制冷裝置循環(huán)性能模擬計算方法

　　水源熱泵(Heat Pump) 是以水作為熱源和熱匯的熱泵系統，可分為地下水熱源熱泵和地表水熱源熱泵兩大類(lèi)，就目前的現狀而言，水源熱泵還沒(méi)有獲得和空氣源熱泵一樣的廣泛應用，原因有以下兩點(diǎn)：一方面是水源熱泵的投資比較高、水源的獲取受到限制（limit）；另一方面，目前為止還缺乏一種可靠的水源熱泵設計方法和計算模型水源熱泵的運行特性必須與建筑(building)物的空調負荷特性相匹配，存在著(zhù)負荷平衡的問(wèn)題(Emerson)。
　　本文通過(guò)對現有的水源熱泵模擬方法的分析和比較，根據空調制冷系統幾個(gè)主要部件的運行特點(diǎn)，建立了一組水源熱泵穩態(tài)性能的計算模型，通過(guò)模擬得出R22和R22/R142b在同一熱泵機組相同工況下的性能，從理論和實(shí)驗上驗證混合工質(zhì)的節能(Energy saving)理論，得出相應工質(zhì)可能的性能效果，為進(jìn)一步的實(shí)驗研究提供理論依據。昆山空壓機維修是更換全部磨損的零件，空壓機轉1000個(gè)小時(shí)或一年后，要更換濾芯，在多灰塵地區，則更換時(shí)間間隔要縮短。濾清器維修時(shí)必須停機，檢查壓縮機所有部件，排除壓縮機所有故障。
　　1模型建立1.1制冷空調系統(system)循環(huán)（continue)性能模擬(定義:對真實(shí)事物或者過(guò)程的虛擬)計算方法實(shí)際制冷系統是一個(gè)融合了傳熱傳質(zhì)的復雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程。從系統性能模擬的角度來(lái)看，制冷系統的幾個(gè)主要部件可以分為三類(lèi)熱力模型：第一類(lèi)是蒸發(fā)器和冷凝器，它們屬于換熱器部件，其中儲存了一定量的制冷劑，模擬結果的準確性直接影響著(zhù)系統制冷劑儲液量分配的計算結果，但對系統的流量沒(méi)有直接的影響。第二類(lèi)是膨脹閥和壓縮機，它們屬于系統中壓力(pressure)調節(adjust)部件，直接決定著(zhù)系統的蒸發(fā)壓力和冷凝壓力。儲液器可以歸為第三類(lèi)，它儲存了整個(gè)系統中的大部分制冷劑，對整個(gè)系統的動(dòng)態(tài)性能有著(zhù)很大的影響，但并不要求詳細了解其中的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，僅計算儲液器的總體狀態(tài)和進(jìn)出口參數。
　　由于蒸發(fā)(evaporation)器和冷凝器（類(lèi)別：換熱設備）在制冷系統(system)中是很重要的，對它們的研究也很活躍（Active)，分別建立了一些相應的數學(xué)模型(model)，總體上可分為4種：黑盒子模型、單一區域模型、兩區域模型和分布參數模型。水源熱泵的蒸發(fā)器和冷凝器都是采用循環(huán)水作為載體，在兩區域模型的基礎上，考慮（consider)了兩相區氣液滑移產(chǎn)生的動(dòng)量交換和質(zhì)量交換，建立的一組無(wú)因次數學(xué)模型。對于壓縮機和儲液器，一般都忽略其內部復雜的傳熱傳質(zhì)過(guò)程(guò chéng)，認為壓縮機容積中制冷劑均勻分布，儲液器中制冷劑處于飽和（saturation）狀態(tài)，整個(gè)容積壁面處于相同溫度下，建立集中模型（Lumped Model）。
