軟件仿真在制冷類家電產(chǎn)品工質(zhì)循環(huán)熱力學(xué)過程中的應(yīng)用

馮達(dá) 李明華

摘要

討論了制冷類家電產(chǎn)品工質(zhì)循環(huán)過程熱力學(xué)基礎(chǔ)、分析和計(jì)算、系統(tǒng)建模，并對仿真軟件流程進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】工質(zhì)循環(huán) 仿真 系統(tǒng)建模 算法

對制冷系統(tǒng)工質(zhì)循環(huán)熱力學(xué)特性的研究，一般有試驗(yàn)和仿真兩類研究方法。試驗(yàn)可以直接獲得部分工質(zhì)循環(huán)溫度、壓力、過冷度、過熱度等主要特性，是使用較為廣泛的一類方法。但是，制冷系統(tǒng)參數(shù)多、各項(xiàng)參數(shù)之間相互耦合，使得試驗(yàn)研究周期長、成本高，此外制冷系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)參數(shù)難以準(zhǔn)確測量。隨著計(jì)算機(jī)仿真的發(fā)展，通過仿真計(jì)算，可以快速地預(yù)測或計(jì)算制冷系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)及其性能，減少樣機(jī)試制數(shù)量和檢測費(fèi)用。應(yīng)用仿真技術(shù)研究制冷系統(tǒng)可以預(yù)測很多試驗(yàn)不能測量的參數(shù)，還可以優(yōu)化和調(diào)整制冷系統(tǒng)及部件，因此仿真模擬相對于試驗(yàn)研究具有顯著優(yōu)勢?，F(xiàn)階段，采用試驗(yàn)驗(yàn)證與仿真模擬結(jié)合的方式，發(fā)揮仿真技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)各自的優(yōu)勢，可以減少試驗(yàn)，節(jié)省人力物力，提高檢測效率。

1 熱力學(xué)基礎(chǔ)

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量是不會自動地從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體上去的，利用物質(zhì)狀態(tài)或性質(zhì)變化，使自身溫度降低，能夠從較低溫度的物體（低溫?zé)嵩矗┪∫欢ǖ臒崃縌1，通過一個(gè)消耗功W的補(bǔ)償過程，向較高溫度的物體（高溫?zé)嵩矗┓懦鰺崃縌h，并且在數(shù)量上符合熱力學(xué)第一定律：Ql+W=Qh。為了實(shí)現(xiàn)制冷功能，還必須利用工質(zhì)的相變，不斷地做功實(shí)現(xiàn)從低溫?zé)嵩次鼰?，向高溫?zé)嵩捶艧?，從而獲得更低的溫度。

大多數(shù)制冷類家電產(chǎn)品屬于單級壓縮制冷系統(tǒng)，由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器四大要件組成，實(shí)現(xiàn)的制冷循環(huán)分為四個(gè)過程壓縮過程、冷凝過程、節(jié)流過程、蒸發(fā)過程。

壓縮過程完成從蒸發(fā)器出來的氣體工質(zhì)經(jīng)壓縮機(jī)壓縮，工質(zhì)的溫度和壓力急劇升高。壓縮機(jī)排出的氣體工質(zhì)變成過熱度較大的氣體。壓縮過程壓縮機(jī)消耗一定的功，工質(zhì)工質(zhì)的熵值不變。

冷凝過程實(shí)現(xiàn)從壓縮機(jī)排出的高溫高壓過熱氣體工質(zhì)，進(jìn)入冷凝器與冷卻水或空氣進(jìn)行熱交換，使過熱氣體工質(zhì)逐漸變成飽和，進(jìn)而變成飽和液體工質(zhì)，冷凝過程中壓力保持不變。

節(jié)流過程實(shí)現(xiàn)從冷凝器出來的液體工質(zhì)經(jīng)過膨脹閥節(jié)流，成為低溫低壓的氣體工質(zhì)，節(jié)流過程工質(zhì)焓值不變。

蒸發(fā)過程通過膨脹閥截流后的低壓氣體工質(zhì)，在蒸發(fā)器中從周圍介質(zhì)吸熱制冷。從蒸發(fā)器出來的氣體工質(zhì)成為稍有過熱度的過熱氣體。在蒸發(fā)過程中，工質(zhì)的溫度和壓力保持不變。

壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)四個(gè)過程依次不斷循環(huán)，達(dá)到持續(xù)制冷目的。制冷系統(tǒng)中的液體工質(zhì)在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，變成氣體工質(zhì)，該氣體工質(zhì)又被壓縮機(jī)壓縮后導(dǎo)入冷凝器中，從而氣體工質(zhì)再被冷凝成為液體工質(zhì)。

