制冷空调中的计算机仿真(理解)..
制冷空调系统计算机仿真技术综述
应用技术与设计2018年第11期45我国是制冷空调生产和使用的大国。
随着人们生活水平的不断提升，人民对生活质量的要求也越来越高，每年夏天都是制冷空调使用的高峰期。
计算机仿真技术是通过对制冷空调各项参数的预算确定制冷空调运行效率的技术手段。
如何设计制冷空调，提高制冷空调的运行效率，提高制冷空调系统计算机仿真技术，需要得到相关行业的重视。
1 制冷空调设备的重点构建模型1.1 压缩装置模型压缩装置是制冷空调最为重要的部件，是整个制冷空调系统的动力装置，压缩装置联系着制冷空调许多关键器件，同时传递着能量。
因此，压缩装置模型是制冷空调设备的重点构建模型之一，对压缩装置模型的研究需要相关行业相关人员的重视。
根据制冷空调的需要，计算机仿真技术针对研究的压缩装置模型主要有全动态模型和全稳态模型。
空调系统中压缩装置的工作总是动态的，即使是在相对稳定的制冷工作中，压缩装置每转产生的能量也都是不同的，因此，研究制冷空调中对压缩装置模型的计算机仿真技术，必须要考虑压缩装置的动态性质，注意在压缩装置的使用过程中，不要影响计算机仿真技术的仿真速度。
全稳态模型实际上就是物理领域常用的压缩热力计算，应用起来比较方便。
全稳态模型适合计算机稳态仿真技术，只需要在压缩热力计算过程中确定输气指数和电效率等量。
但是在计算机动态仿真技术的应用中，全稳态压缩装置模型需要考虑压缩装置的启动时间引起的数据变动，保证算法的稳定性。
1.2 蒸发器和冷凝器模型在制冷空调系统的组成期间中，蒸发器和冷凝器都属于热交换装置，因此蒸发器模型和冷凝器模型在制冷空调设备的重点建构模型中，有很多相似的地方，可以一并研究。
蒸发器模型和冷凝器模型的计算机仿真技术研究可以从稳态模型和动态模型两个角度进行。
热交换装置的稳态模型是用来计算和预测热交换装置的稳态性能的，蒸发器装置和冷凝器装置的稳态模型可以分为单节点模型和多结点模型。
单节点模型一般采用对数平均温差法来计算热交换装置的稳态性能，缺点是计算结果的精度不高；多结点模型一般采取对偏微分方程离散化的数学方法进行热交换装置的稳态计算，计算结果的精确程度比较高，缺点是计算量大，计算耗费的时间长。
制冷空调仿真系统原理及其应用
浅谈制冷空调仿真系统原理及其应用摘要：随着计算机模拟技术的发展，制冷空调相关工作人员已经开发出了制冷空调的仿真系统，基于计算机技术和虚拟现实技术为基础的制冷空调仿真系统，具有仿真功能全面、检测功能全面等优点，被人们不断的应用。
本文先是阐述了制冷空调仿真系统的原理和特征，然后指出了制冷空调仿真系统的应用方面。
关键词：制冷空调；仿真系统；原理及应用随着科技和社会经济发展水平的进步，人民的生活水平不断提高，制冷和空调技术在人们日常生活和工农业生产中得到越来越广泛的应用，使得社会对制冷和空调设备的安装、调试、维修以及管理人员的需求不断增加，为了加快制冷空调的安装、调试、维修和管理人才的培养，降低传统培训方法中出现的各种问题，制冷空调仿真系统应运而生。
一、制冷空调仿真系统原理及特征。
制冷空调仿真系统是以计算机技术和虚拟现实技术为基础，实现对实际制冷空调系统及其工作状态的计算机模拟仿真，它是一个将计算机虚拟技术应用到制冷空调操作培训的一款仿真应用软件，利用它进行制冷空调系统的学习和培训，可以帮助学生掌握有关理论，提高操作水平，提高学生的学习效果，同时还可以有效降低培训费用，提高培训的可靠和安全程度。
制冷空调仿真系统作为一个培养从事于制冷与空调专业技术学校学生的应用软件，它可以安装在windows2000及以上的操作系统上，分为单机版和网络版两种版本，其中单机版只需在一台微机上进行，其模拟操作过程在一个显示器模拟仿真面板上进行。
制冷系统的内部结构和实际工作流程可以通过三维动画进行演示，经过大量的实践证明，这种教学方式不仅可以有效提高学生的学习效率，还可以大大降低培训费用。
在线运行的制冷空调仿真系统的工作方式则是将教学系统与实际系统相连接，这时，除了操作者的操作面板是采用的仿真系统之外，其他与实际现场操作情况一样，因为操作者可以通过制冷空调仿真系统和真实系统之间的连接来感受近似真实的操作环境，提高自己的操作能力。
制冷空调系统仿真那些事
制冷空调系统仿真那些事在写这篇文章以前，先简单谈谈我是谁？本人是一名仿真工程师，从事制冷空调系统仿真。
为什么要写这篇文章？主要是闲来无事，来论坛叨叨！说说仿真这些事。
下面以问题的形式谈谈自己的观点，感兴趣的同行可以一起拍砖！（1）什么是仿真，什么模拟那？搞计算的人可能听到这样的问题没什么奇怪的？计算机技术作为理论分析、试验技术的第三种研究手段，也不是什么新东西。
