【正文】 來自 中國最大的資料庫下載 第 5章 制冷空調(diào)中的計算機仿真與控制 第一節(jié) 制冷空調(diào)中的計算機仿真 第二節(jié) 制冷空調(diào)計算機控制系統(tǒng)的組成 制 冷 原 理 與 技 術 仿真技術簡介 仿真 用一個能代表所研究對象的模型去完成的某種實驗 , 以前常稱為模擬 。 按照模型 性質不同 物理仿真 計算機仿真 制 冷 原 理 與 技 術 物理仿真 用一個與實際系統(tǒng)物理本質相同的模型去完成實驗 。 計算機仿真 用數(shù)學形式表達實際系統(tǒng)的運動規(guī)律，數(shù)學形式通常是一組微分方程或差分方程，然后用計算機來解這些方程。 制 冷 原 理 與 技 術 在計算機仿真研究的過程中，一般要經(jīng)過這樣四個步驟 (1) 寫出實際系統(tǒng)的數(shù)學模型。 (2) 將它轉變成能在計算機上進行運轉的數(shù)學模型 (3) 編出仿真程序 (4) 對仿真模型進行修改、校驗 制 冷 原 理 與 技 術 仿真系統(tǒng) 有無實 物介入 實時仿真系統(tǒng) 非實時仿真系統(tǒng) 仿真 計算機 類型不同 用模擬計算機組成的仿真系統(tǒng) 用數(shù)字計算機組成的數(shù)字仿真系統(tǒng) 用混合模擬機組成的或用數(shù)字－模擬混合計算機組成的混合仿真系統(tǒng) 微型機陣列組成的全數(shù)字式仿真系統(tǒng) 制 冷 原 理 與 技 術 簡單對象的建模 ? 在制冷空調(diào)裝置仿真中，有些部分在一定假設下，可用一階微分方程近似描述。下面舉例說明。 制 冷 原 理 與 技 術 例 51 貨物冷卻 對于貨物送入冷藏箱中進行冷卻，如圖 51所示。設冷藏箱中空氣溫度為 ；設貨物的溫度為 ，質量為 M，定容比熱為 C，與空氣傳熱面積為 F，貨物與空氣的當量傳熱系統(tǒng)為 K。 圖 5 1 冷藏貨物 ? , ,C M ?a KF ( ?a ? ) ?a ?? 制 冷 原 理 與 技 術 貨物的蓄熱量 U為 (51) 傳給貨物的熱量應等于貨物蓄熱量的變化 (52) 將式 (51)代入 (52)并整理得 (53) CM? ?dUdt KF a? ?( )? ?ddt KFCM KFCM a? ? ?? ?上式即是包含對 t 求導的一階微分方程。反映了一定條件下，貨物隨冷藏室內(nèi)空氣溫度的變化規(guī)律 制 冷 原 理 與 技 術 用一階微分方程描述的只能是非常簡單與理想化的對象，在制冷空調(diào)裝置仿真中，如果考慮稍多一些影響參數(shù)的話，則必須采用更高階的方程。 例 52變空氣溫度下的貨物冷卻 仍然是貨物送入冷藏箱中進行冷卻的過程計算。與例 51不同的是，空氣溫度是變化的，而送入箱內(nèi)的熱量是一定的 , 設為 Q。設冷藏箱中空氣溫度為 ，質量為 Ma，定容比熱為 。設貨物的溫度為 ，質量為 M，定容比熱為 C，與空氣傳熱面積為 F，貨物與空氣的當量傳熱系統(tǒng)為 K。貨物送入冷藏箱中進行冷卻，箱體結構為絕熱。 ?aCa ? 制 冷 原 理 與 技 術 ?a a aC M, , 圖 5 2 考慮空氣蓄熱時的貨物冷藏 ? , ,C M Q 制 冷 原 理 與 技 術 空氣的蓄熱量 U為 U C Ma a a a? ?貨物的蓄熱量 U為 U CM? ? ?CMU ?傳給貨物的熱量應等于貨物蓄熱量的變化 CM ddt KF a? ? ?? ?( )傳給空氣的熱量與傳給貨物的熱量之和為總熱量 Q CM ddt C M d dt Qa a a? ? ?由式（ 56）得 ? ? ?a CMKF ddt? ?? ? ?a CMKF ddt? ?