GREATLAB仿真軟件在風管送風式空調制冷系統(tǒng)中的設計應用

劉媛媛，王 成，周涯宸

（珠海格力電器股份有限公司，珠海519070）

GREATLAB仿真軟件在風管送風式空調制冷系統(tǒng)中的設計應用

劉媛媛，王 成，周涯宸

（珠海格力電器股份有限公司，珠海519070）

用GREATLAB仿真軟件對1.5HP風管送風式空調制冷系統(tǒng)壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流毛細管四個主要部件進行仿真模擬設計，代入到整個制冷系統(tǒng)的動態(tài)仿真模塊進行仿真計算得出名義制冷工況下空調機組制冷量、功率、吸氣溫度、排氣溫度、吸氣壓力、排氣壓力等參數，并進行實驗驗證，得出名義工況下制冷量與仿真計算制冷量誤差在5%以內。結果表明：GREATLAB仿真軟件能夠用于指導商用一拖一空調系統(tǒng)的設計，可作為開發(fā)和優(yōu)化商用空調系統(tǒng)的有效工具。

仿真；數學模型；制冷系統(tǒng)；風管送風式空調

0 前言

風管送風式空調機組具有效率高、安裝方便、可引入部分新風、初投資少等優(yōu)點，可應用于酒店、商場、工廠廠房和住宅等場合［1］。風管送風式空調機組的開發(fā)目前主要的方法還是以實驗為主，經驗指導為輔，開發(fā)的周期較長，開發(fā)成本較高。為了節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，對制冷系統(tǒng)及其部件特性的研究，就不能只通過實驗進行，因為制冷系統(tǒng)參數多，耦合性強使得實驗研究面臨耗時長、成本高、很多參數難以準確測量的問題。

隨著計算機技術的發(fā)展，基于模型的制冷系統(tǒng)計算機仿真模擬技術在過去30年獲得了快速發(fā)展［2-4］。通過建立部件和系統(tǒng)模型進行模擬仿真計算，可以快速地預測制冷系統(tǒng)的性能，減少樣機試制數量和實驗費用。由于制冷系統(tǒng)及部件在結構和流動傳熱機理上的復雜性，相應的模型都是建立在一定假設和實驗關聯式 （如換熱系數關聯式、摩擦系數關聯式、壓縮機容積效率關聯式等等）的基礎之上，所以模型都存在著一定的偏差。因此仿真模擬與實驗研究相結合的方法，成為目前開發(fā)空調機組備受推崇的方法之一。

1 GREATLAB仿真軟件數學模型

1.1 壓縮機模型

GREATLAB仿真軟件里的壓縮機模型采用的是AHRI10系數模型，這是美國空調、暖通和制冷協會AHRI制定的容積式壓縮機標準［5］提出的擬合壓縮機性能10系數模型。

式中，y代表壓縮機的冷量、能效比、耗功、質量流量等性能參數。Te是蒸發(fā)溫度，Tc是冷凝溫度。

AHRI10系數模型不涉及任何的制冷劑物性計算和迭代以及具體的壓縮熱力過程，計算非常簡單，而且在廠商限制的工況范圍內具有較高精度。但是AHRI10系數模型不適用于跨臨界壓縮過程，因為超臨界區(qū)不存在冷凝溫度。

1.2 冷凝器模型

風管送風式空調機組的冷凝器為風冷翅片管換熱器。翅片管換熱器模型按換熱器結構分解為以下幾個層次：翅片管換熱器模型、流路模型、換熱管模型和微元模型。將每根換熱管沿制冷劑流動方向劃分為若干個微元，如圖1。對各微元建立制冷劑和空氣的守恒方程組，求解其制冷劑和空氣的出口狀態(tài)、壓降和微元換熱量。

