变频空调系统特性的仿真研究

速增加 ,制冷剂流量会相应地增加 , 并且几乎成线 变小 ,这是因为换热温差变化的缘故 。至于图 3
性地增加 ;压缩机转速变大造成蒸发压力和蒸发温 (a) 中 , 同一压缩机转速时 , 不同室温下 , 制冷剂质
度变小 ,蒸发器与空气之间换热温差加大 , 制冷量 流量也不同 ,主要是由于膨胀阀开度变化的缘故 。
配 ,同时又维持蒸发器出口制冷剂过热度最佳 , 保 证蒸发器面积得到充分利用 ,因而具有节能和舒适 的特性 ,已逐步成为空调市场的主流 。
为了对变频空调系统的特性深入了解 ,本文采
力压降 ; (5) 管壁热阻不计 ; (6) 制冷剂和空气物性只沿管路轴向方向变
化。
用了分相流模型 、分布参数法建立压缩机 、蒸发器 、 电子膨胀阀一体化的数学模型 ,对空调系统热力特
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流 体 机 械 2000 年第 28 卷第 2 期
GAi ( hi + 1 - hi) =ξGairCp , air ( Tair , in - Tair , out)
(4) 式中 G ———质流量
p ———压力 T ———温度 h ———焓 x ———干度 ρ———密,计算不同工况下的压缩机运转频率和
电子膨胀阀开度变化时 , 系统的吸气压力 、蒸发器 制冷剂流动压降 、蒸发器出口过热度 、制冷剂循环
311 蒸发器模型 建模时采用分布参数的方法 ,对两相区和过热
量 、制冷量及制冷系数变化情况 , 着重研究分析系 区分别建立差分格式控制方程 。
41111 蒸发器出口过热度和制冷系数 COP
图 1 过热度和 COP 随压缩机频率变化的关系
图 1 表示蒸发器制冷剂出口过热度和 COP 随 右 ;当减小压缩机转速时 ,过热度会减小 ,转速过小 压缩机频率变化的曲线 , 可以看出 :在最佳工作点 时 ,过热度为零 ,制冷剂蒸发不完全 。究其原因 ,压 a ,蒸发器出口过热度为 2 ℃, 蒸发器面积得到充分 缩机转速增大 ,压缩机从蒸发器中吸取的制冷剂流 利用 , COP 值为 319 , 当增加压缩机转速时 , 过热度 量增大 ,而电子膨胀阀的开度未增大 , 导致蒸发压 会迅 速 增 加 , COP 值 则 会 下 降 , 转 速 过 大 时 力和蒸发温度降低 ,换热温差都增加 ,换热加剧 ,因 (90Hz) , 过热度甚至达到 38 ℃, COP 值只有 2 左 此出口过热度增加 。所以 ,当变频空调系统偏离最
最佳开度也不同 , 图 5 (a) 中不同工况反映了这一
41213 制冷剂质流量和制冷量
图 6 制冷量和质流量随膨胀阀开度变化的关系 工况 1 : Tcon = 38 ℃,Δt = 0 ℃, Ta = 32 ℃, f = 50Hz
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工况 3 :冷凝温度 Tcon = 38 ℃,过冷度 Δt = 0 ℃,室温 Ta = 25 ℃,膨胀阀开度 F = 0154mm2
41113 质流量和制冷量
越小 , 这时因压缩机的压力比增大 , 效率降低 。从
如图 3 所示 , 当膨胀阀开度不变时 , 压缩机转 图 3 可以看出 ,室温变大时 ,制冷量也会变大 , 反之
313 变频压缩机模型 变频压缩机转速和频率之间的关系
n
=
60 f Pm
(
l
-
s)
(7)
式中 f ———异步电动机定子电压供电频率
Pm ———异步电动机的磁极对数
s ———异步电动机转差率
流量计算式 : G = nVλ/ v
式中 V ———压缩机每转容积排量
n ———转速 λ———压缩机输气系数
控制目标时尤为重要 , 即在压缩机转速不变时 , 一 大后减小的变化趋势 。
定的室温下调节膨胀阀开度所对应的最佳吸气压
由图 5 ( b) 可以看出 , 蒸发器压降随着膨胀阀
力位于最大吸气压力附近 ,而这个膨胀阀开度即为 开度增大而增大 ,因为膨胀阀开度变大导致制冷剂