仿真简单理解就是仿造真实，如何去实现那？针对实际物理模型进行数学建模。
在仿真工程师眼中你在实验中使用的说有部件都是一个数学模型，数学模型简单理解就是描述部件物理特性的数学方程（组）。
本人以前读研究生的时候老师就问我，什么是仿真，什么是模拟？两者有什么区别？其实在实际中我们没有必要刻意去区分，应用中两者的英文都是sumulation。
比较起来，总的来说仿真的概念要大于模拟的范畴。
一般情况下，我们通常对CAE、CFD技术进行的数字化设计，称之为模拟；对数学建模过程称之为仿真设计。
（2）什么是系统仿真？系统仿真的过程就是系统部件数学建模的过程。
系统仿真中，个人觉得必须有这样的概念：对于系统中涉及的任意部件建模过程--部件模型=输入+模型+输出，可以这样说：输入是自变量，模型是描述部件物理特性的数学方程组，输出就是因变量。
系统级仿真其实就只将这些描述部件的数学方程组耦合在一起，通过一定的算法求解方式得出系统级的输入和输出的关系。
（3）部件模型仿真在这里面我们必须来说“模型”，针对一个物体描述它所有特性的数学方式有很多，我们可以从详细描述模型物理特性去建立数学模型，这就是我们说的参数化模型。
也可以从描述模型输入和输出参数关系特性的角度去建立一个集中参数模型。
总的来说，不管你选用什么形式的建模方式，你只要保证你的一个输入可以得出一个对应正确的输出就可以了。
至于中间模型采用什么样的数学建模方式，我们可以完全不去理会。
在这里我们必须谈下，通用性模型和专用模型。
制冷空调系统计算机仿真技术综述_邵双全
制冷空调系统计算机仿真技术综述邵双全 石文星 陈华俊 李先庭 彦启森(清华大学建筑技术科学系)摘 要 经过几十年的发展,计算机仿真技术已经成为制冷空调系统研究与优化设计的最有效的方法和强有力的工具,本文系统分析了制冷空调研究中引入计算机仿真方法的概念和特点,并对制冷空调系统仿真的建模方法、仿真模型、模型求解方法等基本理论进行了系统的分析,指出了目前所存在的一些问题,对其应用前景进行了展望。
关键词 制冷 空调 仿真 综述LITERATURE REVIEW OF C OMPUTER SIMULATION ON REFRIGERATIONAND AIR C ONDITIONING SYSTEMSHAO Shuangquan,SHI Wenx ing,CHEN Huajun,LI Xianting,YAN Qisen(Tsinghua University,Department of Building Science)ABSTRACT After evolution of several decades,the computer simulation has grown a useful method and a strong tool to study the perfo rmance of refrigeration and air conditioning sy stem and to design the sy stem optimally.The basic features and the theo ries are analy zed such model theo ry and simulation algorithms.The newest achievements and the faultiness are mentioned for the development of com puter simulation on refrigeration and air conditioning system in future. KEY W ORDS refrigeration,air conditioner,simulation,literature review1 引言自20世纪60年代开始,仿真技术开始在制冷、空调领域开始得到应用。
制冷空调设计仿真计算系统
制冷空调设计仿真计算系统第一篇：制冷空调设计仿真计算系统制冷空调设计仿真计算系统作者简介：制冷工程师，在国内知名企业从事制冷研究工作，对暖通空调、制冷机械、冷库、汽车空调、冷藏车机组、低温冷冻机组有丰富的实际开发经验，在大量的实际开发和实验数据的基础上，结合国内外大量文献，总结了现代制冷设计上的问题和实际过程中的困难，本着节省实验费用和加快产品开发的原则，开发了制冷空调综合设计系统。
