制冷空調(diào)裝置的計算機仿真技術(shù)

付優(yōu)

（山西建筑職業(yè)技術(shù)學院 山西省晉中市 030619）

我國是制冷空調(diào)產(chǎn)品生產(chǎn)與使用大國，制冷空調(diào)產(chǎn)品的年產(chǎn)量占據(jù)全球總產(chǎn)量的三分之二，而當前我國的制冷空調(diào)系統(tǒng)在能源消耗方面較大，且制冷的效率相對較低，已經(jīng)無法滿足當前人們在生活和工作方面的需要。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，制冷空調(diào)夏季的耗電量在很多城市都超過該市總用電量的40%。因此，對制冷空調(diào)進行優(yōu)化就極為必要。在制冷空調(diào)系統(tǒng)當中運用計算機仿真技術(shù)，能快速檢驗制冷空調(diào)系統(tǒng)的性能，并對該系統(tǒng)進行有效的優(yōu)化改良。相對而言，我國引入計算機仿真技術(shù)的時間較晚，普及的時間也較短，尚未形成完善成熟的技術(shù)體系與管理體系，但該項技術(shù)仍然對我國制冷空調(diào)研發(fā)工作的發(fā)展起到極為重要的推進作用。

1 計算機仿真技術(shù)概述

1.1 計算機仿真技術(shù)概念

計算機仿真技術(shù)是計算機技術(shù)重要的組成部分，是以計算機作為基礎，根據(jù)問題對象的實際要求，建立起一套真實的數(shù)學模型，然后將其轉(zhuǎn)換成仿真模型。在不同的決策問題下，工作人員利用計算機系統(tǒng)來進行運行狀態(tài)的演示，從而將抽象問題真實地展現(xiàn)在計算機系統(tǒng)的顯示器上，然后對模型進行動態(tài)的實驗。這種技術(shù)它涉及了計算理論、控制理論以及各種實際系統(tǒng)的專業(yè)理論知識，是一項綜合了多學科領域的綜合性技術(shù)。計算機仿真技術(shù)最大的意義就在于能夠?qū)⑷四X中的虛擬數(shù)據(jù)和參數(shù)轉(zhuǎn)化為計算機中具體的圖形或者是全景影像，從而實現(xiàn)抽象物質(zhì)的具象化。該技術(shù)最早起源于美國，自從這項技術(shù)誕生以來，受到世界各國的廣泛關(guān)注和高度重視，被世界各國引進和推廣，并被廣泛應用到國防、能源、交通、航空航天等軍事領域和其它領域當中。在制冷空調(diào)裝置中運用計算機仿真技術(shù)，始于上世紀70 年代末80 年代初。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前，計算機仿真技術(shù)在制冷空調(diào)領域內(nèi)對制冷系統(tǒng)的運行特性研究、產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新起到了巨大的作用。

1.2 計算機仿真技術(shù)的建模方法

在運用計算機仿真技術(shù)時，最關(guān)鍵的問題就是模型的構(gòu)造。因為運用計算機仿真技術(shù)構(gòu)造出來的各種裝置模型，都具有一定的特質(zhì)，而且是典型的特質(zhì)，能作為載體的代表，并實時反饋系統(tǒng)當前運行的狀態(tài)。近年來，隨著計算機仿真技術(shù)在我國的普及應用，我國很多研究人士在計算機仿真技術(shù)模型構(gòu)造方面進行深入的研究，其中最主要的建模方法就是機理建模方式。這一模型構(gòu)造方式是參照空調(diào)系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的機理變化來設定空調(diào)系統(tǒng)各部件相應的恒定值，然后依據(jù)相關(guān)學科的理論研究成果，對空調(diào)系統(tǒng)的物理變化進行研究。在此基礎上，與最初設置的各部件的恒定值進行對比，然后通過數(shù)學的方法進行合理構(gòu)造，并以此反映出被研究對象一系列的變化過程。目前，這一模型構(gòu)造的方式成為一種基礎性的研究方法。在運用這種方法時，工作人員需要重點注意會與研究結(jié)果具有較大影響的因素，而對于那些影響較小的因素，則可以忽略不計，并以此來構(gòu)造出更加合理、高效的制冷空調(diào)裝置模型。

