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復(fù)雜制冷系統(tǒng)通用建模方法與仿真研究

2013-09-25 10:15:23 閱讀()

　　摘要：復(fù)雜制冷系統(tǒng)由一個或者多個壓縮機以及一系列的蒸發(fā)器和冷凝器通過管路聯(lián)接而成。本文采用基于圖論的汽液兩相流體網(wǎng)絡(luò)模型對各種復(fù)雜制冷系統(tǒng)進行統(tǒng)一描述，采用關(guān)聯(lián)矩陣來描述各個部件之間的聯(lián)接關(guān)系。并采用節(jié)點守恒方程(質(zhì)量、動量、能量)、支路守恒方程(質(zhì)量、動量、能量)和系統(tǒng)質(zhì)量守恒方程作為控制方程，采用迭代法來求解這類具有無定壓點、含有相變、變傳熱與阻力系數(shù)且相互耦合等特征的汽液兩相流體網(wǎng)絡(luò)的分布參數(shù)法模型，取得了良好的計算精度和計算效率。該方法可以有效地解決多元變頻空調(diào)系統(tǒng)、帶生活熱水熱泵系統(tǒng)、調(diào)溫除濕機等復(fù)雜制冷系統(tǒng)的仿真問題。汽液兩相流體網(wǎng)絡(luò)模型具有連接形式靈活，擴展性強的特點，具有良好的通用性，為指導(dǎo)復(fù)雜制冷系統(tǒng)的性能分析、性能評價和優(yōu)化設(shè)計提供了有效工具。

　　1. 引言

　　制冷系統(tǒng)均是由制冷劑管路將壓縮機、冷凝器、節(jié)流元件和蒸發(fā)器四大基本部件連接而成的封閉回路，常規(guī)制冷系統(tǒng)一般為單元制冷系統(tǒng)(定義：當(dāng)制冷系統(tǒng)四大基本部件的數(shù)量均為1時，稱之為單元制冷系統(tǒng))。為了實現(xiàn)不同室內(nèi)環(huán)境的溫、濕度的有效控制，近些年來還發(fā)展出由一臺主機帶動多臺室內(nèi)換熱器以及VRF(Variable Refrigerant Flowrate)形式的多元空調(diào)系統(tǒng)[1-3];為了提高能源利用效率回收廢熱的熱泵[4]與多元調(diào)溫除濕機[5]等都是在簡單管網(wǎng)制冷系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的復(fù)雜管網(wǎng)制冷系統(tǒng)(定義：當(dāng)制冷系統(tǒng)四大基本部件中任一部件的數(shù)量大于1時，稱該系統(tǒng)為復(fù)雜制冷系統(tǒng))，在形式和功能上都大大豐富的傳統(tǒng)的制冷空調(diào)系統(tǒng)，也進一步擴大了制冷空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　盡管在系統(tǒng)的基本原理上，復(fù)雜制冷系統(tǒng)與單元制冷系統(tǒng)基本相同，在系統(tǒng)層面上的性能分析與優(yōu)化可以采用單元制冷系統(tǒng)的研究方法[6]。但是由于復(fù)雜制冷系統(tǒng)組成元素多，每個元素的運行參數(shù)的改變與耦合都將影響到整個系統(tǒng)的性能，多個因素同時作用將對系統(tǒng)產(chǎn)生怎樣的影響，以及如何調(diào)整相關(guān)參數(shù)使得系統(tǒng)按照預(yù)定的目的去運行并達到實際要求是復(fù)雜制冷系統(tǒng)研究與單元制冷系統(tǒng)研究的不同點，也是復(fù)雜制冷系統(tǒng)研究的難點[7]。目前，對復(fù)雜制冷系統(tǒng)的研究主要是試驗為主，該方法需要消耗大量的人力與物力，而且只能對一些典型工況進行研究，對整個系統(tǒng)全面而深入的研究有很大的局限性[2,8,9]。計算機仿真已經(jīng)成功應(yīng)用于簡單制冷系統(tǒng)的性能分析、優(yōu)化設(shè)計以及控制方法的研究，并促進了制冷系統(tǒng)的發(fā)展[10,11]。但是只有少數(shù)學(xué)者對復(fù)雜制冷系統(tǒng)的仿真進行了嘗試[3,12,13]，并取得了一定的成果，但是都只是針對一拖二系統(tǒng)進行的，都無法用于更為復(fù)雜的制冷系統(tǒng)中。

　　復(fù)雜制冷系統(tǒng)而言，建模與仿真的主要障礙主要是缺乏對系統(tǒng)進行統(tǒng)一描述的方法。本文采用氣液兩相流體網(wǎng)絡(luò)理論建立復(fù)雜制冷系統(tǒng)的通用仿真模型，提出模型求解的有效方法，結(jié)合部件與系統(tǒng)形式，對幾個典型復(fù)雜制冷系統(tǒng)進行建模和仿真研究。

　　2. 物理模型

　　復(fù)雜制冷系統(tǒng)具有聯(lián)接形式多樣，可擴展性強的特點，與流體網(wǎng)絡(luò)的特點是完全一致的。因此采用基于圖論的流體網(wǎng)絡(luò)方法建立復(fù)雜制冷系統(tǒng)的物理模型是可行的，并且在多元變?nèi)萘恐评湎到y(tǒng)(VRF)的建模中已經(jīng)取得了一定的成果[6,14-16]。