一種帶模型標(biāo)定功能的工質(zhì)循環(huán)過程仿真平臺

廣東出入境檢驗檢疫局檢驗檢疫技術(shù)中心 馮 達(dá)

廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李明華

一種帶模型標(biāo)定功能的工質(zhì)循環(huán)過程仿真平臺

廣東出入境檢驗檢疫局檢驗檢疫技術(shù)中心 馮 達(dá)

廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李明華

介紹一種針對家用空調(diào)和冰箱的工質(zhì)循環(huán)過程的仿真平臺，根據(jù)制冷系統(tǒng)的物理過程和數(shù)學(xué)建模，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對制冷系統(tǒng)中冷媒的吸氣溫度、排氣溫度、流量、制冷劑壓降、過冷度等數(shù)據(jù)進(jìn)行實際測量，并由此測量數(shù)據(jù)對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行誤差修正，實現(xiàn)了模型標(biāo)定，從而提高了工質(zhì)循環(huán)過程的仿真精度。

工質(zhì)循環(huán)；仿真平臺；系統(tǒng)建模；模型標(biāo)定

0 引言

仿真平臺是研究制冷系統(tǒng)工質(zhì)循環(huán)過程熱力學(xué)特征的重要工具，是一種集多種技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)。仿真平臺依靠數(shù)據(jù)采集器對冷媒的溫度、壓力和流量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并結(jié)合制冷系統(tǒng)換熱系數(shù)、比熱容、冷源溫度、熱源溫度、管道長度、管道直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)，實現(xiàn)實測值與數(shù)學(xué)模型理論值的有機(jī)結(jié)合的模型標(biāo)定功能，從而提高仿真精度。

1 結(jié)構(gòu)和說明

圖1 壓力和溫度傳感器分布圖

仿真平臺由數(shù)據(jù)采集單元和仿真計算機(jī)單元兩大部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集單元包括24通道測溫?zé)犭娕肌?個壓力傳感器、2個流量傳感器、YOKOGAWA數(shù)據(jù)采集器和仿真計算機(jī)等構(gòu)成。通過數(shù)據(jù)采集單元可以對制冷系統(tǒng)中冷媒的吸氣溫度、排氣溫度、流量、制冷劑壓降等數(shù)據(jù)進(jìn)行實際測量，并由此測量數(shù)據(jù)對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行誤差修正，實現(xiàn)了模型標(biāo)定，從而提高了仿真精度。

數(shù)據(jù)采集單元的壓力傳感器和溫度傳感器分布如圖1、圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集和通信原理圖

2 功能說明

仿真計算機(jī)與YOKOGAWA數(shù)據(jù)采集器通過RS-232串通通信連接，連接方式為兩線連接法，YOKOGAWA數(shù)據(jù)采集器的串口板卡DT300-31的RDA/SDA與仿真計算機(jī)主板串口RDA(-)/SDA(-)連接，RDB/SDB與仿真計算機(jī)主板串口RDA(+)/SDA(+)連接，SG與SG連接。

YOKOGAWA數(shù)據(jù)采集器由四個模塊構(gòu)成，主要包括DA100電源模塊、串口板卡DT300-31、熱電偶輸入模塊DU300-31、直流電壓DC輸入模塊DU100-11。DA100電源模塊主要功能是為其他模塊提供直流電源。串口板卡DT300-31是實現(xiàn)與計算機(jī)串口通訊的通訊模塊。熱電偶輸入模塊DU300-31是30通道的熱電偶TC輸入模塊，可以接K型、T型、J型熱電偶，采用T型熱電偶。DU300-31的+/A和-/B之間連接長線T型熱電偶。直流電壓DC輸入模塊DU100-11是多功能輸入模塊，可以接熱電偶TC、電阻RTD、直流電源DC，采用直流電壓輸入功能，在DU100-11的+和-之間接250歐姆的精密電阻，再連接壓力傳感器和流量傳感器的4-20mA的輸出，以使傳感器輸出的4-20mA電流信號轉(zhuǎn)換成DC1-5V的直流電壓信號。