1.3 計算機仿真算法研究

在實際運用中，如果只構(gòu)造數(shù)學模型是無法對制冷空調(diào)的研究工作進行優(yōu)化的，還需要將構(gòu)造出來的數(shù)學模型反饋在計算機上，才能開始真正的仿真研究。而在這一過程中，工作人員必須要運用到仿真算法。最初，對制冷空調(diào)裝置進行計算機仿真，主要是針對簡單的系統(tǒng)，因此，主要依靠守恒定律來控制算法，經(jīng)過不斷的改良，目前，在制冷空調(diào)裝置計算機仿真技術(shù)中運用的算法最常見的就是迭代算法。這種迭代算法是運用迭代求解的方式，通過兩層迭代實現(xiàn)對制冷空調(diào)裝置計算機仿真進行系統(tǒng)運行的計算。此外，在制冷空調(diào)系統(tǒng)中，針對換熱器進行仿真計算時，還會運用到有限差分算法，這一算法是通過兩相流動的規(guī)律來實現(xiàn)對方程運算的控制的，相對來說，比較簡單。因此，在面對一些較為復雜的系統(tǒng)時，操作人員往往還需要對微元段進行合理的區(qū)分，然后進行多次運算才能取得較為準確的結(jié)果。

2 制冷空調(diào)裝置的計算機仿真技術(shù)的實現(xiàn)步驟

2.1 建立數(shù)據(jù)模型

在制冷空調(diào)系統(tǒng)中運用計算機仿真技術(shù)，首先必須建立數(shù)據(jù)模型，這是進行計算機仿真技術(shù)的第一步。在實際操作中，工作人員必須提前準確而全面地收集有效且科學的數(shù)據(jù)，然后依據(jù)特定的數(shù)學方法將收集到的數(shù)據(jù)進行整合，然后構(gòu)建數(shù)據(jù)模型。在制冷空調(diào)裝置優(yōu)化研究工作中，只有真正建立了數(shù)學模型，才能獲得研究所需要的各種原始數(shù)據(jù)，然后利用這些原始數(shù)據(jù)進一步轉(zhuǎn)化成為三維圖形或者是立體圖形。在實際操作中，操作人員運用的特定的數(shù)學方法大致可分為歸納法、演繹法、推理法等。而且，在具體應用中，必須遵循相應的規(guī)律，不能采用不符合數(shù)學要求的歸納方法，否者就無法有效開展仿真工作。

2.2 打造數(shù)學模型

打造數(shù)學模型是進行計算機仿真技術(shù)產(chǎn)品最關(guān)鍵的步驟，也是承上啟下的步驟。在制冷空調(diào)裝置計算機仿真實驗中，數(shù)學模型的構(gòu)建是基于程序化與規(guī)范化的數(shù)據(jù)模型，是將數(shù)據(jù)模型編制成一種可被利用的程序，這是開展仿真實驗的前提和基礎，如果沒有將數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學模型，就無法開展制冷空調(diào)的計算機仿真實驗。如果采用傳統(tǒng)的方法，模型就會過于復雜，仿真的過程也會變得十分繁瑣。而將數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學模型，其過程就會被大大簡化，從而為實現(xiàn)制冷空調(diào)裝置的仿真實驗奠定了良好的基礎。

2.3 開展仿真實驗

打造完數(shù)學模型后，研究人員就可以開展計算機仿真實驗了，這也是制冷空調(diào)裝置計算機仿真技術(shù)最重要的步驟。相對而言，仿真實驗這一步驟并不復雜，只要將數(shù)學模型載入到計算機當中，然后運用特定的計算機程序就可以將這些參數(shù)數(shù)據(jù)用三維圖形或立體圖形的方式展現(xiàn)出來，從而便于人們的直接觀察，然后將這些仿真運行的數(shù)據(jù)與實物實際運行的數(shù)據(jù)進行對比，并存在差異的部分進行修正，就可以有效改進相關(guān)的技術(shù)，是喜愛呢技術(shù)的發(fā)展進步。

