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1、换热器及制冷系统仿真培训 制冷系统仿真 2016 4 11 1 总体介绍 3 1 模型介绍 培训内容 3 2 算法设计 4 仿真平台搭建 2 数据模型 3 部件理论模型 2 1 压缩机性能曲线 2 2 大金EXCEL程序 1 总体介绍 发展现状 最早由美国开利公司于上世纪60年代开展相关研究 上世纪70 80年代国外高校 研究机构开始发表相关研究成果 美国橡树林实验室 NIST 马里兰大学 我国最早于上世纪80年代末开始于高校 陈芝久 制冷系统热动力学初探 上世纪末随着计算机技术发展 制冷仿真技术发展迅速 中国也成为此领域最活跃的国家之一 主要以高校为主 研究方向 稳态仿真 动态仿真 制冷系统
2、仿真 系统动态特性与控制策略 由于制冷系统动态仿真复杂度高 目前主要在商业软件 Dymola SimulationX MWorks 基础上进行二次开发 模型简单 适用于中央空调 如约克在Dymola进行二次开发 系统优化 需建立系统部件理论模型 模型成熟 理论成熟且复杂 如开利Simtools 特灵T Rex 同济GREATLAB 美国橡树林实验室MARK 性能预测 系统匹配 无需建立系统部件模型 完全基于实验数据反推 如大金EXCEL程序 数据模型 部件理论模型 优点 简单实用 快速计算适合轻商非标准工况下数据的获取 客户需求 系统机型匹配 性能预测缺点 基础数据没有 需要测量多个压力点 工
3、作量巨大不能做深入分析 不能用于系统优化 如流路优化 数据模型 通过标况的实验数据获得对应换热压降系数 结合系数获得其他非标准工况下的性能数据 优点 无需大量实验数据支持 只需修正相关关联式即可可对系统进行深入研究分析 如换热器流路优化 毛细管冷媒匹配优化等 缺点 理论要求高 编程难度 算法设计 准确性与稳定性完善 部件理论模型 针对各部件建立理论模型 输入各部件参数 如换热器排数 铜管翅片规格 压缩机型号 连接管尺寸 毛细管参数等 工况参数直接计算获得性能数据 部件理论模型发展历程 MIT 1976 Hiller Glicksman 美国橡树林实验室ORNL 1978 Ellison Cre
4、swick 美国标准技术研究院NIST 1979 Domanski Didon 至今 至今 开利公司 90年代 至今 张春路 2006 马里兰大学 1995 Rossi 至今 2 数据模型 2 1 压缩机性能曲线 压缩机性能曲线 输入 蒸发温度 冷凝温度 频率输出 质量流量 电流 功率 制冷量 压缩机性能曲线 测试条件 冷媒R410A 电压220V 频率30Hz 60Hz 90HzAHRI标准测试工况 过热度11 1 过冷度8 3 定频压机 10系数模型 AHRI标准 Te 蒸发温度 Tc 冷凝温度 c1 c10 系数x 输入功率 质量流量 制冷量 电流值 变频压机 15系数模型 Te 蒸发温
5、度 Tc 冷凝温度 fr 频率 c1 c15 系数x 输入功率 质量流量 制冷量 电流值 压缩机性能曲线拟合 压缩机性能曲线推演 实际 标准 标准 实际 m标准 已知蒸发温度 冷凝温度 频率 通过压机拟合公式计算出的质量流量 标准 标准工况下压机进口比容 实测压机进口压力对应饱和温度 过热度11 1 实际 实际工况下压机进口比容 实测压机进口温度 压缩机性能曲线推演 实际 标准 标准 2实际 1实际 实际 2标准 1标准 Q标准 已知蒸发温度 冷凝温度 频率 通过压机拟合公式计算出的能力值h2标准 标准工况下压机出口焓值 实测进口压力对应饱和温度 过热度11 1 实测压降出口压力 h1标准 标