最佳开度 。当然 ,同一压缩机转速时 ,不同室温下 , 质流量增大 ,造成了摩擦压降增大 。
关键词 最佳工况 变频空调 吸气压力 过热度
1 前言
(1) 制冷剂沿管内的流动为轴向的一维流动 ;
(2) 两相区采用分相模型 ;
变频空调器能够通过变频压缩机和电子膨胀
(3) 制冷剂在轴向无热 、质扩散 ;
阀的准确动作使系统的制冷量基本随时与负荷匹
(4) 蒸发器为管翅式结构 ,水平放置 ,不考虑重
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Vol . 28 ,No. 2 ,2000 FLUID MACHINERY
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佳工况 (过热度为 2 ℃左右) 工作时 , 压缩机转速过 大会导致换热效果恶化 ,制冷系数 COP 值下降 , 运 行经济性变差 ; 压缩机转速过小时 , 会导致制冷剂 在蒸发器内蒸发不完全 ,严重时会导致压缩机的液 击现象 。这两种情况都要避免 。
时 ,图中 a 点即是最佳工况 。这时减小膨胀阀开 (a) 。
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流 体 机 械 2000 年第 28 卷第 2 期
41212 吸气压力和压降
F ———摩擦系数 ψ———空泡系数
ξ———析湿系数
α———换热系数
A ———换热面积 ΔZ ———微元长度 D ———管径 下标 l ———液体 下标 w , air ———管壁 、空气 31112 过热区控制方程 由于过热区不存在相变引起的加速压降 ,因此 仅考虑摩擦压降 。
(1) 动量方程
pi
GAi ( hi + 1 -
hi)
=ξαout (
Tair , in + 2
Tair , out
-
Twi )
×A o , sur
(3)
空气侧 :
Ξ 收稿日期 :1999 - 09 - 13 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
图 2 吸气压力和压降随压缩机频率变化的关系
工况 1 :冷凝温度 Tcon = 38 ℃,过冷度 Δt = 0 ℃,室温 Ta = 32 ℃,膨胀阀开度 F = 0164mm2 ;
工况 2 :冷凝温度 Tcon = 38 ℃,过冷度 Δt = 0 ℃,室温 Ta = 29 ℃,膨胀阀开度 F = 0161mm2 ;
压缩机转速 、膨胀阀开度 、压缩机吸气压力 、蒸发器 内压力降 、制冷剂流量 、制冷量等 。本文建立稳态 模型进行各参数敏感性分析和稳态设定值优化 。 根据这一目的 ,对模型进行如下假设 :
GAi ( hi + 1 -
hi) =αin ( Twi -
Ti
+ Ti 2
+
1
)
A i , sur
(2)
管外侧 :
图 4 COP 和过热度随膨胀阀开度变化的关系 工况 : Tcon = 38 ℃,Δt = 0 ℃, Ta = 32 ℃, f = 50Hz
图 5 吸气压力相对压降随膨胀阀开度变化的关系
工况 1 : Tcon = 38 ℃,Δt = 0 ℃, Ta = 32 ℃, f = 50Hz ;工况 2 : Tcon = 38 ℃,Δt = 0 ℃, Ta = 29 ℃, f = 50Hz ;
41112 吸气压力和蒸发器制冷剂压降 吸气压力是空调系统运行参数中反应很敏感 的一个参数 ,目前许多变频空调控制设计研究者取 吸气压力为其控制目标参数 。因此合理设定吸气 压力成为设计控制的一个关键问题 。
图 2 (a) 表示压缩机的吸气压力随其运转频率 变化的曲线 。仿真结果表明 , 膨胀阀开度不变时 , 压缩机转速增大 , 吸气压力降低 , 这是由于压缩机 转速增加 ,单位时间内压缩机从蒸发器所吸取的制 冷剂量增加 ,造成吸气压力的降低 ,反之转速减小 , 吸气压力则增大 ; 另外 , 室内温度变化也会影响吸 气压力的大小 , 室温变大时吸气压力变大 , 反之变 小 。图 2 (b) 说明 ,随着压缩机转速的增加 , 蒸发器 的压降 (进口和出口的压力差) 增加 ,这是由于制冷 剂流量增加使得摩擦压降增加的缘故 。