经过作者七年的连续开发，现在制冷空调综合设计系统已基本完善，主要包括以下分系统：一、制冷设计系统二、汽车空调设计系统三、冷藏车机组设计系统四、冷库计算系统五、暖通空调设计系统六、暖通造价系统七、物性参数八、表冷器计算和负荷计算九、制冷空调故障查询系统为了能够分享软件成果，让更多的设计者从繁重的计算过程中解脱出来，现在给大家做一个简单的介绍：1、综合设计系统自带浏览器，可以联网和不联网情况下显示公司网站，方便和客户交谈时及时提供公司产品和公司信息。
2、功能菜单介绍3、制冷设计系统主要包括：多种制冷剂循环分析，多种换热器的冷凝和蒸发设计和校核计算，膨胀阀、储液器、制冷剂充灌量、毛细管长度等计算。
计算精度经过实际产品检验，符合工程需要。
包括以下换热器：管片冷凝器、管带冷凝器、平行流冷凝器、管片蒸发器、管带蒸发器、层叠蒸发器、同轴螺旋波纹管冷凝器、同轴DAE管ABS冷凝器、同轴DAE管ABS蒸发器、内螺纹套管冷凝器、内螺纹套管蒸发器、内螺纹套管水水换热器、干式壳管冷凝器、满液式壳管蒸发器、蒸发式冷凝器。
4、实际仿真应用，模拟丹佛斯涡旋压缩机，膨胀阀和两器的匹配。
包含SM/SZ全系列压缩机和TDEXB系列膨胀阀，制冷剂充灌量和管路。
5、汽车空调系统主要包含汽车负荷计算，134a制冷剂循环分析，管片、管带、平行流等换热器设计校核计算，膨胀阀和储液罐计算，制冷剂充灌量计算。
6、冷藏车机组设计计算主要包括，R404A制冷剂循环计算，管片、管带、平行流冷凝器设计校核计算，驾驶室蒸发器、冷藏室蒸发器设计校核计算，一拖二，串并联计算。
制冷空调中的计算机仿真(理解)
在计算机仿真研究的过程中，一 般要经过这样四个步骤
(1) 写出实际系统的数学模型。
(2) 将它转变成能在计算机上进 行运转的数学模型
(3) 编出仿真程序
(4) 对仿真模型进行修改、校验
有无实 仿真系统 物介入
实时仿真系统
非实时仿真系统
用模拟计算机组成的仿真系统 用数字计算机组成的数字仿真系统
仿真
这样在优化部分的约束中， 都是清一色的结构参数，可以用 相近的方法处理，带来许多方便 之处。
由于上面的几个约束条件均为不等式 约束，所以可以取消优化程序中罚函数循 环收敛这一层次，借用无约束优化的计算 方法来解决此类有约束的优化问题，只要 在一维寻优过程中检验不等式约束条件是 否满足，这样可使计算时间可大大减少。
U CM
空气的蓄热量U为 货物的蓄热量U为
U a Ca M a a
U CM
d KF ( a ) dt
传给货物的热量应等于货物蓄热量的变化
CM
传给空气的热量与传给货物的热量之和为总热量Q
d a d CM Ca M a Q dt dt
得
CM d a KF dt
另一种较为简单的方法是模式搜索法。 模式搜索法的应用范围很广，对变量的极值 问题分析是较有效的，程序也较方便，算法 收敛速度同步长选择有较大的关系。 步长加速法在寻优开始阶段应用，可获得 较快的逼近速度，但在后期搜索中的收敛速 度不是最理想。
Powell方法则是目前多变量寻优直 接法中较好的一种方法。
3. 约束条件 在冰箱优化计算中选择的几个主要约 束条件为：
①毛细管的长度应大于最小布置长度。 ②冷藏室蒸发器应该小于最大可布置的面积。
③冷凝器的传热面积应小于最大可能布置面积。 ④冷冻室空气温度应该达到国标要求。
制冷空调装置的计算机仿真技术
电子技术与软件工程Electronic Technology & Software Engineering计算机与多媒体技术Com puter And M ultim edia Technology 制冷空调装置的计算机仿真技术付优(山西建筑职业技术学院山西省晋中市030619 )摘要：本文阐述了计算机仿真技术，然后就其在制冷空调装置中的应用进行了细致的分析，仅供参考。
关键词：制冷空调装置；计算机仿真技术；仿真模型我国是制冷空调产品生产与使用大国，制冷空调产品的年产量 占据全球总产量的三分之二，而当前我国的制冷空调系统在能源消 耗方面较大，且制冷的效率相对较低，己经无法满足当前人们在生 活和工作方面的需要。
根据相关统计数据显示，制冷空调夏季的耗 电量在很多城市都超过该市总用电量的40%。
因此，对制冷空调进 行优化就极为必要。
在制冷空调系统当中运用计算机仿真技术，能 快速检验制冷空调系统的性能，并对该系统进行有效的优化改良。
相对而言，我国引入计算机仿真技术的时间较晚，普及的时间也较 短，尚未形成完善成熟的技术体系与管理体系，但该项技术仍然对 我国制冷空调研发工作的发展起到极为重要的推进作用。
1计算机仿真技术概述1. 1计算机仿真技术概念计算机仿真技术是计算机技术重要的组成部分，是以计算机作 为基础，根据问题对象的实际要求，建立起一套真实的数学模型，然后将其转换成仿真模型。
在不同的决策问题下，工作人员利用计 算机系统来进行运行状态的演示，从而将抽象问题真实地展现在1丨 算机系统的显示器上，然后对模型进行动态的实验。