6、准工况下压机进口焓值 实测进口压力对应饱和温度 过热度11 1 实测压降进口压力 h2实际 实际工况下压机出口焓值 压机进口熵值 实测压机出口压力 h1实际 实际工况下压机进口焓值 压机进口熵值 实测压机进口压力 2 2 大金EXCEL程序 黑箱子 黑箱子 节流装置 冷凝器 例如 A型号 蒸发器 例如 B型号 压缩机 输入参数 实测数据 制冷量功率各节点温度 压力 输出参数A冷凝器系数 压损B蒸发器系数 压损排气管压损 热损吸气管压损 热损功率修正系数有效冷媒循化量 理论计算 某个工况下 例如 35 2427 19 仿真思路 逆运算 绿色背景色为实测数据 橙色背景色为逆运算要求解的关键参数 仿
7、真思路 逆运算 黑箱子 黑箱子 节流装置 冷凝器 例如 A型号 蒸发器 例如 B型号 压缩机 输出参数 仿真数据 制冷量功率各节点温度 压力 输入参数A冷凝器系数 压损B蒸发器系数 压损排气管压损 热损吸气管压损 热损功率修正系数有效冷媒循化量 理论计算 其他任意工况 例如 35 2227 15 仿真思路 正运算 仿真思路 正运算 仿真思路 在此处键入公式 优点 简单实用 快速计算适合轻商非标准工况下数据的获取 客户需求 系统机型匹配 性能预测缺点 基础数据没有 需要测量多个压力点 工作量巨大不能做深入分析 不能用于系统优化 如流路优化 仿真思路 通过标况的实验数据获得对应换热压降系数 结合系
8、数获得其他非标准工况下的性能数据 3 部件理论模型 3 1 模型介绍 空调制冷系统模型组成 1 物性计算模型2 压缩机模型 转子式 3 蒸发器 冷凝器模型4 节流元件模型 毛细管 节流阀 5 其他模型 储液罐 四通阀 配管等 空调制冷系统模型组成 物性计算模型 仿真快慢取决于物性计算时间 占整个制冷系统仿真时间的90 综合考虑计算精度 速度及稳定性 优选曲线拟合法 现成的物性计算软件 REFPROP CoolProp 采用状态方程法 可直接调用计算 但计算速度较慢 湿空气一般采用理论公式计算 压缩机模型 输入 蒸发温度 冷凝温度 频率输出 质量流量 电流 功率 制冷量 定频压机 10系数模型
9、AHRI标准 Te 蒸发温度 Tc 冷凝温度 c1 c10 系数x 输入功率 质量流量 制冷量 电流值 能效 变频压机 15系数模型 Te 蒸发温度 Tc 冷凝温度 fr 频率 c1 c15 系数x 输入功率 质量流量 制冷量 电流值 能效 压缩机性能曲线 厂家提供 蒸发器 冷凝器模型 集中参数模型 模型简单 不能考虑流路分布 空气分布影响 适用于性能预测 分布参数模型 模型复杂 考虑流路分布 空气分布影响 适用于性能优化 节流元件模型 节流元件流动机理复杂 如闪蒸 雍塞等ASHRAE标准推荐关联式模型 输入 进口参数 内径 长度输出 质量流量 输入 进口参数 内径 长度 质量流量输出 长度
10、内径 毛细管 节流阀 设计 系统仿真 其他模型 包括连接管 四通阀 储液罐 风机模型 具体结构差异较大 一般进行简化处理 模型需能反映各部件对系统压降 换热等参数的影响 3 2 算法设计 1 连续性方程 前一部件质量流量等于后一部件质量流量 2 能量守恒方程 前一部件出口焓值等于后一部件进口焓值 3 动量守恒方程 前一部件出口压力等于后一部件进口压力 4 系统充注量守恒 系统充注量 系统各部件充注量之和 方程组成 求解方法 针对简单系统 如家用空调 可采用顺序法求解 便于调试 针对复杂系统 如中央空调 建议用联立法进行求解 1 产品设计已知 蒸发器过热度 冷凝器过冷度求 整机充注量毛细管长度制
11、冷量压缩机功率 2 性能预测已知 整机充注量 毛细管长度求 蒸发器过热度冷凝器过冷度制冷量压缩机功率 系统稳态算法流程一 产品设计 系统稳态算法流程二 性能预测 优化 顺序法求解思路 结果标定 当实验结果与仿真结果误差较大时需对系统模型进行标定 4 仿真平台搭建基于部件理论模型 仿真平台搭建 制冷系统基础仿真 换热器路设计仿真 搭建制冷系统仿真平台 可仿真整个制冷系统的运行特性 但换热器模型采用集中参数模型 不能仿真冷媒及风场分布不均的影响 初步完成 换热器采用分布参数模型 用户可自行编辑流路 可进行换热器设计 可仿真冷媒及风场分布不均的影响 初步完成 将制冷系统基础仿真与换热器流路设计仿真结