3 計算機仿真技術(shù)在制冷空調(diào)裝置中的應用分析

制冷空調(diào)裝置最主要的部件分別是壓縮機、節(jié)流裝置和換熱器，其中換熱器又由冷凝器和蒸發(fā)器構(gòu)成，而節(jié)流裝置根據(jù)形式的不同，可以劃分為熱力膨脹閥、電子膨脹閥、毛細管以及節(jié)流短管等形式。

3.1 壓縮機模型

在制冷空調(diào)裝置中，壓縮機是其核心所在，也被稱為制冷空調(diào)系統(tǒng)的心臟，是制冷空調(diào)系統(tǒng)中最復雜的部件，不但有傳熱傳質(zhì)的過程，同時還有復雜的機械運動過程。因此，在壓縮機模型制作中，根據(jù)目的不同，需要建立幾種不同的模型。但相對來說，制冷空調(diào)裝置中的壓縮機模型大都是集中參數(shù)模型。

集中參數(shù)模型的構(gòu)建主要會運用到效率法、圖形法以及詳細的熱力模型法。其中圖形法相對來說較為簡單，計算的速度也較快，但構(gòu)建出來的模型也比較簡化，因此，這種方法對于制冷空調(diào)裝置的計算機仿真運行優(yōu)化效果并不是十分理想。而效率法則是一種應為比較廣泛的模型構(gòu)建方法，這種方法主要是參考了制冷空調(diào)運行中相應的實踐數(shù)據(jù)，然后用相應的系數(shù)來設定該制冷空調(diào)機組運行的程序，在此基礎上，根據(jù)兩者之間的差異逐步進行修正，從而達到準確度的要求。詳細的熱力模型法則綜合考慮了壓縮機的吸氣損失、排氣損失以及換熱損失，同時還考慮到了壓縮機工質(zhì)工作的過程，相對來說，優(yōu)化的效果更為理想。例如，Duprez 就根據(jù)制冷空調(diào)壓縮機際的工作狀況，綜合考慮了所有的損失系數(shù)，然后建立了比較詳細的熱力學模型，準確預測了制冷劑的質(zhì)量、制冷量、排氣溫度以及功耗等方面的性能。其計算公式為：

在上面兩個公式中，mcom，N 分別表示壓縮機的制冷劑流量與功率；λ，Vh，η 分別是壓縮機的輸氣系數(shù)、理論功率；Pc，Pe，vs，m 分別表示冷凝壓力、蒸發(fā)壓力、吸氣比容和多變指數(shù)。

3.2 節(jié)流裝置模型

在制冷空調(diào)裝置計算機仿真技術(shù)中，針對節(jié)流裝置模型的構(gòu)建，常用的方法主要有三種，分別是經(jīng)驗關(guān)聯(lián)模型、分布參數(shù)模型和近似積分模型。其中經(jīng)驗關(guān)聯(lián)模型相對來說比較簡單，不需要進行迭代計算，計算的速度較快，是制冷空調(diào)系統(tǒng)仿真中應用最為廣泛的一種技術(shù)，但這種模型的應用范圍較為狹窄，且無法準確描述出制冷空調(diào)節(jié)流裝置的性能。隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展，分布參數(shù)模型技術(shù)逐漸興起，并日益成為預測制冷空調(diào)節(jié)流裝置主要的手段。在實際運用中，分布參數(shù)模型主要是均相流模型，但在仿真實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)管內(nèi)的兩相流動，因為彼此之間存在著相互作用，無法實現(xiàn)完全的均相流。因此，近年來有部分研究人員開始研究分相流分布參數(shù)模型。隨著制冷空調(diào)裝置計算機仿真實驗的深入研究，研究人員因為經(jīng)驗關(guān)聯(lián)模型的通用性較差，而分布參數(shù)模型又比較復雜，于是提出了復雜程度以及精度介于二者之間的近似積分模型。隨著技術(shù)的改進，近似積分模型在制冷空調(diào)裝置仿真實驗中獲得了廣泛的應用。其控制方程為：式中的p，v，G 分別是流體的壓力、比容和質(zhì)流密度，D 和L 分別為毛細管的內(nèi)徑和長度，f 為沿程摩阻系數(shù)。