對每個翅片管換熱器微元，建立基本方程組。制冷劑質量守恒方程：

制冷劑動量守恒方程：

圖1 冷凝器微元示意圖

空氣質量守恒方程：

空氣含濕量守恒方程根據翅片表面溫度的不同分為如下兩種情況：干翅片工況，濕/霜翅片工況。干翅片工況的空氣含濕量守恒方程：

濕/霜翅片工況的空氣含濕量守恒方程為：-ma·dWa=hd·（Wa-Ww）·dAa

能量守恒方程為 （忽略管壁和翅片的導熱）：Qa+Qr=0

空氣能量方程：

Qa=ma（ha，in-ha，out）

空氣側換熱量方程：

Qa=εaQa，max

制冷劑側換熱量：

Qr=mr（hr，in-hr，out）

制冷劑側單相區(qū)換熱方程：

Qr=εrQr，max

制冷劑側兩相區(qū)換熱方程：

1.3 毛細管模型

節(jié)流毛細管的內徑大概在Φ1.37-Φ2.4，長度從零點幾米到幾米，根據流量需要可以單根也可幾根并聯。

對于毛細管的某一微元，絕熱流動按照基本守恒定律有：

能量守恒方程：

式中，p，h，v，u分別為毛細管內流體的壓力、焓、比容和流速，G表示質流密度，ΔL和D分別為微元的長度和毛細管內徑，f為摩擦系數：下標1，2和m分別表示微元的進、出口和算術平均值。

單相區(qū)的沿程阻力系數：

ε/D—相對粗糙度，可取為0.000327。

兩相區(qū)的沿程阻力系數f在單相區(qū)的計算公式里把Re數計算公式中的粘度改為兩相區(qū)的粘度。兩相區(qū)粘度：

1.4 蒸發(fā)器模型

蒸發(fā)器模型也按照翅片管式換熱器模型進行分解，由若干個微元組成的一維流動換熱模型構成，圖2給出了其中一個微元的示意圖。

圖2 蒸發(fā)器微元模型示意圖

對于上述微元建立如下數學模型：空氣側 （或載冷劑側）能量方程：

制冷劑側能量方程：

兩側能量平衡方程：

Qa=Qr

微元換熱方程：

管壁長度：

L=Ai/（πdi）

制冷劑側壓降：

空氣側壓降：

上述公式中，Q、h、T和m分別為換熱量、焓值、溫度和質量流量，Ai為制冷劑側換熱面積，Ao為空氣側總表面積，Ac為空氣流通截面積，σ是最小流通面積與迎風面積之比，Gc為定義在Ac上的空氣質量通量；下表a代表空氣側，r代表制冷劑側，i代表管內（制冷劑側），in和out分別代表進口和出口。平均溫差ΔTm按對數平均溫差計算。U為基于制冷劑側換熱面積的總傳熱系數。計算公式為：

式中，ai為制冷劑側表面?zhèn)鳠嵯禂担琣o為空氣側表面?zhèn)鳠嵯禂?，RW為管壁 （含翅片）熱阻；Ai/Ao為冷凝器管內、外換熱管面積之比，對于每一個微元可以認為Ai/Ao都等于冷凝器總的管內、外換熱面積之比。所有的微元模型進行相互間參數耦合就得到了整個蒸發(fā)器的模型。

2 GREATLAB系統(tǒng)仿真的應用

2.1 1.5HP風管送風式空調系統(tǒng)

1.5HP風管送風式空調制冷量設計目標為3500W，系統(tǒng)循環(huán)由四個過程組成。低溫低壓的制冷劑氣體被壓縮機吸入壓縮成高溫高壓的制冷劑氣體，此過程為壓縮過程；制冷劑氣體被壓縮機排出后進入冷凝器進行冷卻，此過程為冷凝過程；被冷卻的制冷劑液體通過節(jié)流毛細管節(jié)流，前后焓值可認為不變，為等焓膨脹過程；經節(jié)流毛細管節(jié)流后的汽液混合制冷劑進入蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)后再被壓縮機吸入，此過程為蒸發(fā)過程，如圖3所示。

2.2 壓縮機的選型設計

根據機組設計的制冷量和能效比，由廠家提供的壓縮機選型手冊選擇珠海凌達QX-23E030gA旋轉式壓縮機，單缸，氣缸名義工作容積為23.497cm3。查廠家提供的壓縮機性能曲線取不同的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下壓縮機的實測制冷量和功率共30組數據進行建模計算，在機組設計工況冷凝溫度為52℃，蒸發(fā)溫度為5℃，過冷度12K，過熱度5K下計算結果如表1。

圖3 系統(tǒng)原理圖

表1 壓縮機建模軟件計算數據表

由壓縮機建模擬合數據可知在設計的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度下，選擇的壓縮機冷量及能耗可滿足設計要求。