统偏离最佳工况运行时制冷性能参数的变化情况 。
31111 两相区控制方程
目的是进行各制冷性能参数的分析和稳态设定值
制冷剂的压降分为两部分 :摩擦压降和加速压
的优化研究 ,从而为系统的控制设计提供足够的依 据。
降 ,空泡系数模型采用 Hughmark 模型 。 (1) 动量方程
pi
- pi + 1 ΔZ
- pi ΔZ
+1
=
FgG2/
Dρi i
(5)
式中 下标 g ———气体
(2) 能量方程 :与两相区相同 。
312 膨胀阀模型
采用的电子膨胀阀为步进电机驱动型 ,质流量
可采用下式进行计算 :
G = CdA ρΔp
(6)
式中 Cd ———流量系数 A ———膨胀阀流通面积 ρ———阀前制冷剂密度 Δp ———阀前后压力差
增大电子膨胀阀的开度 , 吸气压力先增大后减小 , 一方面 ,制冷剂流量增大会造成摩擦压降增大 , 开
其间有一个最大吸气压力 ,而最佳工况 a 点正对应 始压力增大占主要因素 , 随着开度增大 (质流量增
着最大吸气压力点 ,这一点对于以调节吸气压力为 大) ,压降就占主要因素 ,从而导致了吸气压力先增
工况 3 : Tcon = 38 ℃,Δt = 0 ℃, Ta = 25 ℃, f = 50Hz
图 5 表示压缩机工作频率为 50Hz 时 , 压缩机 点 。
吸气压力和蒸发器制冷剂相对压降随电子膨胀阀
吸气压力先变大后变小 ,是由于膨胀阀开度增
开度变化的曲线 ,可以看出 ,当压缩机转速不变时 , 大 ,蒸发器内制冷剂量增大导致蒸发压力增大 , 另
增加 ;当压缩机转速过大 , 制冷量增加幅度会越来
图 3 质流量和制冷量随压缩机频率变化的关系
工况 1～3 同图 2
412 压缩机转速不变时 , 电子膨胀阀开度对 度 ,过热度会迅速增大 ,换热效果变差 ,膨胀阀开度
各参数的影响
过小时 , 蒸发器供液不足 , 过热度达到 30 ℃以上 ;
41211 COP 和蒸发器出口过热度
Vol . 28 ,No. 2 ,2000 FLUID MACHINERY
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变频空调系统特性的仿真研究 Ξ
上海交通大学 周兴禧 周滋锋 王 懿 山东省家用电器质量检测所 王 锋
摘 要 用仿真的方法着重研究了变频空调系统偏离最佳工况运行时的系统各参数特 性 ,为进行系统的多变量控制设计提供了思路 。
=
Fl
(
1
G -
x
)
2/
Dρi i/
(1 -
φ) 2
2 对象与仿真简化假设
+
G2
ΔZ
(ρi1+
1
-
1 ρi
)
(1)
仿 真对象 :MITSUBISHI公 司 生 产 的 SHV130
(2) 能量方程
FAC 变频压缩机 , HITACHI 公司家用挂机的蒸发
管内侧 :
器 , FUJ IKOKI 公司的 LAM 型电子膨胀阀 。 与变频空调控制系统相关的各个系统参数有 :
v ———压缩机吸气比容
4 仿真结果分析
411 电子膨胀阀开度不变时 , 压缩机转速对 各参数的影响
在图 1 工况 (冷凝温度 Tcon = 38 ℃, 过冷度 Δt = 0 ℃,室温 Ta = 32 ℃, 膨胀阀开度 F = 0164mm2) 下 ,先计算找出最佳工作点 a , 其过热度 2 ℃左右 , 然后其它条件不变 , 只改变压缩机转速 , 研究其对 系统各参数的影响 。
加大膨胀阀开度 , 过热度会减小乃至零 , 制冷剂蒸
图 4 表示压缩机工作频率 f = 50Hz 时 , COP 和 发不完全 ,严重时会导致压缩机液击现象 。可见 ,
过热度随电子膨胀阀开度变化的曲线 , 可以看出 , 膨胀阀开度不当使得系统偏离最佳工况点工作 ,导
在一定的压缩机转速和室温下 , 当过热度为 2 ℃ 致 COP 值减小 , 运行可靠性与经济性变差 , 见图 4