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

馮達 李明華

摘要

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

【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)熱力學特性的研究，一般有試驗和仿真兩類研究方法。試驗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、各項參數(shù)之間相互耦合，使得試驗研究周期長、成本高，此外制冷系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)參數(shù)難以準確測量。隨著計算機仿真的發(fā)展，通過仿真計算，可以快速地預(yù)測或計算制冷系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)及其性能，減少樣機試制數(shù)量和檢測費用。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研究具有顯著優(yōu)勢。現(xiàn)階段，采用試驗驗證與仿真模擬結(jié)合的方式，發(fā)揮仿真技術(shù)和試驗技術(shù)各自的優(yōu)勢，可以減少試驗，節(jié)省人力物力，提高檢測效率。

1 熱力學基礎(chǔ)

根據(jù)熱力學第二定律，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（低溫熱源）吸取一定的熱量Q1，通過一個消耗功W的補償過程，向較高溫度的物體（高溫熱源）放出熱量Qh，并且在數(shù)量上符合熱力學第一定律：Ql+W=Qh。為了實現(xiàn)制冷功能，還必須利用工質(zhì)的相變，不斷地做功實現(xiàn)從低溫熱源吸熱，向高溫熱源放熱，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、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器四大要件組成，實現(xiàn)的制冷循環(huán)分為四個過程壓縮過程、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)壓縮機壓縮，工質(zhì)的溫度和壓力急劇升高。壓縮機排出的氣體工質(zhì)變成過熱度較大的氣體。壓縮過程壓縮機消耗一定的功，工質(zhì)工質(zhì)的熵值不變。

冷凝過程實現(xiàn)從壓縮機排出的高溫高壓過熱氣體工質(zhì)，進入冷凝器與冷卻水或空氣進行熱交換，使過熱氣體工質(zhì)逐漸變成飽和，進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)四個過程依次不斷循環(huán)，達到持續(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 熱力學特性分析和計算

工質(zhì)在不同狀態(tài)時具有不同的特性。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狀態(tài)參數(shù)，就可以在壓焓圖中確定其狀態(tài)點，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0是蒸發(fā)器出口、狀態(tài)點1是壓縮機吸氣口、狀態(tài)點2是壓縮機排氣口、狀態(tài)點5是節(jié)流裝置入口、狀態(tài)點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安全運行所必需的。

從狀態(tài)1到狀態(tài)2是等熵壓縮過程，狀態(tài)2點的溫度是壓縮機的排氣溫度，兩狀態(tài)點的焓差是壓縮機作功大小的主要參數(shù)值，因此應(yīng)盡量減少兩點間的距離才能節(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)時工質(zhì)的比體積（m3/kg）

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

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的兩點的焓差表示。

3 仿真系統(tǒng)建模

仿真是指通過研究一個能代表所研究對象的模型來代替對實際對象的研究，是在計算機上用數(shù)字形式表達實際系統(tǒng)的運動規(guī)律。仿真技術(shù)主要包括四個步驟，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算的參數(shù)盡量實測，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，不能準確反映制冷各個過程在線運行時的動態(tài)特性，并且對所有過程參數(shù)進行實際測量也是不現(xiàn)實的，因此模型參數(shù)的實際測量并不能完全保證模型及其參數(shù)的有效性。

為使仿真達到一定的精度，計算的步長不能太大，但計算的步長太小又使得計算量加大、仿真運行過程增加，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)點進行數(shù)字仿真時，仿真時間太長將會使仿真失去實際意義。而對任意中間狀態(tài)點的數(shù)字仿真，由于狀態(tài)參數(shù)限制，計算步長取得很小，這就加長了仿真時間，將會引起計算的不穩(wěn)定，這對于仿真都是不利于進行的。

因此在實時仿真情況下，為了解決計算速度與計算精度這一對矛盾時，首先以計算速度為主要矛盾，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算速度，如采用高速計算機，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)；進行制冷系統(tǒng)初始化；分別對壓縮機、毛細管、冷凝器、蒸發(fā)器以及箱體進行仿真計算；判定仿真精度和仿真時間是否滿足要求；程序循環(huán)進行迭代運算；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)測很多試驗難以測量的狀態(tài)參數(shù)，還可以進一步優(yōu)化制冷系統(tǒng)性能及部件的設(shè)計參數(shù)，從而減少試驗，節(jié)省人力物力，提高檢測效率。

參考文獻

[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.