二氧化碳制冷系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真探討

王偉亮+關(guān)星+李泰勝

摘 要：為了保證二氧化碳制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，針對(duì)其運(yùn)行特征構(gòu)建了動(dòng)態(tài)仿真模型，并通過對(duì)模型構(gòu)建中所產(chǎn)生參數(shù)的集成和計(jì)算，全面掌握了二氧化碳制冷系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中的性能，最終為該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了大量可供參考的數(shù)據(jù)信息，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。從模型的構(gòu)建入手，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果進(jìn)行了細(xì)致的對(duì)比，旨在更加全面地體現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征。

關(guān)鍵詞：二氧化碳制冷系統(tǒng)；動(dòng)態(tài)仿真；蒸發(fā)器；換熱器

中圖分類號(hào)：TB61+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.110

為了實(shí)現(xiàn)環(huán)保生產(chǎn)，需要用新型的制冷劑替代原有的制冷劑。20世紀(jì)90年代，相關(guān)專家學(xué)者對(duì)二氧化碳在汽車空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用的可能性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)過程中整合了大量的數(shù)據(jù)信息。二氧化碳制冷系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)具有一定的復(fù)雜性，基于此，相關(guān)專家學(xué)者建議在實(shí)驗(yàn)過程中構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型，以此提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確性，從而使系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中日趨穩(wěn)定。

1 模型建立

1.1 蒸發(fā)器模型

在制冷系統(tǒng)模型構(gòu)建過程中，要求實(shí)驗(yàn)人員選定四個(gè)控制參數(shù)，即電子膨脹閥的開度，氣冷器、壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速及蒸發(fā)器的風(fēng)量，從而在模型參數(shù)設(shè)定的基礎(chǔ)上構(gòu)建蒸發(fā)器模型；設(shè)定進(jìn)口CO2為蒸發(fā)器的兩相，出口為過熱，在兩區(qū)劃分的原則上結(jié)合蒸發(fā)器自身的特性，利用制冷劑的質(zhì)量、能量、管壁能量平衡方程對(duì)蒸發(fā)器模型加以闡述，具體如下：

式（1）（2）（3）中：ρ為密度；A為界面；m為質(zhì)量流量；P為壓力；h為焓值；T為溫度；Cp為比熱；d為直徑。

以上公式的應(yīng)用可便于實(shí)驗(yàn)人員在構(gòu)建動(dòng)態(tài)仿真模型的過程中對(duì)模型展開細(xì)致的分析。但是，為了保障方程應(yīng)用的精確性，實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)明晰方程中ρ，A，m，P，h，T，d，Cp的含義，從而可以在構(gòu)建仿真模型的過程中將相應(yīng)數(shù)值帶入到公式中，以此來保障模型構(gòu)建的有序進(jìn)行。

1.2 氣冷器及中間換熱器模型

氣冷器及中間換熱器模型的構(gòu)建是本次實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)，因此，實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)對(duì)此予以高度重視，并在氣冷器模型構(gòu)建的過程中保障CO2在氣冷器中處于超臨界狀態(tài)，以此來提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性。此外，在構(gòu)建中間換熱器模型時(shí)，應(yīng)先將中間換熱器設(shè)定為逆流換熱器，同時(shí)保障熱側(cè)和冷側(cè)的單相性，為接下來的實(shí)驗(yàn)打好基礎(chǔ)。需要注意的是，中間換熱器模型的構(gòu)建應(yīng)遵守非穩(wěn)態(tài)能量守恒定律。非穩(wěn)態(tài)能量守恒方程為：

在方程應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對(duì)模型展開全方位的分析，由此整合出相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，以達(dá)到最佳的模型構(gòu)建狀態(tài)。

1.3 壓縮機(jī)及系統(tǒng)模型

式（5）為代數(shù)方程。在壓縮機(jī)模型構(gòu)建過程中，應(yīng)用該方程可較好地反映壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，便于實(shí)驗(yàn)人員對(duì)壓縮機(jī)的質(zhì)量流量進(jìn)行細(xì)致的分析，以達(dá)到最佳的模型構(gòu)建狀態(tài)。在二氧化碳制冷系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)模型的構(gòu)建是至關(guān)重要的。因此，在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)結(jié)合質(zhì)量和能量的守恒關(guān)系，運(yùn)用各部件模型構(gòu)建精準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)模型，且在模型構(gòu)建過程中輸入準(zhǔn)確的參數(shù)關(guān)系，以得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果。此外，在動(dòng)態(tài)模型分析過程中，還應(yīng)強(qiáng)調(diào)對(duì)常微分方程組的應(yīng)用，并在Simulink平臺(tái)上求得最終結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的對(duì)比