这种技术它涉 及了计算理论、控制理论以及各种实际系统的专业理论知识，是一 项综合了多学科领域的综合性技术。
计算机仿真技术最大的意义就 在于能够将人脑中的虚拟数据和参数转化为计算机中具体的图形或 者是全景影像，从而实现抽象物质的具象化。
该技术最早起源于美 国，自从这项技术诞生以来，受到世界各国的广泛关注和高度重视，被世界各国引进和推广，并被广泛应用到国防、能源、交通、航空 航天等军事领域和其它领域当中。
(完整word版)制冷空调系统建模与仿真
空调压缩机虚拟样机开发中的建模与仿真摘要：该文介绍了建模与仿真技术在开发新型汽车空调旋叶式压缩机虚拟样机中的应用。
该虚拟样机由产品的三维几何模型、动力学模型和反映其工作过程(热力学、流体力学、传热传质等过程）的动态数学模型为基础，利用虚拟样机对压缩机性能进行了仿真研究和优化.关键词：虚拟样机；制冷压缩机;计算机仿真1引言随着计算机技术的飞速发展,压缩机的设计与研究已经从传统的经验或半经验方法逐步转向虚拟样机开发这一先进有效的手段。
虚拟样机是一种基于建模与仿真的设计,包括几何形状、传动的联接关系、物理特性和动力学特性的建模与仿真。
本文利用建模与仿真技术开发了一个汽车空调用旋叶式压缩机的虚拟样机，它具有与真实压缩机一致的内在和外观特性，即模拟了其运动学、动力学和工作过程(热力学、流体力学、传热传质)的性能。
该虚拟样机已在产品和实际开发和制造中发挥了重要的理论指导作用。
2旋叶式制冷压缩机简介新型旋叶式压缩机由于其对汽车空调良好的适应性，目前在国内外得到了大力发展。
这种压缩机结构设计巧妙，结构紧凑，每个工作基元在一转当中有两次吸排气，转子运动平稳，整机的振动小、噪声低。
在日本和美国的一些压缩机制造公司已进行大批量生产.在国内，旋叶式压缩机还处于引进、消化和设计开发阶段。
图1为旋叶式（又称滑片式）压缩机的结构示意图，该压缩机的结构特点为：1)缸内壁型线为多段复杂型线光滑连接而成，转子与气缸同心放置，无偏心。
2)转子和气缸短轴处的密封圆弧段将气缸分成两个压缩腔，两组吸、排气口相错180°布置，使作用在转子上的径向气体力基本平衡，卸除了轴承的径向负荷。
3)为改善叶片运动,叶片斜置。
4)转子与气缸同心，这给机器的制造和安装带来了极大的便利。
5)采用压力供油，以起到润滑和密封作用。
1—排气阀2—转子3—气缸4—滑片5-吸气口图1 压缩机结构简图［1]旋叶式压缩机主要用于小型气体压缩装置和汽车空调系统中，另外还在机舱、军用车辆及民用住宅等空气制冷空调系统中有所应用。
制冷空调装置仿真
再开机过程
再开机时的情况同第一次开机时的不同: 此时蒸发 器中已经积聚了很多制冷剂液体，这对再开机特性 有较大影响。第一次开机时，由于都是制冷剂气 体，在较短的时间内被抽走的制冷剂质量占原有质 量的比例较高，使得压力马上就能降下来，而再开 机时，压力开始值比第一次来得低，而压力的降低 速度则较慢。在这个过程中，不能象第一次开机过 程忽略里面残存制冷剂产生的制冷量，能量守恒方 程仍需采用动态方程直至系统基本平衡。
水箱模型示意图
min (ml,n+mg,in) mout (mlout+mg,out) Mg Ml q
典型方程
dM l = ml ,in − mlg − ml ,out dt dM g = mg ,in + mlg − mg ,out dt
q＝r×m
lg
已知条件：1) 前一时刻的状态; 2) 进出口参数3个: 进出口流量与进口焓值; 3) 环境参数
仿真、优化与常规设计方法相结合
1)仿真是定结构参数后检测性能的过程。通 过仿真，可以知道多项性能，从而对所确定 的结构参数是否合理作出较好的评价。 2)为求合理的结构参数，需要作不断的调 整，不断的仿真，这是优化过程。 3)为了能较快地寻到一组较好的结果，希望 初始的结构参数尽量要好, 用常规设计的方 法确定初始参数是一种比较好的方法。
换热器动态模型
1) 单结点模型，或称集中参数模型、水 箱模型: 简单，精度差。 2) 多结点模型，又称全分布参数模型： 理论上精度高，实现上困难。 3) 改进的分块集中模型：一种折中。
从系统仿真角度要求换热器模型
1)分析换热器在整个系统的动态工作 过程的工作机理 2)确定与其它部件相互之间的参数耦 合关系
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制冷系统计算和仿真_概述及解释说明
制冷系统计算和仿真概述及解释说明1. 引言1.1 概述制冷系统是现代工业和生活中广泛应用的重要设备，用于实现物体或空间的降温、保持低温状态或者达到特定的温度要求。
