二氧化碳制冷系統的動態仿真探討

王偉亮+關星+李泰勝

摘 要：為了保證二氧化碳制冷系統的穩定運行，針對其運行特征構建了動態仿真模型，并通過對模型構建中所產生參數的集成和計算，全面掌握了二氧化碳制冷系統在實際運行中的性能，最終為該系統的設計提供了大量可供參考的數據信息，并實現了系統的穩定運行。從模型的構建入手，對實驗數據和仿真結果進行了細致的對比，旨在更加全面地體現系統的動態特征。

關鍵詞：二氧化碳制冷系統；動態仿真；蒸發器；換熱器

中圖分類號：TB61+1 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.110

為了實現環保生產，需要用新型的制冷劑替代原有的制冷劑。20世紀90年代，相關專家學者對二氧化碳在汽車空調系統中應用的可能性進行了實驗，并在實驗過程中整合了大量的數據信息。二氧化碳制冷系統的動態仿真實驗具有一定的復雜性，基于此，相關專家學者建議在實驗過程中構建系統仿真模型，以此提升實驗結果的精確性，從而使系統在實際運行過程中日趨穩定。

1 模型建立

1.1 蒸發器模型

在制冷系統模型構建過程中，要求實驗人員選定四個控制參數，即電子膨脹閥的開度，氣冷器、壓縮機的轉速及蒸發器的風量，從而在模型參數設定的基礎上構建蒸發器模型；設定進口CO2為蒸發器的兩相，出口為過熱，在兩區劃分的原則上結合蒸發器自身的特性，利用制冷劑的質量、能量、管壁能量平衡方程對蒸發器模型加以闡述，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。

以上公式的應用可便于實驗人員在構建動態仿真模型的過程中對模型展開細致的分析。但是，為了保障方程應用的精確性，實驗人員應明晰方程中ρ，A，m，P，h，T，d，Cp的含義，從而可以在構建仿真模型的過程中將相應數值帶入到公式中，以此來保障模型構建的有序進行。

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建是本次實驗的重點，因此，實驗人員應對此予以高度重視，并在氣冷器模型構建的過程中保障CO2在氣冷器中處于超臨界狀態，以此來提高實驗數據的精確性。此外，在構建中間換熱器模型時，應先將中間換熱器設定為逆流換熱器，同時保障熱側和冷側的單相性，為接下來的實驗打好基礎。需要注意的是，中間換熱器模型的構建應遵守非穩態能量守恒定律。非穩態能量守恒方程為：

在方程應用的基礎上，對模型展開全方位的分析，由此整合出相應的數據信息，以達到最佳的模型構建狀態。

1.3 壓縮機及系統模型

式（5）為代數方程。在壓縮機模型構建過程中，應用該方程可較好地反映壓縮機的實際運行狀態，便于實驗人員對壓縮機的質量流量進行細致的分析，以達到最佳的模型構建狀態。在二氧化碳制冷系統動態仿真實驗中，系統模型的構建是至關重要的。因此，在實驗過程中，實驗人員應結合質量和能量的守恒關系，運用各部件模型構建精準的動態模型，且在模型構建過程中輸入準確的參數關系，以得到相應的數據計算結果。此外，在動態模型分析過程中，還應強調對常微分方程組的應用，并在Simulink平臺上求得最終結果。

2 實驗數據與仿真結果的對比

2.1 二氧化碳制冷系統動態仿真實驗

從本次實驗搭建的二氧化碳制冷系統動態仿真模型實驗平臺可以看出，本次實驗所應用的壓縮機技術已較為成熟，同時，實驗中所運用的壓縮機在實際運行過程始終利用變頻器控制的方式來調整自身的轉速，由此保障系統處于穩定的運行狀態。此外，在實驗過程中，為了確保實驗數據的精確性，還應用到了管片式氣冷器。管片式氣冷器在實際運行過程中凸顯出逆向排列的特點。在選擇換熱管時應用到了外徑2.9 mm、厚壁0.4 mm的鋼管，最終滿足了實驗要求。由于中間換熱器是本次實驗設備的重要組成部分，因而在選擇中間換熱器時應強調逆流套管式中間換熱器的應用，并將其外管內徑控制在13～14 mm的合理數值范圍內，以達到良好的實驗狀態。由以上分析可以看出，在動態仿真實驗過程中，強化對實驗設備選擇的合理性是非常必要的，為此，實驗人員應提高對這一環節的重視程度。

2.2 動態仿真結果與實驗數據的對比

為了取得較好的實驗結果，實驗人員在系統穩定的基礎上對某些參數數值進行了相應的調整，并在調整的過程中全方位關注了系統的變化情況，將變化數值以筆記的形式清晰地記錄下來。此外，在參數調整的基礎上，實驗人員為處于穩態的系統添加了一定的擾動條件，并由此模擬相應的動態仿真過程，達到實驗研究的目的。同時，在實驗過程中，實驗人員通過連續改變壓縮機轉速實現了參數值變化的目標，并在對記錄信息整合的基礎上建立了驗證動態模型，以提升實驗結果的精確性。從參數值動態變化的實驗值與計算值比較結果中可以看出，二者存在一定的差異，但變化趨勢一致，體現了動態系統的真實變化情況。除此之外，壓縮機溫度受氣出口壓力的影響也呈現出相應的變化趨勢，這一現象凸顯了壓縮機熱慣性較小的特征。

3 結論

綜上可知，近年來，節能環保問題逐漸引起了越來越多的關注。在此基礎上，通過二氧化碳制冷系統動態仿真研究來開發新型節能制冷系統是非常必要的。本次動態仿真實驗在對系統模型進行構建的同時，對壓縮機模型、膨脹閥開度及氣冷器的轉速進行了相應的預測，最終為當前制冷系統的開發提供了大量可供參考的數據，以更全面地了解二氧化碳制冷系統的性能特征。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