所對(duì)應(yīng)的飽和溫度，混合工質(zhì)取冷凝壓力對(duì)應(yīng)的泡點(diǎn)溫度、蒸發(fā)壓力對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度。
　　2.2計(jì)算結(jié)果與分析為了檢驗(yàn)上述模型的準(zhǔn)確性，文中采用一套小型水源熱泵(Heat Pump) 裝置的實(shí)驗(yàn)（experiment)數(shù)據(jù)（data)與其對(duì)應(yīng)環(huán)境參數(shù)(parameter)的模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1.對(duì)比數(shù)據(jù)包括蒸發(fā)器和冷凝器的出口水溫、整個(gè)系統(tǒng)的制冷量、耗功量和對(duì)應(yīng)的性能系數(shù)COP值從表中的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出，蒸發(fā)器和冷凝器出口水溫的平均誤差小于0.62℃，制冷量和耗功的誤差小于9.95%和8.7%，說(shuō)明所建立的計(jì)算模型的精度比較高，能夠較好地預(yù)測(cè)(predict)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。
　　3結(jié)論本文對(duì)水源熱泵系統(tǒng)建立了其各部件相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)系統(tǒng)中各部件參數(shù)間的變化關(guān)系，通過(guò)對(duì)蒸發(fā)溫度T
　　E、冷凝溫度T c進(jìn)行合適的調(diào)整，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，本文所建立的數(shù)學(xué)模型，可用于多參數(shù)(parameter)空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性的計(jì)算機(jī)模擬，為水源熱泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和最優(yōu)控制提供了一種較完整的動(dòng)態(tài)模擬方法。
　　考慮到非共沸混合工質(zhì)存在溫度滑移現(xiàn)象，在建立換熱器模型中都采用了分布參數(shù)(parameter)模型，從表1可以看出，計(jì)算精度（精確度）控制在10%以?xún)?nèi)，可以適用于熱泵(Heat Pump) 系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)中以及系統(tǒng)的性能優(yōu)化計(jì)算。