随着科技的不断发展和进步，制冷系统的计算和仿真已经成为学术研究和工程实践中重要的一部分。
制冷系统的计算主要指通过数学方法基于实验数据和理论知识对系统参数进行分析与计算，以预测系统性能、能效和安全性等方面的表现；而制冷系统仿真则利用计算机模拟技术，在虚拟环境下对真实制冷系统进行模拟运行，从而评估其工作性能并优化设计。
1.2 文章结构本文将首先对制冷系统计算进行概述，包括计算方法概述、热力学分析以及循环制冷系统计算等内容。
然后，我们将介绍制冷系统仿真原理及常用仿真软件，并通过案例分析探讨仿真在实际应用中的作用。
接下来，我们将详细阐述制冷系统计算和仿真在节能优化设计、故障排除与优化以及新技术研发与验证方面的重要作用。
最后，我们将对全文进行总结分析，并提出可能存在的改进空间，展望未来制冷系统计算和仿真的研究方向。
1.3 目的本文旨在对制冷系统计算和仿真进行全面概述和解释说明，介绍其在节能优化设计、故障排除与优化以及新技术研发与验证等方面的重要作用。
通过深入了解计算方法和仿真软件，读者将能够更好地理解制冷系统的工作原理及其性能评估方法，并为实际应用提供参考和指导。
同时，本文也意在促进相关领域研究者之间的交流与合作，推动制冷系统计算与仿真技术的不断发展。
2. 制冷系统计算2.1 计算方法概述制冷系统计算是通过应用数学和物理原理，以及工程经验，对制冷系统进行性能分析和设计的过程。
在计算过程中，需要考虑热力学、传热、传质、流体力学等相关理论，并结合实际运行条件和要求进行参数计算。
常见的计算方法包括热力学分析、循环制冷系统的循环参数计算等。
2.2 热力学分析热力学分析是制冷系统计算的基础工作之一。
通过对制冷剂在不同温度和压力下的物性参数进行获取和分析，可以得到其循环过程中的压缩比、比容、能量转移等重要指标。
制冷空调装置的计算机仿真技术
第51卷第9期 2006年5月评述制冷空调装置的计算机仿真技术丁国良(上海交通大学制冷与低温工程研究所, 上海 200030. E-mail: glding@)摘要制冷空调装置的计算机仿真技术已广泛应用于产品的性能预测与优化设计. 本文概述了制冷空调装置计算机仿真技术的发展历史, 总结了蒸发器、冷凝器、压缩机、毛细管、围护结构等部件模型, 以及制冷剂物性的计算方法, 并介绍了基于模型的制冷空调装置智能仿真技术, 以及基于图论的制冷空调装置仿真技术, 最后指出了制冷空调装置仿真技术的发展方向.关键词制冷空调仿真模型计算机随着人们生活水平的提高, 制冷空调装置的生产和应用得到了快速发展. 中国也是制冷空调产品的生产与使用大国, 单是空调器, 年产量即达到全世界总产量的三分之二, 其夏季使用的耗电量在很多城市超过总用电的40%. 因此制冷空调装置的设计效率与产品性能的改进是摆在国际制冷空调界的一项重要课题, 而采用计算机仿真技术是实现这一目标的重要手段[1~3].传统的制冷空调装置设计中是先定下产品的性能目标, 然后推断其工作状况, 最后确定产品的结构. 这一过程目标很明确, 容易被广大工程技术人员理解. 但由于没有一套完整描述整个系统特性的模型, 计算过程与实际可能会有比较大的偏离. 因此很多制冷产品设计中, 往往需要制作大量的样机进行实验, 即通过在这种最接近批量生产的实际产品的模型上进行物理仿真, 弥补设计的不足, 但需要花费相当多的时间与费用. 而计算机仿真是定产品结构参数后检测性能的过程. 通过仿真, 可以知道多项性能, 从而对所确定的结构参数是否合理作出较好的评价. 为了寻求一组合理的结构参数, 需要作不断的调整, 不断的仿真, 这是优化过程, 可以通过配置优化程序完成, 或者直接根据经验与要求, 由操作者来完成. 为了能较快地寻到一组较好的结果, 希望初始的结构参数尽量要好, 用常规设计的方法确定初始参数是一种比较好的方法.20世纪70年代末80年代初, 基于计算机平台的制冷空调装置仿真技术开始兴起. 其中, Dhar和Soedel[4], Chi和Didion[5]的仿真研究是公认的早期的代表性研究工作. 20世纪80年代的各类制冷学术会议与学术刊物中, 发表了大量的制冷装置的建模仿真论文[5~13]. 从20世纪80年代末90年代初以来, 仿真技术大量地应用到制冷装置的CFCs替代研究中[14~20]. 从20世纪90年代末以来, 制冷装置的仿真中引入了人工智能技术[21~24]以及图论技术[25], 进一步丰富了制冷空调装置的仿真方法.本文中将对于制冷空调装置仿真发展的研究现状进行概述, 并指出今后的发展趋势.1制冷系统主要部件的数学模型实现制冷功能的最基本循环系统我们称之为制冷系统, 其中最主要的是4大件, 即压缩机、蒸发器、冷凝器和节流元件. 