换热器及制冷系统仿真培训教材(PPT 44页)

部件理论模型发展历程
美国橡树林实验室ORNL （1978，Ellison & Creswick） MIT （1976，Hiller & Glicksman）
至今
美国标准技术研究院NIST
（1979，Domanski & Didon） 开利公司（90年代） 马里兰大学（1995， Rossi）
至今
至今
输入参数（实测数据） 制冷量 功率 各节点温度、压力
理论计算
仿真思路-逆运算
T4
P4 T6 P6 蒸发器KA值 T3 h3 Qc h5 内 风 机 功 率 h4 h6 Qe 冷 媒 侧 能 力
内侧湿球
P3
冷凝器KA值 T1 P1 外侧干球 h1 Qsloss
风 侧 实 测 能 力
P 4
质量流量 有效循环量
张春路（2006） 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/90Hz AHRI标准测试工况 ：过热度11.1℃ 、过冷度8.3℃
压缩机性能曲线拟合
压缩机性能曲线
（厂家提供）
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
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；
物性模块 制冷剂物性计算 湿空气物性计算
换热器模块 蒸发器计算 冷凝器计算 实 验 数 据
压缩机模块 定频压缩机计算 变频压缩机计算
节流元件模块 毛细管元件计算 热力膨胀阀计算 电子膨胀阀计算
仿真平台搭建
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）
求解方法
算法
联立法 顺序法
优点
缺点
通用性好、效率高，适合复杂制冷系统 程序不易调试 程序容易调试 不适合复杂制冷系统
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；
顺序法求解思路
（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 制冷量 压缩机功率
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
方程组成
（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）
υ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℃ ）
υ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
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 ）
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 （AHRI标准）
冷媒质量流量
h2
h3
排气管漏热量
T2 P4 T4 过冷度 P3（由风侧求得）
压缩机多变指 数或入热系数 h4
Fra Baidu bibliotekQc
制热量
T3s（由风侧求得）
冷凝器KA值
仿真思路
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
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_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.m 5.冷媒与空气物性计算 （Properties_cal） 冷媒物性计算：Props.mexw64、PropsSI.mexw64

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
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
（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）
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；
参数 制冷量 总功耗 饱和吸气温度 调整因子 压缩机流量调整因子 压缩机功耗调整因子 蒸发器换热系数调整因子 说明 系统制冷量主要由压缩机大小决定 压缩机功耗占系统功耗大部分 影响直接
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
将制冷系统基础仿真与换热器流路设计 仿真结合搭建制冷系统仿真平台 （待完成）
输入参数
制冷系统基础仿真流程
预估蒸发温度 与冷凝温度
Preconditioners.m cycle_solve.m
①
计算气相输送 管出口状态
② ②
LineSet.m
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
压缩机性能曲线推演
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
平片传热与压降计算：wang_plainfins.m
饱和排气温度
压缩机吸气过热度 毛细器过冷度
冷凝器换热系数调整因子
毛细管流量系数调整因子 系统制冷剂充注量修正值
影响直接
影响直接 高压、高密度段对过热度影响最大
4、仿真平台搭建
基于部件理论模型
仿真平台搭建
帮助模块 前端用户界面 输入输出模块 错误处理模块 后台运算程序
其他模块 连接管计算 四通阀计算 储液罐计算
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
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
3
2
T2
5
P2 h2 QDloss 外风机功率 压缩机功率 功率修正系数 外机功率
6
1 h
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。
仿真思路-正运算
黑箱子
节 流 装 置 冷凝器（例如：A型号） 压 缩 机
蒸发器（例如：B型号）
黑箱子
其他任意工况，例如：35/22 27/15 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
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
仿真思路-逆运算
黑箱子
节 流 装 置 冷凝器（例如：A型号） 压 缩 机
蒸发器（例如：B型号）
黑箱子
某个工况下，例如：35/24 27/19 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
输出参数（仿真数据） 制冷量 功率 各节点温度、压力
理论计算
仿真思路-正运算
吸气管阻 力系数 T6 过热度
P 4 3
2
5
赋初 始值 P1 P6 h6 Qe 制冷量
6
1
h
压缩机功率 P6（由风侧求得） 排气管阻 力系数 P3 赋初 始值 P2
T1
h1
吸气管 漏热量 T6s（由风侧求得）
内电机功率
蒸发器 KA值
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
系统仿真
输入：进口参数、内径（长度）、质量流量 输出：长度（内径）
毛细管（节流阀）设计
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；
计算压缩机 出口状态 调整蒸发温度与 冷凝温度
③ ③
Compressor.m
调整蒸发温度与 冷凝温度
计算冷凝器 出口状态
④ ④
Condenser.m
计算液相输送 管出口状态
⑤ ⑥
LineSet.m
N
计算蒸发器 出口状态
①
Evaprator.m
蒸发器出口焓值≈ 气相管进口焓值
Y
N
设定充注量/过冷度≈ 计算充注量/过冷度
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：
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）
部件理论模型
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）
物性计算模型
计算方法 状态方程法 曲线拟合法 优点 参数范围广、精度高 计算速度快、稳定性好 缺点 计算速度慢，临界点不稳定性 针对不同制冷剂需拟合对应公式
Y
输出结果
制冷系统基础仿真程序
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.m 3.翅片侧计算（Airside_cal）
换热器及制冷系统 仿真培训
---制冷系统仿真
2016.4.11
培训内容：
1、总体介绍 2、数据模型 2.1、压缩机性能曲线 2.2、大金EXCEL程序 3、部件理论模型 3.1、模型介绍 3.2、算法设计 4、仿真平台搭建
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）；
动态仿真 制冷系统仿真 稳态仿真
数据模型
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
部件理论模型
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
数据模型