2.1 二氧化碳制冷系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)

從本次實(shí)驗(yàn)搭建的二氧化碳制冷系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以看出，本次實(shí)驗(yàn)所應(yīng)用的壓縮機(jī)技術(shù)已較為成熟，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中所運(yùn)用的壓縮機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程始終利用變頻器控制的方式來調(diào)整自身的轉(zhuǎn)速，由此保障系統(tǒng)處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。此外，在實(shí)驗(yàn)過程中，為了確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性，還應(yīng)用到了管片式氣冷器。管片式氣冷器在實(shí)際運(yùn)行過程中凸顯出逆向排列的特點(diǎn)。在選擇換熱管時(shí)應(yīng)用到了外徑2.9 mm、厚壁0.4 mm的鋼管，最終滿足了實(shí)驗(yàn)要求。由于中間換熱器是本次實(shí)驗(yàn)設(shè)備的重要組成部分，因而在選擇中間換熱器時(shí)應(yīng)強(qiáng)調(diào)逆流套管式中間換熱器的應(yīng)用，并將其外管內(nèi)徑控制在13～14 mm的合理數(shù)值范圍內(nèi)，以達(dá)到良好的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。由以上分析可以看出，在動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)過程中，強(qiáng)化對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備選擇的合理性是非常必要的，為此，實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)提高對(duì)這一環(huán)節(jié)的重視程度。

2.2 動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比

為了取得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)人員在系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上對(duì)某些參數(shù)數(shù)值進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，并在調(diào)整的過程中全方位關(guān)注了系統(tǒng)的變化情況，將變化數(shù)值以筆記的形式清晰地記錄下來。此外，在參數(shù)調(diào)整的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)人員為處于穩(wěn)態(tài)的系統(tǒng)添加了一定的擾動(dòng)條件，并由此模擬相應(yīng)的動(dòng)態(tài)仿真過程，達(dá)到實(shí)驗(yàn)研究的目的。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)人員通過連續(xù)改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)了參數(shù)值變化的目標(biāo)，并在對(duì)記錄信息整合的基礎(chǔ)上建立了驗(yàn)證動(dòng)態(tài)模型，以提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確性。從參數(shù)值動(dòng)態(tài)變化的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值比較結(jié)果中可以看出，二者存在一定的差異，但變化趨勢一致，體現(xiàn)了動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的真實(shí)變化情況。除此之外，壓縮機(jī)溫度受氣出口壓力的影響也呈現(xiàn)出相應(yīng)的變化趨勢，這一現(xiàn)象凸顯了壓縮機(jī)熱慣性較小的特征。

3 結(jié)論

綜上可知，近年來，節(jié)能環(huán)保問題逐漸引起了越來越多的關(guān)注。在此基礎(chǔ)上，通過二氧化碳制冷系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真研究來開發(fā)新型節(jié)能制冷系統(tǒng)是非常必要的。本次動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)在對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行構(gòu)建的同時(shí)，對(duì)壓縮機(jī)模型、膨脹閥開度及氣冷器的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了相應(yīng)的預(yù)測，最終為當(dāng)前制冷系統(tǒng)的開發(fā)提供了大量可供參考的數(shù)據(jù)，以更全面地了解二氧化碳制冷系統(tǒng)的性能特征。

參考文獻(xiàn)

[1]錢付平.二氧化碳制冷系統(tǒng)毛細(xì)管的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究[J].化工學(xué)報(bào)，2011，24（10）：2753-2758.

[2]楊藝.救生艙液態(tài)二氧化碳制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[J].安全，2014，11（02）：24-26.

[3]韓敏.二氧化碳制冷系統(tǒng)在中國播種——煙臺(tái)冰輪集團(tuán)二氧化碳制冷技術(shù)上海路演活動(dòng)紀(jì)實(shí)[J].制冷與空調(diào)，2013，15（08）：59-60.

〔編輯：劉曉芳〕