其中蒸发器和冷凝器可以统称为换热器. 节流元件可以为膨胀阀、毛细管、节流短管等多种形式. 由于批量最大的小型制冷装置均采用毛细管, 而且对于毛细管的建模也最为复杂, 研究也最多, 因此本文中以毛细管作为节流元件的代表来进行模型介绍.1.1压缩机模型压缩机是整个系统的动力源. 压缩机既有传热传质, 又有复杂的机械动作过程. 压缩机的型式不同, 这些过程也不同,因而需要建立不同的数学模型[26,27]. 对系统仿真而言, 研究者关心的是压缩机的热力性能, 相关的参数主要是输气量、输入功率和排气温度. 以此为目的, 可根据仿真的实际需要, 进行相应的简化建模. 以制冷系统仿真为目的压缩机模型, 主要包括以下几类:(ⅰ) 全动态模型. 压缩机的实际工作特性是动态的, 从理论上讲, 考虑压缩机中各个部件的动态特性的模型才能准确描述压缩机的特性. 特别是对于活塞式压缩机来讲, 其转子每一转中流量均是变化的, 因此即使是制冷系统长期工作在一个稳定的工况下, 压缩机也是呈现动态特性. 因此一些制冷系统评 述第51卷 第9期 2006年5月的研究者, 在进行制冷系统的动态模拟时, 自然会想到使用这类全动态的模型[5]. 但是这类模型比较复杂, 如果用到系统仿真时, 不见得对于系统仿真的精度提高有多大的贡献, 但却会严重影响系统的仿真速度, 因此除非是用于压缩机本身的特性仿真与优化设计, 在制冷系统的仿真中, 不宜采用这类压缩机模型.(ⅱ) 全稳态模型. 这类模型实际上就是一般教材中介绍的压缩机热力计算[1]. 只要确定了压缩过程的多变指数、输气系数和电效率这几个(半)经验型参数的计算方法, 那么这类模型的计算都是显式的, 不存在迭代计算. Murphy 等人[8]及MacArthur [9]在研究中都采用了这类压缩机模型.如果是稳态仿真, 则这类模型自然适用; 但是如果是动态仿真, 则由于压缩机输气过程的时间常数(对于常规的转速近3000 r/min 的压缩机, 其时间常数约为0.02 s)比之换热器的时间常数要小得多, 仍可以采用稳态模型描述该准稳态过程. 不过, 应该注意的是, 压缩机的启动(从零转速到全速)需要一定的时间, 如果将之处理成线性环节或一阶惯性环节, 则不仅有助于改善开机瞬态过程的仿真效果, 而且也可以提高算法的稳定性(因为保证了参数变化的连续性). 对于小型制冷空调装置, 这一点是值得强调的. 此外, 压缩机换热环节的时间常数较大(因为压缩机本身具有较大的热容), 如果不考虑其动态特征, 将对吸气和排气温度的准确计算造成一定的影响, 但迄今没有关于该种影响的定量研究报道.(ⅲ) 两结点模型. 这类模型将压缩机模型处理成两个环节, 输气环节采用稳态模型, 而换热环节采用动态模型[1,13]. 制冷系统的动态仿真宜采用这类模型. 1.2 毛细管模型从20世纪40年代开始, 毛细管的实验和理论研究得到了很大发展[28,29]. 根据不同的需要, 开发了不同的模型与算法, 其中不少的研究是紧密结合所使用制冷工质的变化的.(ⅰ) 针对不同工质的毛细管研究. 由于毛细管的理论研究与实验有较大的关系, 而实验中所用的工质总是采用当时最常用的制冷工质, 因此随着各种替换工质的使用, 出现了大量的新的研究.毛细管的研究中, 有不少是利用R12[30~32]和R22[33~35]进行的. 但随着CFCs 替代的进行, 较多的研究集中到R134a [36~41], R152a [42]等纯工质, 以及R410A 和R407C 等混合工质[43~46].(ⅱ) 绝热与非绝热毛细管. 制冷剂在毛细管中的流动速度较快, 制冷剂流过毛细管的时间在0.01 s 的数量级. 由于毛细管直径细, 外部的热交换面积不大. 当毛细管外部被绝热材料包裹时, 可以认为是绝热的. 如果毛细管直接暴露于空气中, 就象大部分的房间空调器那样, 由于外部是自然对流, 换热系数不大, 此时也可以当作绝热处理. 对于绝热毛细管的研究是毛细管研究的基础, 目前已有大量的研究报 道[38,40,45,47~57].当毛细管与吸气管构成回热结构时(在冰箱中较为常见), 换热将对毛细管的流量特性产生影响, 此时的毛细管称为非绝热毛细管. 工程计算角度来讲, 非绝热毛细管的流量计算可以当量为绝热毛细管的流量计算[42], 但这种当量方法尚缺乏严格的理论依据, 而且非绝热毛细管还有一些不同于绝热毛细管的特性, 因此直接对非绝热毛细管建立模型并求解则更为科学, 对非绝热毛细管的研究开始逐渐受到高度重视[41,42,58~62]. 对于绝热毛细管来讲, 毛细管中的制冷剂进入二相区后, 干度将沿着流动方向逐渐加大. 