3.3 換熱器模型

在制冷空調(diào)裝置中，換熱器分為兩種，一是蒸發(fā)器，二是冷凝器。對其構(gòu)建模型進行計算機仿真實驗，根據(jù)變量以及時間關(guān)系，可以將其分為穩(wěn)態(tài)模型與動態(tài)模型兩大類，而進一步細分澤科分為集中參數(shù)模型、分區(qū)模型、管一管模型以及分布參數(shù)模型。

（1）集中參數(shù)模型，一般又被稱為單區(qū)模型。這種模型通常適用于沒有相變換熱的換熱器，是根據(jù)效率一傳熱單元系數(shù)法與對數(shù)平均溫差法，對換熱器的換熱性能進行模擬。在實際運用中，研究人員往往會假定空氣流動是均勻的，而制冷劑的性質(zhì)則是恒定的來進行，參數(shù)較為簡單，因此，準確性相對較差。

（2）分區(qū)模型。這一模型是根據(jù)制冷劑的狀態(tài)，將換熱器劃分為不同的區(qū)域。如：冷凝器就按照過熱氣體區(qū)、汽液兩相區(qū)以及過冷液體分別建立集中參數(shù)模型；而蒸發(fā)器則是按汽液兩相區(qū)、過熱區(qū)分別建立集中參數(shù)模型。

（3）管一管模型。這種模型是將換熱器離散成單根的管子，然后對每一根管子分別建立能量、動量以及質(zhì)量方程。在此基礎上，綜合考慮換熱器的流程布置以及空氣流動的不均勻性，并用局部換熱系數(shù)代替空氣與制冷劑的換熱系數(shù)。這種模型的計算機仿真實驗精度相對較高，但相對較為復雜，計算速度較慢。

（4）分布參數(shù)模型。這種模式是因為在實驗中兩相流體與單相流體在換熱與流動特性上具有較大的差別，同時在兩相區(qū)內(nèi)不同的干度下，制冷劑流動與換熱存在著較大的差異，而集中參數(shù)模型、分區(qū)模型和管一管模型無法準確描述出兩相區(qū)換熱與流動的特性，因此，研究人員才運用了這種更加細致的模型。在實際運用中，這種模型將換熱器劃分成為多個較小的控制容積，然后對每一個控制容積分別按照集中參數(shù)進行建模。這樣一來，構(gòu)建的模型可以得到更高的精度，而且能夠適用于任何結(jié)構(gòu)和管理布置的制冷空調(diào)換熱裝置的計算機仿真實驗當中。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的制冷空調(diào)系統(tǒng)因為能耗較大、制冷效率較低等弊端，已經(jīng)無法滿足人們生產(chǎn)和生活的需要。而通過運用計算機仿真技術(shù)，能在很短的時間內(nèi)實現(xiàn)制冷空調(diào)系統(tǒng)制冷流程的簡化，實現(xiàn)能源消耗節(jié)約，并提高制冷效果。在運用這一技術(shù)的過程中，構(gòu)造模型是其中最重要的環(huán)節(jié)。本文就對制冷空調(diào)裝置仿真技術(shù)進行了細致的分析，希望能對相關(guān)人士的研究工作提供參考，更好地運用計算機仿真技術(shù)優(yōu)化制冷空調(diào)裝置，實現(xiàn)制冷空調(diào)的高效率與低能耗運行。