壓縮機(jī)吸氣溫度由壓縮機(jī)入口溫度的熱電偶T14測量，并且結(jié)合壓縮機(jī)入口處銅管溫度的熱電偶T13輔助確定。壓縮機(jī)排氣溫度由壓縮機(jī)入口溫度的熱電偶T15測量，并且結(jié)合壓縮機(jī)入口處銅管溫度的熱電偶T16輔助確定。

蒸發(fā)溫度是指制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)沸騰時的溫度，它與相應(yīng)的蒸發(fā)壓力是對應(yīng)的，蒸發(fā)溫度也是制冷系統(tǒng)中重要的參數(shù)。蒸發(fā)溫度在理想狀態(tài)下即是制冷溫度，但是實際運行中制冷劑的蒸發(fā)溫度比制冷的溫度要稍低3到5度。蒸發(fā)溫度由蒸發(fā)器入口處銅管溫度的熱電偶T9和蒸發(fā)器入口溫度的熱電偶T10求平均值得到，并且結(jié)合蒸發(fā)器出口溫度的熱電偶T11和蒸發(fā)器出口處銅管溫度的熱電偶T12輔助確定。

壓縮機(jī)系統(tǒng)的冷凝溫度是制冷劑在冷凝器中冷凝時的溫度，相對應(yīng)的制冷劑蒸汽壓力即冷凝壓力。冷凝溫度是制冷循環(huán)中主要運行參數(shù)之一，對于實際制冷裝置，由于其他設(shè)計參數(shù)變化范圍較小，冷凝溫度可以說是最重要的運行參數(shù)，它直接關(guān)系到制冷裝置的制冷效果，安全可靠性和能耗水平。冷凝溫度由冷凝器入口溫度的熱電偶T2和冷凝器出口溫度的熱電偶T3求平均值得到，并且結(jié)合冷凝器入口處銅管溫度的熱電偶T1和冷凝器出口處銅管溫度的熱電偶T4輔助確定。

過冷度是指膨脹閥（即毛細(xì)管）前液態(tài)制冷劑實際溫度與飽和溫度的溫差，檢測這個參數(shù)需測量膨脹閥前的液體壓力（表壓）和液管的壁溫。膨脹閥前液體由于壓力的升高，相應(yīng)的飽和溫度也升高，與此同時閥前液體溫度與高差沒有直接關(guān)系，可以近似看成不變，飽和溫度實際溫度差值就變大――過冷度變大，這就是正落差安裝冷凝器對過冷度造成的影響。冷凝器低位安裝時結(jié)果正好相反，膨脹閥前的過冷度會減少。過冷度由毛細(xì)管入口溫度的熱電偶T6、蒸發(fā)器入口溫度的熱電偶T10和蒸發(fā)器出口溫度的熱電偶T11共同確定。即T10和T11先求平均值，然后被T6減。即過熱度=T6-(T10+T11)/2。

過熱度是制冷循環(huán)中相同蒸發(fā)壓力下制冷劑的過熱溫度與飽和溫度之差，即：過熱度=吸氣溫度-蒸發(fā)溫度。過熱度是氣態(tài)制冷劑溫度高于對應(yīng)壓力下的飽和溫度的程度。制冷劑的飽和曲線是一條上升的曲線，即隨著壓力的升高，制冷劑的飽和溫度也是升高的。

過熱度由壓縮機(jī)入口溫度的熱電偶T14、蒸發(fā)器入口溫度的熱電偶T10和蒸發(fā)器出口溫度的熱電偶T11共同確定。即T10和T11先求平均值，然后被T14減。即過熱度= T14-（T10+T11）/2。

采用兩個流量傳感器測量制冷劑流量，冷凝器入口流量L1和冷凝器出口流量L2，主要測量液態(tài)制冷劑的流量。

蒸發(fā)壓力是指制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸收被冷卻物的熱量并沸騰時的壓力。在制冷技術(shù)中指出：在一定的壓力條件下，制冷劑沸騰時的溫度叫“蒸發(fā)溫度”；此時對應(yīng)的壓力叫“蒸發(fā)壓力”。它們間的變化關(guān)系是對應(yīng)的，壓力升則溫度也升，反之，壓力降則蒸發(fā)溫度對應(yīng)也降。因此，改變節(jié)流減壓閥的開度會改變制冷劑的供液量、也就改變了蒸發(fā)壓力，從而獲得不同的低溫。蒸發(fā)壓力由蒸發(fā)器入口壓力傳感器P5和蒸發(fā)器出口壓力傳感器P6求平均值獲得。