　　節流裝置(Apparatus)有毛細管、熱力膨脹(inflate)閥等，通常把熱力膨脹閥看成一個(gè)節流裝置。
　　1.2系統簡(jiǎn)介水源熱泵系統示意圖如所示，其具體參數如下：冷凝器：采用套管式換熱器（外加保溫層），銅管外徑φ0＝10 mm，內徑φi＝8 mm；塑料套管內徑φ＝18 mm；總長(cháng)為10 m.采用每2 cm一個(gè)結點(diǎn)，沿管長(cháng)共取500個(gè)結點(diǎn)。
　　蒸發(fā)器：采用類(lèi)似蒸發(fā)器的套管式換熱器，總長(cháng)為8.46 m，沿管長(cháng)共取423個(gè)結點(diǎn)。昆山空壓機維修是更換全部磨損的零件，空壓機轉1000個(gè)小時(shí)或一年后，要更換濾芯，在多灰塵地區，則更換時(shí)間間隔要縮短。濾清器維修時(shí)必須停機，檢查壓縮機所有部件，排除壓縮機所有故障。昆山空壓機是回轉容積式壓縮機，在其中兩個(gè)帶有螺旋型齒輪的轉子相互嚙合，使兩個(gè)轉子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出。采用熱力膨脹閥，其中感溫包中的制冷(Refrigeration)劑的溫度對應于蒸發(fā)器出口溫度的響應。壓縮機：旋轉(Rotating)式壓縮機，n = 2 980 r/min，壓縮機理論排量V = 2.16×10 -6 m 3 /r.儲液器：容積(Capacity)為V = 4.75×10 -4 m 3。四通換向閥。
　　1.3系統模型系統模型的目標是在已知系統結構參數、換熱器進(jìn)出口水溫和流量(單位:立方米每秒)的基礎上，分別建立各個(gè)部件的數學(xué)模型，最后求得系統的穩態(tài)運行性能。
　　1.3.1換熱器模型(model)換熱器是制冷空調系統中的主要換熱設備，它包括蒸發(fā)器和冷凝器兩大主要部件。對于水源熱泵來(lái)說(shuō)，常采用套管式（小負荷）換熱器和管殼式換熱器（大負荷），實(shí)驗中選取套管式的，制冷劑走管程，載熱（冷）劑走殼程，所以換熱器的動(dòng)態(tài)數學(xué)模型應包括管內側制冷劑、管外側水和金屬管壁三個(gè)部分。
　　第一部分為管內側制冷劑的數學(xué)模型。（4）對于均相流體來(lái)說(shuō)，上述式（1）（4）中的取值分別為0或1，其中R q為制冷劑與管壁的換熱量：tp，in tp（）R w qαT T =。
　?。?）第二部分為管壁的數學(xué)模型：認為管內、外壁(Outer wall)溫度相等，采用集中參數法建立管壁熱平衡方程。昆山空壓機維修軸承跑外圈一般是因為配合的精度不夠以及外圈定位方式設計不合理造成的。并非所有機頭都按這個(gè)時(shí)間進(jìn)行，如果保養好的可以延后，保養差的則需要提前。 d（）（）d w R i R w a o w a T C M A T T A T T t =α。
　?。?）第三部分為載冷（熱）劑水的數學(xué)模型(model)，可以作出如下假定：流體(fluid)為不可壓縮流體；流體流動(dòng)為一維流動(dòng)；流體的粘性作用很小，略去粘性耗散項；沿流動(dòng)方向的導熱，質(zhì)量方程：d（）πd a a o a M d Dωx =。
　
　?。?）1.3.2壓縮(compression)機模型壓縮機是整個(gè)系統(system)的核心部件，實(shí)驗中采用容積式壓縮機由于壓縮機內的制冷劑處于氣態(tài)，在此作如下處理(chǔ lǐ)：簡(jiǎn)化為一個(gè)理想的絕熱過(guò)程除80%.