2.3 冷凝器的設計

1.5HP風管送風式空調器冷凝器為風冷翅片管式換熱器，根據外機殼體，風機風量，總換熱量，設計的冷凝溫度等參數選擇冷凝器U管長度，管徑，管排數，管間距，翅片型式，翅片間距等參數。冷凝器總散熱量可按照已選擇的壓縮機功率范圍以及機組設計的名義制冷量進行估算。設計的冷凝器結構參數如下：冷凝器長度780mm，銅管排數為1排，每排管數為20根，管間距25.4mm，排間距22mm，換熱管類型為螺旋槽強化管，銅管外徑9.65mm，銅管壁厚0.3mm，翅片類型為百葉窗片，翅片間距為1.6mm，翅片厚度為0.102mm，冷凝器分路數為2路。把冷凝器結構參數以及設計的冷凝器溫度，風機風量，冷凝器分路等參數代入到冷凝器仿真軟件中進行計算得出換熱量為5381.7W，冷凝溫度為52.14℃，滿足設計需要。

2.4 毛細管的設計

根據制冷系統(tǒng)循環(huán)的制冷劑實際流量以及設計的高壓和低壓值，選擇毛細管管徑1.63mm，利用仿真軟件進行計算得出毛細管長度值為823mm。

2.5 蒸發(fā)器的設計

1.5HP風管送風式空調器蒸發(fā)器也是冷風型翅片管式換熱器，根據設計的制冷量和蒸發(fā)溫度對蒸發(fā)器結構參數進行設計選擇。初步確定蒸發(fā)器的結構參數如下：蒸發(fā)器長度642mm，銅管排數為3排，每排管數為12根，管間距19.05mm，排間距11.4mm，換熱管類型為螺旋槽強化管，銅管外徑5.3mm，銅管壁厚0.2mm，翅片類型為百葉窗片，翅片間距為1.5mm，翅片厚度為0.102mm。確定了蒸發(fā)器基本結構參數，再選擇最佳的分路數，初步確定蒸發(fā)器分路數為2路、4路、6路，通過仿真計算擇優(yōu)選擇。

通過蒸發(fā)器仿真軟件計算得出2路換熱量為2470.3W，4路換熱為3559W，6路換熱量為4020.6W。計算結果表明6路換熱量最佳，此蒸發(fā)器可滿足設計要求。

2.6 制冷系統(tǒng)仿真計算結果

通過GREATLAB仿真軟件對壓縮機，冷凝器，蒸發(fā)器，節(jié)流毛細管四個部件進行仿真模擬建模設計，輸出子模型文件。把子模型文件代入到制冷系統(tǒng)仿真模塊對整個制冷系統(tǒng)進行仿真模擬計算，得出蒸發(fā)器流路數為2路，4路、6路的制冷系統(tǒng)仿真計算值，如表2。制冷系統(tǒng)各個模塊的仿真調整因子參照經驗值，壓縮機流量調整因子為0.91，壓縮機功率調整因子為1.09，排氣溫度調整因子為0.78，冷凝器換熱系數調整因子為0.82，蒸發(fā)器換熱系數調整因子為1.28。

3 仿真結果的實驗驗證及分析

3.1 實驗驗證

按照GREATLAB仿真軟件對壓縮機的選型設計、冷凝器的設計、蒸發(fā)器的設計和毛細管的選型設計，試制一套1.5HP風管送風式空調機組，灌注量為850g，上焓差實驗臺進行名義制冷量測試。測試目標：制冷量≥3500W，冷凝溫度≤53℃，蒸發(fā)溫度≥5℃，排氣溫度<90℃。分別對風管內機蒸發(fā)器分路數為2路，4路，6路進行名義制冷測試，匹配節(jié)流毛細管管徑和長度。為保證實驗數據的可靠性，每一次測試在工況穩(wěn)定的情況下機組穩(wěn)定運行2h保存數據。

表2 系統(tǒng)仿真計算結果

3.2 實驗數據分析

通過匹配風管內機分液毛細管以及風管外機節(jié)流毛細管使不同蒸發(fā)器分路數的能力達到最佳，實驗結果見表3。將實驗結果與仿真結果的數值進行對比，繪制不同蒸發(fā)器分路數下制冷量的實驗結果與仿真結果對比圖，功率的實驗結果與仿真結果對比圖以及能效比的實驗結果與仿真結果對比圖，如圖4至圖6。