冷凝是汽化的相反過程（放熱）。在不同的壓力條件下，汽態(tài)制冷劑會有對應(yīng)的液化溫度。為了能循環(huán)利用制冷劑，吸熱后被壓縮機(jī)從蒸發(fā)器抽離出來的汽態(tài)制冷劑蒸汽在常溫常壓下是無法液化、再利用的，但經(jīng)壓縮使其變?yōu)楦邏焊邷氐臍怏w后，它能對環(huán)境溫度條件下的水或空氣放出熱量、變?yōu)槌馗邏旱臍怏w，并由于此狀態(tài)達(dá)到該種制冷劑的物理特性中的液化點而凝為液體；在特定溫度條件下能使制冷劑蒸汽液化、所對應(yīng)的壓力稱為“冷凝壓力”。冷凝壓力由冷凝器入口壓力傳感器P1和冷凝器出口壓力傳感器P2求平均值獲得。

3 模型標(biāo)定

在應(yīng)用仿真技術(shù)時，掌握合理的模型修正或標(biāo)定技術(shù)，對于提高仿真精度具有重要的現(xiàn)實意義。通過標(biāo)定可以修正模型。模型標(biāo)定是仿真的一種多變量反問題，模型標(biāo)定可以在部件層面，也可以在系統(tǒng)層面進(jìn)行。模型標(biāo)定可以采用單點標(biāo)定或多點標(biāo)定。絕對準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型是不存在的，而即使存在一個絕對準(zhǔn)確的模型，也沒有辦法證明。系統(tǒng)模型標(biāo)定的有兩大主要步驟。第一步是壓縮機(jī)模型標(biāo)定。壓縮機(jī)對系統(tǒng)性能的影響最大，通過壓縮機(jī)模型標(biāo)定，可以準(zhǔn)確計算系統(tǒng)流量、功耗（含風(fēng)機(jī)功耗）和排氣溫度。第二步是系統(tǒng)循環(huán)標(biāo)定。對于一個簡單的制冷循環(huán)，如果壓縮機(jī)吸氣狀態(tài)（吸氣壓力和過熱度）、排氣壓力和標(biāo)定節(jié)流前液體溫度確定，那么系統(tǒng)循環(huán)就確定了。比如：吸氣壓力的標(biāo)定通過調(diào)整蒸發(fā)器換熱系數(shù)實現(xiàn)，過熱度的標(biāo)定通過調(diào)整節(jié)流元件流量系數(shù)實現(xiàn)，排氣壓力的標(biāo)定通過調(diào)整冷凝器換熱系數(shù)實現(xiàn)，節(jié)流前冷媒溫度通過調(diào)整系統(tǒng)充注量實現(xiàn)。通過以上兩步驟，系統(tǒng)標(biāo)定即可完成，因為準(zhǔn)確的循環(huán)參數(shù)和壓縮機(jī)流量就可以保證系統(tǒng)性能參數(shù)的計算精度。

4 結(jié)束語

本文介紹的帶模型標(biāo)定功能的工質(zhì)循環(huán)過程的仿真平臺，使得研究人員對部件特性和系統(tǒng)特性均能進(jìn)行比較詳盡的研究，可對產(chǎn)品開發(fā)和改進(jìn)提供方向性指導(dǎo)，能夠輔助提高工質(zhì)循環(huán)過程的可靠性、可調(diào)性和制冷系統(tǒng)運行的效率。

A Model Calibration Function of Refrigerant Cycle Simulation Platform

Feng Da
（Guangdong Inspection And Quarantine Technology Center）

To introduce a household air conditioner and refrigerator refrigerant cycle simulation platform, according to the physical and mathematical modeling of refrigeration system, the inlet temperature of the refrigeration system, the refrigerant in the data acquisition system of exhaust gas temperature, fl ow, pressure drop of refrigerant subcooling, the actual measurement data, and the measurement data of mathematics the model of error correction, the calibration model, which improves the accuracy of the simulation process of refrigerant cycle.

Working Fluid Cycle；Simulation Platform；System Modeling； Model Calibration