虽然非绝热毛细管也基本上是这个特性. 但是计算中, 由于外部有一个冷却作用. 有可能在计算过程中, 出现二相区的制冷剂又被重新冷回到过冷区的结果, 这样可能出现计算的不稳定. 为了克服这种计算的不稳定, 假定毛细管中二相区的干度线性分布是一种有效的方法[59].(ⅲ) 毛细管的分布参数模型. 建立分布参数模型是预测毛细管性能的最主要手段. 这类模型中以均相平衡流模型(HEM)为主. 该类模型假设汽液两相充分混合, 没有相间速度滑移, 并且满足热力学平衡.实际毛细管中由于流速很高, 存在亚稳态现象, 在此方面已有不少研究[31,63~67]. 由于亚稳态极易受到运行参数扰动的影响, 实验研究的难度很大[33]. Chen 等人[31]的关联式是描述亚稳态中较完整的经验关联式, 但是仍有明显的误差[33,34]. 有研究发现, 由于亚稳态流动的影响, 毛细管的流量不仅取决于工况参数, 而且与到达该工况的途径有关, 即同一工况下可能存在两个流量, 这是一例典型的非平衡态下的分岔现象[58,65]. 这一重要发现可以在一定程度上解释不同研究者提供的实验数据之间的差异, 以及为何亚稳态关联式难以精确.第51卷 第9期 2006年5月评 述HEM 中不考虑亚稳态流动, 从理论上讲将导致预测的流量偏小. 但是, 大量的研究表明, HEM 的预测精度在±15%以内, 基本可以满足工程精度的要 求[35,48,51~54].Lin 等人[32]的研究表明, 毛细管内汽液两相流动的相间速度滑移比小于2, 这表明其确实很接近均相流(相间速度滑移比等于1). 在理论上, Wong 等人[50]和Wongwises 等人[68]对比了均相流模型和分相流模型的计算效果, 结果表明, 采用分相流模型可以更准确地模拟毛细管沿程的制冷剂参数(温度和压力)分布, 但是对流量的影响甚微.在实际制冷空调装置中, 通过毛细管的是制冷剂和润滑油的混合物. 油的存在, 一方面使得制冷剂的相对通流面积减小, 造成制冷剂流量的下降趋势; 另一方面, 可以降低制冷剂的流动阻力, 造成制冷剂流量的上升趋势[69].(ⅳ) 经验关联模型. 分布参数模型尽管比较可靠, 但是比较复杂, 不易理解掌握[70~72]. 为了解决这一问题, 毛细管流量特性的关联方法的研究是必不可少的. 关联模型的最大优点是计算简单, 不需要象复杂模型那样进行复杂的算法设计和迭代计算, 故而对使用者的技术要求较低; 主要缺点是通用性较差, 表现在两个方面: 一是适用参数范围(指毛细管结构参数和运行工况参数)较窄; 二是不同工质的关联系数不同, 这意味着对不同工质需要分别关联.现有的毛细管流量特性的关联模型主要是针对绝热毛细管的, 这是因为绝热或近似绝热毛细管的应用场合更广, 而且其流量特性的影响因素也较少, 易于关联. 从量纲角度来分, 现有的绝热毛细管流量特性关联模型可分为有量纲和无量纲两类. 有量纲的关联模型[46,73], 关联的难度较低, 但由于量纲上的不平衡, 使其缺乏必要的理论支持, 适用范围较窄. 无量纲关联模型由Bittle 等人[55]率先提出, 后又得到其他研究者的验证和发展[44,47,56,57].从关联数据的来源来看, 有的模型是基于实验数据[44,55,56,73], 有的则是基于通用模型的计算数 据[46,47,57]. 基于实验数据的优势是关联的结果可以得到直接验证, 但实验数据的范围和数量有限, 且不同研究者获得的实验数据的一致性不是很高, 导致关联式难有公认的精度. 基于计算数据的优势是数据的范围和数量可以任选, 数据的一致性容易得到确认, 但关联的结果需要进一步的实验验证. 考虑到毛细管通用模型研究的广泛性和成熟性, 作者认为采用计算数据进行关联模型研究可以排除实验中存在的诸多不确定因素, 有利于提高研究效率.(ⅴ) 近似分析模型. 分布参数模型比较复杂, 而关联模型的通用性较差. Yilmaz 等人[74]提出的近似积分模型, 其复杂性与精度介于分布参数模型与关联模型之间, 可以用于系统仿真. 在该模型中, 先将毛细管的绝热流动过程近似为等焓过程, 然后在两相区寻找等焓条件下压力和两相比容之间的直接关系式, 以便对于动量方程进行积分求解. 上海交通大学的研究人员改进了近似积分模型, 扩大了模型的应用范围, 提高了精度[75~77].(ⅵ) 毛细管的串、并联特性. 毛细管特性研究基本上对单根毛细管, 但在实际装置中, 经常用多根毛细管组合起来作为节流元件, 如房间空调器在制热模式下主毛细管和辅毛细管的两级串联节流、多根毛细管的并联节流等. 因此从系统仿真角度, 需要以单根毛细管模型为基础, 研究串并联毛细管的建模问题. 