由圖可以看出，制冷量的實驗值與仿真值誤差在1%～5%之間，功率的實驗值和仿真值誤差在5%～8%之間，性能系數的實驗值和仿真值誤差在1%～7%之間。仿真模型的建立都是基于一定的假設和簡化條件的，這些假設和簡化條件導致了理論計算和實際情況存在著一定的誤差，GREATLAB仿真軟件為了彌補這種不可避免的誤差擴大化，為每個子模型設計了調整因子，這些調整因子 （如壓縮機流量調整因子，冷凝器換熱系數調整因子等）能夠幫助仿真模型盡量縮小與實際情況的誤差。

表3 實驗驗證結果

圖4 制冷量仿真計算值與實驗值對比

圖5 功率仿真計算值與實驗值對比

圖6 性能系數仿真計算值與實驗值對比

實驗結果表明：只要能夠正確的估算出換熱器實際的換熱系數，摩擦系數以及壓縮機實際的容積效率等參數，仿真模擬軟件是能夠計算得到準確的結果，用以指導實際的制冷系統(tǒng)設計。

4 結論

利用GREATLAB仿真軟件對1.5HP風管送風式空調機組制冷系統(tǒng)進行設計，實驗驗證結果表明合理的對GREATLAB仿真模型的各調整因子進行標定，可以把仿真值與實驗值的誤差控制在5%以內。各個子模型的調整因子值可以通過實驗值不斷進行標定、總結、積累形成一個調整因子庫方便以后進行仿真模擬設計時隨時調用。制冷系統(tǒng)的仿真應用在國內企業(yè)現階段還處于初級階段，主要目標是減少實驗量，而不是取代實驗。隨著仿真技術的不斷發(fā)展，仿真模擬與實驗相結合的技術研發(fā)模式也將繼續(xù)的完善、進步，為制冷系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供強有力的技術保障。

［1］黃虎，李奇賀，袁冬雪，等.風管送風式空調 （熱泵）機組制冷運行的實驗分析 ［J］.南京師范大學學報（工程技術版），2007，7（2）：29-32

［2］陳芝久，闕雄才，丁國良.系統(tǒng)熱動力學 ［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1998

［3］丁國良，張春路.制冷空調裝置仿真與優(yōu)化 ［M］.北京：科學出版社，2001

［4］黃虎，李奇賀，袁冬雪，等.風管送風式空調 （熱泵）機組制冷運行的實驗分析 ［J］.南京師范大學學報（工程技術版），2007，7（2）：29-32

［5］陳芝久，闕雄才，丁國良.系統(tǒng)熱動力學 ［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1998

［6］丁國良，張春路.制冷空調裝置仿真與優(yōu)化 ［M］.北京：科學出版社，2001

［7］丁國良，張春路.制冷空調裝置智能仿真 ［M］.北京：科學出版社，2002

［8］AHRI.ANSI/AHRIStandard 540-Standard For Performance Rating of Positive Displacement Refrigerant Compressors and Compressor Units［M］.Air-Conditioning，Heating，and Refrigeration Institute.2004

GREATLAB Simulation Software Applied in the Design of Duct Type Air Conditioner

LIU Yuanyuan，WANG Cheng，ZHOU Yachen
（Gree Electric Appliances，Inc.of Zhuhai，Zhuhai519070，China）

The GREATLAB simulation software is applied in designing the duct type air conditioner with 1.5 HP capacity.An emulated design towards four main parts of the refrigeration system，i.e.compressor，condenser，evaporator and throttling capillary，is performed to have a simulating calculation.After getting and verifying the parameters of cooling capacity，power，suction and discharge temperature and pressure etc.under nominal conditions，the deviation of cooling capacity between under nominal and simulated condition is found and should be within 5% .The result shows that the GREATLAB simulation softwarewill contribute to the design of air conditioning unit，and also，it can be taken as an effective tool for developing and optimizing the commercial air conditioner.

Simulation；Numericalmodel；Refrigeration system；Duct type air condition

TU831［文獻標示碼］A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.03.011

ISSN1005-9180（2015）03-059-06

2014-11-25；

2015-1-5

劉媛媛，女。研究方向：暖通制冷。Email：550933138@qq.com