軟件仿真在制冷類家電產品工質循環熱力學過程中的應用

馮達 李明華

摘要

討論了制冷類家電產品工質循環過程熱力學基礎、分析和計算、系統建模，并對仿真軟件流程進行了分析。

【關鍵詞】工質循環 仿真 系統建模 算法

對制冷系統工質循環熱力學特性的研究，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循環溫度、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，制冷系統參數多、各項參數之間相互耦合，使得試驗研究周期長、成本高，此外制冷系統內部的狀態參數難以準確測量。隨著計算機仿真的發展，通過仿真計算，可以快速地預測或計算制冷系統的狀態參數及其性能，減少樣機試制數量和檢測費用。應用仿真技術研究制冷系統可以預測很多試驗不能測量的參數，還可以優化和調整制冷系統及部件，因此仿真模擬相對于試驗研究具有顯著優勢。現階段，采用試驗驗證與仿真模擬結合的方式，發揮仿真技術和試驗技術各自的優勢，可以減少試驗，節省人力物力，提高檢測效率。

1 熱力學基礎

根據熱力學第二定律，熱量是不會自動地從低溫物體轉移到高溫物體上去的，利用物質狀態或性質變化，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，并且在數量上符合熱力學第一定律：Ql+W=Qh。為了實現制冷功能，還必須利用工質的相變，不斷地做功實現從低溫熱源吸熱，向高溫熱源放熱，從而獲得更低的溫度。

大多數制冷類家電產品屬于單級壓縮制冷系統，由壓縮機、冷凝器、節流閥、蒸發器四大要件組成，實現的制冷循環分為四個過程壓縮過程、冷凝過程、節流過程、蒸發過程。

壓縮過程完成從蒸發器出來的氣體工質經壓縮機壓縮，工質的溫度和壓力急劇升高。壓縮機排出的氣體工質變成過熱度較大的氣體。壓縮過程壓縮機消耗一定的功，工質工質的熵值不變。

冷凝過程實現從壓縮機排出的高溫高壓過熱氣體工質，進入冷凝器與冷卻水或空氣進行熱交換，使過熱氣體工質逐漸變成飽和，進而變成飽和液體工質，冷凝過程中壓力保持不變。

節流過程實現從冷凝器出來的液體工質經過膨脹閥節流，成為低溫低壓的氣體工質，節流過程工質焓值不變。

蒸發過程通過膨脹閥截流后的低壓氣體工質，在蒸發器中從周圍介質吸熱制冷。從蒸發器出來的氣體工質成為稍有過熱度的過熱氣體。在蒸發過程中，工質的溫度和壓力保持不變。

壓縮、冷凝、節流、蒸發四個過程依次不斷循環，達到持續制冷目的。制冷系統中的液體工質在蒸發器中蒸發，變成氣體工質，該氣體工質又被壓縮機壓縮后導入冷凝器中，從而氣體工質再被冷凝成為液體工質。

2 熱力學特性分析和計算

工質在不同狀態時具有不同的特性。用壓焓圖表示工質的特性比較合適。在溫度、壓力、比體積、焓、熵等參數中，只要知道其中任意兩個狀態參數，就可以在壓焓圖中確定其狀態點，其余參數便可直接從圖中讀出。

圖1是適用于大多數制冷類家電產品的單級壓縮制冷循環的壓焓圖，其中Pk是冷凝壓力、P0是蒸發壓力、tk是冷凝溫度、tO是蒸發溫度；狀態點0是蒸發器出口、狀態點1是壓縮機吸氣口、狀態點2是壓縮機排氣口、狀態點5是節流裝置入口、狀態點6是蒸發器入口。

從狀態0到狀態1是蒸發壓力下的吸氣過程，保持一定的過熱度是壓縮機安全運行所必需的。

從狀態1到狀態2是等熵壓縮過程，狀態2點的溫度是壓縮機的排氣溫度，兩狀態點的焓差是壓縮機作功大小的主要參數值，因此應盡量減少兩點間的距離才能節約能源。

從狀態2到狀態3是等壓放熱過程，氣體工質放出顯熱，排氣溫度t2降至冷凝溫度tk，狀態仍為氣體，無相態變化。

從狀態3到狀態4是工質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4到狀態5是液體工質繼續散熱，冷凝溫度tk降至過冷溫度t5，無相態變化，過冷是提高制冷量的重要措施。

從狀態5到狀態6是等焓節流過程，通過節流裝置，冷凝壓力Pk降至蒸發壓力P0，由液體變為氣液共存的狀態。

從狀態6到狀態0是等溫等壓吸熱汽化過程，蒸發壓力P0與蒸發溫度tO為相對應，兩狀態點間的焓差大小主要取決于蒸發溫度的高低。在不影響要求的條件下，應盡量提高蒸發溫度以提高制冷量。

單位質量制冷量q0：lkg工質在蒸發器內所吸收的熱量，在壓焓圖中，可用狀態1和狀態5兩點的焓差表示。

單位容積制冷量qv：lm3工質在蒸發器內所吸收的熱量。

vl：吸氣狀態時工質的比體積（m3/kg）

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

制冷系數ε：循環的單位制冷量與單位壓縮功之比。

單位冷凝熱量qk：lkg工質在冷凝器中放出的熱量。在壓焓圖中，可用狀態2和狀態4的兩點的焓差表示。

3 仿真系統建模

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，是在計算機上用數字形式表達實際系統的運動規律。仿真技術主要包括四個步驟，即：系統建模、選取仿真算法、建立仿真模型、分析與評估結果。

建立系統模型是系統仿真的首要問題，是制冷系統和制冷過程熱力學特性的一種簡化表現形式，能提取和反映出制冷系統和制冷過程的狀態參數變化規律。

仿真算法在壓縮、冷凝、節流、蒸發四個循環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工質循環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構形式。

保證仿真模型及參數有效性的措施是要求參與仿真計算的參數盡量實測，但由于一些狀態參數是通過查詢工質熱物性參數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特性，并且對所有過程參數進行實際測量也是不現實的，因此模型參數的實際測量并不能完全保證模型及其參數的有效性。

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點進行數字仿真時，仿真時間太長將會使仿真失去實際意義。而對任意中間狀態點的數字仿真，由于狀態參數限制，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，在制冷系統仿真的過程中要求在滿足計算穩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構參數，包括換熱系數、比熱容、冷源溫度、熱源溫度、管道長度、管道直徑等；然后調用工質物性參數；進行制冷系統初始化；分別對壓縮機、毛細管、冷凝器、蒸發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；程序循環進行迭代運算；輸出結果。

5 結束語

本文借助仿真技術能夠方便快捷的進行工質循環過程改變參數后的制冷性能和能耗情況的對比研究，從而高效地實現制冷類家電產品的調控和干預，能夠實現提高制冷類家電產品的開發過程或檢測過程效率的目的。通過建立制冷系統模型進行仿真模擬，可以快速地仿真制冷系統的動態狀態參數，預測很多試驗難以測量的狀態參數，還可以進一步優化制冷系統性能及部件的設計參數，從而減少試驗，節省人力物力，提高檢測效率。

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