　　壓縮機的排氣量：th v R s V m v=λ，（9）其中：輸氣系數vλ，包括壓縮機的容積系數cλ、壓力系數pλ（取1）、預熱系數Tλ和泄漏系數Dλ（取0.98）的修正，νs為壓縮機的進(jìn)入氣體密度，V th為壓縮機理論容積輸氣量。
　　1.3.3熱力膨脹閥模型制冷劑流過(guò)熱力膨脹閥的過(guò)程可視為等焓過(guò)程，忽略其本體熱容變化的影響，則通過(guò)膨脹閥的流量計算：st（）
　?。ǎ﹊ c e b e m C p ρ，（11）其中C為膨脹閥的特性系數，ρi為膨脹閥制冷(Refrigeration)劑密度，p b為感溫包的壓力，p st為由膨脹閥彈簧提供的靜壓。
　　1.3.4儲液器模型(model)制冷劑流過(guò)儲液器的壓力降較小，可以認為其進(jìn)口蒸氣的焓值與出口蒸氣的焓值相等，把儲液器看成一個(gè)整體，且整個(gè)壁面保持在同一溫度下，采用集中參數法建立如下的數學(xué)模型。昆山空壓機維修軸承跑外圈一般是因為配合的精度不夠以及外圈定位方式設計不合理造成的。并非所有機頭都按這個(gè)時(shí)間進(jìn)行，如果保養好的可以延后，保養差的則需要提前。 儲液器質(zhì)量方程：d ac c e m t 。
　?。?2）儲液器能量方程：dd ac e e ac w ac c c m h T m h t = +α。
　?。?3）儲液器壁面的溫度（temperature)變化：d（）d w o a w ac w ac T C M T t =α。（14）1.3.5四通換向閥模型四通換向閥主要通過(guò)改變氣流通道而使氣體流動(dòng)方向發(fā)生變化，從而達到改變氣動(dòng)執行元件(element)運動(dòng)(movement)方向目的。制冷劑在四通閥中，從高壓側向低壓側的泄漏(leakage)量可表示為：（）L c e L C p p m=μ，（15）其中C L為泄漏系數。
　　2計算方法與結果分析2.1計算方法穩態(tài)計算主要用于預測一定工況下制冷系統穩定（解釋:穩固安定；沒(méi)有變動(dòng))運行時(shí)所表現出來(lái)的系統性能(property)，從而反映壓縮機、冷凝器、儲液器、四通換向閥、熱力膨脹閥和蒸發(fā)器各部件之間的耦合關(guān)系。實(shí)際制冷系統是一個(gè)封閉的循環(huán)回路，其表征工質(zhì)特性的物理量，既是系統某部件的輸出量，同時(shí)又是系統下一個(gè)部件的輸入量，因而可以很方便地得到系統和各部件工作參數的耦合關(guān)系。一般采用上游邊界點(diǎn)值代替內部結點(diǎn)相應的參數值，對各微分項采用向前差分，對時(shí)間項采用隱式格式。
　　純工質(zhì)R22和混合工質(zhì)R22/R142b（按質(zhì)量成分46.3：53.7）的熱物性參數(parameter)計算，采用改進(jìn)的PT方程，并假定初始參數：蒸發(fā)器出口過(guò)熱度同為5℃；T
　　C、T e的選取原則：純工質(zhì)取冷凝壓力和蒸發(fā)壓力所對應的飽和溫度，混合工質(zhì)取冷凝壓力對應的泡點(diǎn)溫度、蒸發(fā)壓力對應的露點(diǎn)溫度。
　　2.2計算結果與分析為了檢驗上述模型的準確性，文中采用一套小型水源熱泵(Heat Pump) 裝置的實(shí)驗（experiment)數據（data)與其對應環(huán)境參數(parameter)的模擬計算結果進(jìn)行了對比，結果見(jiàn)表1.對比數據包括蒸發(fā)器和冷凝器的出口水溫、整個(gè)系統的制冷量、耗功量和對應的性能系數COP值從表中的計算結果與實(shí)驗結果對比可以看出，蒸發(fā)器和冷凝器出口水溫的平均誤差小于0.62℃，制冷量和耗功的誤差小于9.95%和8.7%，說(shuō)明所建立的計算模型的精度比較高，能夠較好地預測(predict)系統的穩態(tài)性能。
　　3結論本文對水源熱泵系統建立了其各部件相應的數學(xué)模型，根據系統中各部件參數間的變化關(guān)系，通過(guò)對蒸發(fā)溫度T
　　E、冷凝溫度T c進(jìn)行合適的調整，模擬結果與實(shí)驗結果對比表明，本文所建立的數學(xué)模型，可用于多參數(parameter)空調系統穩態(tài)特性的計算機模擬，為水源熱泵系統結構的優(yōu)化設計和最優(yōu)控制提供了一種較完整的動(dòng)態(tài)模擬方法。
　　考慮到非共沸混合工質(zhì)存在溫度滑移現象，在建立換熱器模型中都采用了分布參數(parameter)模型，從表1可以看出，計算精度（精確度）控制在10%以?xún)?，可以適用于熱泵(Heat Pump) 系統的模型設計中以及系統的性能優(yōu)化計算。