(54) (55) (56) (57) (58) 制 冷 原 理 與 技 術 將 (58)代入 (57)得， CM ddt C M ddt CM C MKF ddt Qa a a a? ? ?? ? ?22CM C MKFddt CM C Mddt Qa aa a22? ?? ? ?( )（ 59） 上面的二階常微分方程描述了冷藏箱內(nèi)貨物的冷卻過程。如果考慮空氣與箱體結構的傳熱，而把箱體結構作為一階慣性環(huán)節(jié)，則得到的式子為三階微分方程。如果對于厚的貨物，需要考慮表層與內(nèi)部溫度變化的不一致，則所得到的方程階數(shù)還要高 。 制 冷 原 理 與 技 術 一般地，描述系統(tǒng)的高階微分方程可統(tǒng)一用如下形式 ddt y addt y addt y a y cddt u cddt u cddt u c unnnn n nnnnn n n? ? ? ? ? ? ? ? ??? ??? ?111 1 0 111 1? ?ucudtdcudtdcudtdcyaydtdaydtdaydtd nnnnnnnnnnnn????????? ??????111101111 ??(510) 對于一般的微分方程，難以直接求得分析解，一般采用數(shù)值求解方法。對于精度要求較低而速度要求較高的場合，可以采用歐拉法、梯形法；如果精度要求較高，則四階龍格庫塔法是常用的求解方法。 制 冷 原 理 與 技 術 最常見的制冷裝置如家用冰箱、家用空調(diào)器等均采用 單級蒸氣壓縮制冷循環(huán) 單級壓縮蒸氣制冷理論循環(huán)的計算機分析 對于單級蒸氣壓縮制冷理論循環(huán)的計算機分析是一種非常簡化的制冷循環(huán)模擬，可以作為實際制冷裝置模擬的基礎。 制 冷 原 理 與 技 術 圖 53 示出了單級蒸氣壓縮制冷循環(huán)的 lgp–h圖 。 查表 可以計算出所要求的各個量，但每次計算都比較復雜 。 用計算 機計算 雖然編程需要花時間，但以后每次計算特別快，這對于工況等參數(shù)改變時的分析特別能體現(xiàn)出其優(yōu)勢。 制 冷 原 理 與 技 術 假定輸入?yún)?shù)為 4個：蒸發(fā)溫度 Te，冷凝溫度 Tc，壓縮機吸氣過熱度 ?Te，冷凝器過冷度 ?Tc。按理論循環(huán)的假設條件，蒸發(fā)溫度和冷凝溫度均為定值，系統(tǒng)的流動阻力忽略不計。壓縮過程為等熵過程，節(jié)流過程為等焓過程。 循環(huán)的制冷量 41510 hhhhq ????(511) 單位容積制冷量 10vqqv ? (512) 單位理論熱負荷 42 hhq k ??(513) 制冷系數(shù) 00wq?? (514) 制 冷 原 理 與 技 術 圖 54 為計算單級蒸氣壓縮制冷循環(huán)性能的程序框圖 。 由 Te求 pe T1= Te+?Te, p1 =pe 由 T1, p1求 v1, s1, h1 由 Tc求 pc p2 =pc， s2= s1 由 p2, s2求 T2, h2 T4= Tc?Tc, p4 =pc 由 T4, p4求 h4 求 q0, qv, qk, w0, ? 結束 給 Te, Tc, ?Te, ?T c賦值 制 冷 原 理 與 技 術 上述程序的用途 因為 該種計算中只需要知道制冷工質的熱力性質，與工質的傳輸性質以及具體的裝置結構均無關 所以 可以方便地求出當蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、壓縮機吸氣過熱度、冷凝器過冷度變化時，理論制冷循環(huán)性能的變化 現(xiàn)經(jīng)常被用來比較不同工質的性能 制 冷 原 理 與 技 術 使用上述方法存在的問題 因為 對于一般的制冷裝置來講，當蒸發(fā)溫度、冷凝溫度變化時，其壓縮機吸氣過熱度、冷凝器過冷度也會變化，定值假定是不符合實際情況的。 