12、合搭建制冷系统仿真平台 待完成 仿真平台搭建 制冷系统基础仿真流程 1 主循环预先计算 Preconditioners m循环计算 cycle solve m 主程序 2 部件调用 Componet model 压缩机计算 Compressor cal m冷凝器计算 Condenser m蒸发器计算 Evaprator m管路计算 LineSet m LineSet Twophase m毛细管计算 Capillary zhang m3 翅片侧计算 Airside cal 平片传热与压降计算 wang plainfins m开窗翅片传热与压降计算 wang louveredfins m桥片传热与
13、压降计算 wang slitdoublefins m波纹片传热与压降计算 wang wavyfins m湿翅片传热与压降调整 DryWetSegment m 4 制冷剂侧计算 Refrigerantside cal 两相区加速度引起的压降计算 AccelPressureDrop m两相区摩擦引起的压降计算 LMPressureGradientAvg m冷凝传热计算 Cavallini c htransfer冷凝压降计算 Kedzierski c pdrop m蒸发传热计算 Cavallini e htransfer m蒸发压降计算 Kedzierski e pdrop m单相传热计算 Tang
14、 h 1phase m单相压降计算 f h 1phase Annulus m相态判断 TrhoPhase ph m两相密度计算 TwoPhaseDensity m5 冷媒与空气物性计算 Properties cal 冷媒物性计算 Props mexw64 PropsSI mexw64空气物性计算 HAProps mexw64 制冷系统基础仿真程序 换热器流路设计仿真流程 EVSIM m EVPHX2 m 1 主循环程序系统主循环 EVSIM m计算主循环 EVPHX2 m 主程序 2 数据读取 Data read 换热器流路信息 read data evap m制冷剂信息 read data
15、refrigerant m3 空气侧与制冷剂媒分配不均计算 Distri cal 结合换热器流路预估冷媒分配 TRACE3 m基于各路压降相等对流量进行调整 BALFL1 m确定各管对应的空气分布 DISTR2 m分叉处的冷媒分配计算 FRACT m空气水力直径计算 HYDDIA m3 空气侧计算 Fin correction 平片传热与压降计算 wang plainfins m开窗翅片传热与压降计算 wang louveredfins m桥片传热与压降计算 wang slitdoublefins m波纹片传热与压降计算 wang wavyfins m湿翅片传热与压降调整 DryWetSegm
16、ent m 翅片效率计算 FINEF2 m空气经过换热器的水力直径计算 HYDDIA m湿翅片总的传热系数计算 OVLWET m空气侧传热系数计算 AIRHT3 m4 制冷剂侧计算 Ref correction 两相区加速度引起的压降计算 AccelPressureDrop m两相区摩擦引起的压降计算 LMPressureGradientAvg m冷凝传热计算 ShahCondensation Average m冷凝压降计算 Kedzierski c pdrop m蒸发传热计算 ShahEvaporation Average m蒸发压降计算 Kedzierski e pdrop m单相传热计算 Tang h 1phase m单相压降计算 f h 1phase Annulus m相态判断 TrhoPhase ph m两相密度计算 TwoPhaseDensity m5 冷媒与空气物性计算 Property cal 冷媒物性计算 Props mexw64 PropsSI mexw64空气物性计算 HAProps mexw64湿空气物性计算 AIRPR m空气混合物性计算 MIXAIR m水及