2 熱力學(xué)特性分析和計(jì)算

工質(zhì)在不同狀態(tài)時(shí)具有不同的特性。用壓焓圖表示工質(zhì)的特性比較合適。在溫度、壓力、比體積、焓、熵等參數(shù)中，只要知道其中任意兩個(gè)狀態(tài)參數(shù)，就可以在壓焓圖中確定其狀態(tài)點(diǎn)，其余參數(shù)便可直接從圖中讀出。

圖1是適用于大多數(shù)制冷類家電產(chǎn)品的單級壓縮制冷循環(huán)的壓焓圖，其中Pk是冷凝壓力、P0是蒸發(fā)壓力、tk是冷凝溫度、tO是蒸發(fā)溫度；狀態(tài)點(diǎn)0是蒸發(fā)器出口、狀態(tài)點(diǎn)1是壓縮機(jī)吸氣口、狀態(tài)點(diǎn)2是壓縮機(jī)排氣口、狀態(tài)點(diǎn)5是節(jié)流裝置入口、狀態(tài)點(diǎn)6是蒸發(fā)器入口。

從狀態(tài)0到狀態(tài)1是蒸發(fā)壓力下的吸氣過程，保持一定的過熱度是壓縮機(jī)安全運(yùn)行所必需的。

從狀態(tài)1到狀態(tài)2是等熵壓縮過程，狀態(tài)2點(diǎn)的溫度是壓縮機(jī)的排氣溫度，兩狀態(tài)點(diǎn)的焓差是壓縮機(jī)作功大小的主要參數(shù)值，因此應(yīng)盡量減少兩點(diǎn)間的距離才能節(jié)約能源。

從狀態(tài)2到狀態(tài)3是等壓放熱過程，氣體工質(zhì)放出顯熱，排氣溫度t2降至冷凝溫度tk，狀態(tài)仍為氣體，無相態(tài)變化。

從狀態(tài)3到狀態(tài)4是工質(zhì)放出潛熱液化的過程，冷凝壓力Pk、冷凝溫度tk恒定，此過程占冷凝段放熱量的80%以上。

從狀態(tài)4到狀態(tài)5是液體工質(zhì)繼續(xù)散熱，冷凝溫度tk降至過冷溫度t5，無相態(tài)變化，過冷是提高制冷量的重要措施。

從狀態(tài)5到狀態(tài)6是等焓節(jié)流過程，通過節(jié)流裝置，冷凝壓力Pk降至蒸發(fā)壓力P0，由液體變?yōu)闅庖汗泊娴臓顟B(tài)。

從狀態(tài)6到狀態(tài)0是等溫等壓吸熱汽化過程，蒸發(fā)壓力P0與蒸發(fā)溫度tO為相對應(yīng)，兩狀態(tài)點(diǎn)間的焓差大小主要取決于蒸發(fā)溫度的高低。在不影響要求的條件下，應(yīng)盡量提高蒸發(fā)溫度以提高制冷量。

單位質(zhì)量制冷量q0：lkg工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)所吸收的熱量，在壓焓圖中，可用狀態(tài)1和狀態(tài)5兩點(diǎn)的焓差表示。

單位容積制冷量qv：lm3工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)所吸收的熱量。

vl：吸氣狀態(tài)時(shí)工質(zhì)的比體積（m3/kg）

單位壓縮功wO：壓縮機(jī)絕熱壓縮lkg工質(zhì)所消耗的功。在壓焓圖中，可用狀態(tài)點(diǎn)2和狀態(tài)點(diǎn)1兩點(diǎn)的焓差表示。

制冷系數(shù)ε：循環(huán)的單位制冷量與單位壓縮功之比。

單位冷凝熱量qk：lkg工質(zhì)在冷凝器中放出的熱量。在壓焓圖中，可用狀態(tài)2和狀態(tài)4的兩點(diǎn)的焓差表示。

3 仿真系統(tǒng)建模

仿真是指通過研究一個(gè)能代表所研究對象的模型來代替對實(shí)際對象的研究，是在計(jì)算機(jī)上用數(shù)字形式表達(dá)實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律。仿真技術(shù)主要包括四個(gè)步驟，即：系統(tǒng)建模、選取仿真算法、建立仿真模型、分析與評估結(jié)果。

建立系統(tǒng)模型是系統(tǒng)仿真的首要問題，是制冷系統(tǒng)和制冷過程熱力學(xué)特性的一種簡化表現(xiàn)形式，能提取和反映出制冷系統(tǒng)和制冷過程的狀態(tài)參數(shù)變化規(guī)律。

仿真算法在壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)四個(gè)循環(huán)過程仿真起著核心和支撐作用。通常要求仿真算法不僅效率高、耗時(shí)少，而且也能得到比較高的精度，。