所以 上面分析過程沒有牽涉到外界環(huán)境對于實際裝置的影響 方法雖然簡單，但同實際裝置性能之間是有差距 ， 不能預測外界環(huán)境變化時制冷裝置的性能變化 。 制 冷 原 理 與 技 術 單級壓縮蒸氣制冷裝置的計算機模擬 部件模型 在計算機模擬時 ， 并不能任意指定狀態(tài) ， 如蒸發(fā)溫度 、 冷凝溫度 、 過熱度 、 過冷度 ， 而是應該能把這些參數(shù)正確地計算出來 。 在模型和算法的選取上 ， 應當根據(jù)實際需要 ， 在精度 、 計算穩(wěn)定性和運算速度之間達到平衡 。 制 冷 原 理 與 技 術 對于一個簡單的單級蒸氣壓縮制冷裝置，設其由往復活塞式壓縮機、毛細管、冷凝器與蒸發(fā)器這四大件組成。蒸發(fā)器與換熱器均采用干式換熱器，其本身熱容可以忽略不計，這兩個換熱器均采用溫度不變的空氣冷卻。 建立各個部件的模型 1. 壓縮機模型 2. 毛細管模型 3. 3. 蒸發(fā)器和冷凝器模型 4. 4. 圍護結構模型 5. 5. 充注量計算模型 要求 模擬壓縮機開機過程到系統(tǒng)接近穩(wěn)定的整個過程 則主要是要預測制冷劑狀態(tài)及制冷量隨時間的變化 制 冷 原 理 與 技 術 1. 壓縮機模型 對于制冷裝置來講，活塞在一個運轉周期中的流量的變化，是一個頻率過高的信號， 可以取每個周期的平均值來濾掉該高頻信號 壓縮機進出口狀態(tài)對于壓縮機流量的影響是沒有時間遲延的 壓縮機流量計算的模型可以采用穩(wěn)態(tài)模型 ,功率則可根據(jù)理論功和壓縮機的效率確定 . 所以 制 冷 原 理 與 技 術 shco m vVm ??（ 515） ?? /1)(11?????? ????mmeceh pppVmmN（ 516） 上面式中， m， N分別表示壓縮機的制冷劑流量與功率； ?， Vh， ?分別為壓縮機的輸氣系數(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、多變指數(shù)。 制 冷 原 理 與 技 術 2. 毛細管模型 毛細管中制冷劑的流速很高，制冷劑流過毛細管所需要的時間也遠小于系統(tǒng)的時間常數(shù)，因此毛細管進出口狀態(tài)的影響也可以認為是即時的 其模型采用穩(wěn)態(tài)模型 因為 管內(nèi)流體流動的高度非線性，各種較為精確的分布參數(shù)模型在數(shù)值求解時速度較慢且存在計算的穩(wěn)定性問題 所以 建立精確，同時又簡單、通用的毛細管模型對于實際裝置的設計與優(yōu)化具有重要意義 制 冷 原 理 與 技 術 對于一維等焓均相流動，有如下控制方程 ? ? ?dp G dv fD vG dL2 212 （ 517） 式中， p, v, G分別為流體的壓力、比容和質流密度， D和 L分別為毛細管內(nèi)徑和長度， f為沿程摩阻系數(shù)。 下面介紹的絕熱毛細管的近似積分模型是一種較好的模型。 制 冷 原 理 與 技 術 (1) 過冷區(qū)模型 過冷區(qū)液體比容和沿程摩阻系數(shù)可認為不變，對上式積分，得過冷區(qū)長度 L p Df v GSC SCSC SC? 2 2?（ 518） 式中， ?pSC表示過冷區(qū)壓降，下標 SC表示過冷區(qū)。 制 冷 原 理 與 技 術 (2) 兩相區(qū)模型