面向制冷空调装置快速稳定仿真的部件模型拓展及系统仿真平台开发

发布时间：2019-04-27 06:02

【摘要】：制冷空调装置计算机仿真技术作为一种高效的制冷设备设计方法,已经越来越多地受到国内外制冷设备生产企业的重视,并已经成为现代制冷装置设计的主要发展方向。相对于传统的经验和试验相结合的设计方法,制冷装置计算机仿真技术可以避免大量的重复性的试验,同时可以得到实验得不到的数据,便于设计人员对制冷装置特性有更深入的认识,并为制冷产品设计提供更可靠的理论指导。在制冷空调装置的仿真计算中数学模型被成千上万次调用,这就需要仿真用的模型计算快速、绝对稳定和准确。虽然制冷空调装置仿真方法已有广泛的研究,但随着制冷技术的进步、制冷部件的更新换代、制冷过程的复杂化,快速稳定的制冷装置仿真方法也需要不断地完善和进步。对于空调装置,其制冷循环由原来的亚临界制冷循环扩展到跨临界制冷循环,节流机构由广泛采用的绝热等径毛细管组件替代为低成本绝热变径毛细管;对于冰箱装置,带有吸气管换热的等径毛细管广泛应用,换热器由简单的串联连接发展为并联、半并联等多种复杂的连接方式。针对以上制冷空调装置新的发展,制冷空调装置的快速稳定仿真方法也需要进一步完善。为此,本文开展了以下五个方面的研究:(1)开发跨临界循环中超临界区制冷剂物性隐式拟合显式计算方法。通过选取临界点附近的等温线作为基准线来构建超临界区隐式拟合关联式,进而获得制冷剂物性的显式公式的方法,可在超临界区保证制冷剂物性计算的快速、稳定、可逆。采用新方法,CO2和R410A的超临界区的物性被预测并和国际物性计算标准软件REFPROP 8比较。预测结果相对于REFPROP 8的计算结果的计算偏差在1%以内,而新方法的计算速度是REFPROP 8的100倍以上。(2)开发绝热变径毛细管快速计算方法。基于毛细管内的基本控制方程和经典突扩突缩公式,本文建立了变径毛细管计算模型,并提出流量计算和管长计算方法,并进行了实验验证。为了工程应用方便,本文还开发了绝热变径毛细管流量的无量纲关联式和常用工质的变径毛细管尺寸设计图。变径毛细管的无量纲关联式通过在原有的等径毛细管关联式中引入等效管径和等效管长得到。提出的无量纲关联式预测结果与实验数据的平均偏差在5%以内,计算速度是理论模型的700倍以上。应用开发的尺寸设计图,变径毛细管可以很容易设计。(3)开发非绝热等径毛细管快速计算方法。首先,非绝热毛细管的所有可能的相变情况统一成过冷区、两相区和过热区的叠加模式;然后,提出了各相区物性的近似关系式;最后,将近似关系式带入控制方程得出非绝热毛细管长的显式近似分析解。提出的快速计算方法可以覆盖蒸汽压缩制冷系统的大多数可能工况。对R134a、R600a、R12、R410A和R407C等工质的计算结果显示了提出的快速计算方法相对于分布参数模型的计算偏差小于2%,计算速度是分布参数模型的1000倍以上。(4)开发复杂串并联换热器快速稳定计算方法。首先,分析不同连接方式的换热器在不同工作过程下所有可能的制冷剂分布情况,将其总结为5种分布模式的组合,从而实现描述任何换热器中制冷剂分布变化;其次,建立制冷剂分布模式光滑转换判断准则,从而实现换热器中各工作过程转换的光滑连接;再次,选取制冷剂总质量和总能量作为状态参数,将质量和能量守恒方程直接作为控制方程,从而保证了新方法的质量和能量严格守恒;最后,开发制冷剂状态具体计算公式和求解算法,从而实现换热器模型快速求解。仿真案例表明,新方法在仿真48小时换热器性能中,质量和能量严格守恒,计算稳定,仿真结果和实验结果吻合。(5)开发制冷装置系统仿真的部件模型集成方法并搭建冰箱系统仿真平台。制定了基于系统仿真需求的部件模型选取原则和集成方法,并以冰箱系统为例,选取了合适的部件模型和开发了系统模型,在此基础上,搭建了冰箱系统通用仿真平台。开发的软件可实现用户和计算内核的数据交互,用户界面友好。采用开发的仿真软件预测不同类型冰箱的动态性能,结果显示预测的压力的平均偏差在10k Pa以内,预测的功率的平均偏差在5W以内,预测的箱室温度的平均偏差在1oC以内,预测的耗电量和开机率的相对偏差在10%以内。
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【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB657.2

【参考文献】