仿真模型是指把制冷系統(tǒng)工質(zhì)循環(huán)過程分解為一系列基本過程和事件，并按過程和事件的邏輯關(guān)系把它們組合在一起。仿真模型是被仿真對象的相似物或其結(jié)構(gòu)形式。

保證仿真模型及參數(shù)有效性的措施是要求參與仿真計(jì)算的參數(shù)盡量實(shí)測，但由于一些狀態(tài)參數(shù)是通過查詢工質(zhì)熱物性參數(shù)在離線條件下完成的，不能準(zhǔn)確反映制冷各個(gè)過程在線運(yùn)行時(shí)的動態(tài)特性，并且對所有過程參數(shù)進(jìn)行實(shí)際測量也是不現(xiàn)實(shí)的，因此模型參數(shù)的實(shí)際測量并不能完全保證模型及其參數(shù)的有效性。

為使仿真達(dá)到一定的精度，計(jì)算的步長不能太大，但計(jì)算的步長太小又使得計(jì)算量加大、仿真運(yùn)行過程增加，這就提出了精度與快速性之間的矛盾。尤其對于制冷過程任意中間狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)字仿真時(shí)，仿真時(shí)間太長將會使仿真失去實(shí)際意義。而對任意中間狀態(tài)點(diǎn)的數(shù)字仿真，由于狀態(tài)參數(shù)限制，計(jì)算步長取得很小，這就加長了仿真時(shí)間，將會引起計(jì)算的不穩(wěn)定，這對于仿真都是不利于進(jìn)行的。

因此在實(shí)時(shí)仿真情況下，為了解決計(jì)算速度與計(jì)算精度這一對矛盾時(shí)，首先以計(jì)算速度為主要矛盾，在制冷系統(tǒng)仿真的過程中要求在滿足計(jì)算穩(wěn)定性及工程要求精度的條件下，盡可能的提高仿真的計(jì)算速度，如采用高速計(jì)算機(jī)，采用執(zhí)行速度快的編程語言以及采用快速仿真算法等措施。

4 軟件仿真流程

軟件仿真部分首先輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括換熱系數(shù)、比熱容、冷源溫度、熱源溫度、管道長度、管道直徑等；然后調(diào)用工質(zhì)物性參數(shù)；進(jìn)行制冷系統(tǒng)初始化；分別對壓縮機(jī)、毛細(xì)管、冷凝器、蒸發(fā)器以及箱體進(jìn)行仿真計(jì)算；判定仿真精度和仿真時(shí)間是否滿足要求；程序循環(huán)進(jìn)行迭代運(yùn)算；輸出結(jié)果。

5 結(jié)束語

本文借助仿真技術(shù)能夠方便快捷的進(jìn)行工質(zhì)循環(huán)過程改變參數(shù)后的制冷性能和能耗情況的對比研究，從而高效地實(shí)現(xiàn)制冷類家電產(chǎn)品的調(diào)控和干預(yù)，能夠?qū)崿F(xiàn)提高制冷類家電產(chǎn)品的開發(fā)過程或檢測過程效率的目的。通過建立制冷系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真模擬，可以快速地仿真制冷系統(tǒng)的動態(tài)狀態(tài)參數(shù)，預(yù)測很多試驗(yàn)難以測量的狀態(tài)參數(shù)，還可以進(jìn)一步優(yōu)化制冷系統(tǒng)性能及部件的設(shè)計(jì)參數(shù)，從而減少試驗(yàn)，節(jié)省人力物力，提高檢測效率。

參考文獻(xiàn)

[1]王成生，郭憲民.制冷工質(zhì)熱力性質(zhì)仿真算法[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2005，2（24）：65-67.

[2]曹輝，葉持舟.氟利昂制冷循環(huán)動態(tài)仿真研究[J].機(jī)電設(shè)備，2009（03）：14-18.

[3]史琳，薛志方.熱泵/空調(diào)系統(tǒng)仿真和控制研究述評[J].暖通空調(diào)，2007：50-62.

[4] Kamei， A.， Beyerlein， S. W.， and Jacobsen， R.T， "Application of nonlinear regress ion in the development of a wide range formulation for HCFC-22， "Int. J. Thermophysics，16： 1155 -1164， 1995.

[5] Wagner，W.，Marx，V.，andPruss，A. ，" ANew Equation of State for Chlorodifluoromethane （R22） Covering the Entire Fluid Region from 116 K to 550 K at Pressures up to 200 MPa， "Int. J. Refrig. ，16 （6）： 37 3-389， 1993.

[6] Span， R.and Wagner，W. "Equations of State for Technical Applications. Ⅲ.Results for Polar Fluids， "Int. J. Thermophys.，24 （1）： 111-162， 2003.