上海交通大学对此开展了研究工作[78,79]. 1.3 蒸发器和冷凝器模型蒸发器和冷凝器均属于换热器, 因此在此一并总结.(ⅰ) 稳态模型. 换热器的稳态模型主要用于描述并预测换热器的稳态性能. 根据模型的参数集中程度, 换热器稳态模型分为3类:(1) 单结点模型, 或称集中参数模型. 对于没有相变的换热器, 可以采用对数平均温差法来计算换热器的稳态性能, 这是典型的单结点模型[80]. 对于有相变的蒸发器或冷凝器, 对数平均温差法已不再适用, 采用单结点模型的精度明显下降.(2) 多结点模型, 又称分布参数模型[81~83]. 这类模型将换热器划分为许多个控制容积, 对每个控制容积按集中参数建模; 或者直接对偏微分方程进行离散化. 与单结点模型相比, 模型准确性较高, 但是计算的时间较长.(3) 分区模型[84,85]. 对于冷凝器, 按过热气体区、汽液两相区和过冷流体区分别建立集中参数模型; 对于蒸发器, 按汽液两相区和过热气体区分别建立集中参数模型. 分区模型的计算精度与速度均介于单结点模型与分布参数模型之间, 有研究表明, 分区模型与分布参数模型的计算偏差可以很小, 而计算速度又较分布参数模型明显提高[84], 因而在精度要评 述第51卷 第9期 2006年5月求不是太高的情况下, 是用于系统仿真的一种比较合适的模型.(ⅱ) 动态模型. 根据动态过程的不同特点, 换热器动态模型可以分为两类:(1) 短瞬态模型. 这类模型主要用于描述换热器在运行过程中因边界条件发生变化而做出的动态响应, 常用于系统状态量(如过热度)的控制[86~93]以及控制器的开发[94]. 在换热器的短瞬态响应过程中, 一些参数的变化幅度不大, 所以模型中的一些非线性项可以被线性化, 使得模型的求解可以简化、甚至显式化.(2) 长瞬态模型. 这类模型主要用于描述装置的开、停机动态过程, 常用于系统动态仿真[95]. 在装置的开、停机动态过程中, 由于参数变化的幅度很大, 模型中的一些非线性项难以忽略, 导致模型的求解只能采用数值计算方法.根据模型的参数集中程度, 换热器动态模型也可以分为以下3类: 单结点模型[4~12]、多结点模 型[96~100]和分区模型[94,95]. 限于篇幅, 这里不作讨论.2 围护结构模型有些制冷装置, 如冷水机组, 其本身是不带围护结构的, 因此对于这类制冷装置的性能评价, 往往是与围护结构的特性无关. 但对于冰箱、冷柜、冷库等制冷装置, 其装置组成中已包括了围护结构, 这类装置的性能与围护结构密切相关, 很多性能必须要通过围护结构的动态模型才能计算出来, 如冰箱的打冷速度、负载温度回升时间.围护结构一般由固体材料组成, 其物性的变化在装置工作范围内变化可以忽略. 当制冷装置稳态运行时, 可以当作一个纯热阻环节, 计算比较简单, 但在系统动态过程中的计算则要复杂得多.制冷装置动态仿真研究初期[4,5]只研究制冷系统的瞬态特性, 由于所研究的工作时间相对于围护结构的时间常数来讲很小, 所以在这种情况下可以撇开围护结构的模型, 认为跟围护结构特性有关的制冷系统的外部工作环境为恒定. 但这种假定不能用于对较长时间的制冷装置工作过程仿真.对于围护结构列出传热微分方程, 在装置仿真过程中和制冷系统的其他部件直接求解虽然也是一种成立的方法, 但却不是最合适. 主要问题在于: 围护结构的动态传热计算要准确, 必然将围护结构的壁面分成很多层, 并且每个时刻都要求解动态方程, 这样箱体在整个仿真计算中所占的计算量就很大, 计算稳定性也会降低; 如果分层很少, 则围护结构计算精度较差, 会降低系统仿真的精度. 从装置的动态仿真与优化计算角度考虑围护结构模型, 应使进入仿真迭代的围护结构负荷计算部分少费计算时间, 尽量使大部分的计算在系统仿真以前完成. 所以采用直接差分求解的方法处理围护结构的模型对于装置的快速仿真是不利的.2.1 基于经典控制理论的围护结构动态模型考虑到围护结构的物性基本不变, 可以作为线性系统处理, 因此可以考虑先将围护结构本身的传递特性计算好, 最后计算系统的动态响应时, 只需要将这些已经计算求得的围护结构传递特性参数同扰量进行合成. 由于对围护结构只计算一次, 所以计算量可以大大减少, 这些方法对于制冷装置的快速动态仿真是很有价值的. 这类方法包括反应系数法(与S 传递函数相对应)、传递系数法(与Z 传递函数相对应)、谐波法(与正弦传递函数相对应)[101~109].谐波法对于墙体, 可以预先求出其对于各阶谐波的衰减和延迟, 当输入量为各阶谐波的合成时, 就很容易求出响应来. 谐波法所引进的有关平壁不稳定传热的概念, 如传热的衰减和延迟、蓄热特性等, 物理意义比较明确、直观, 已为大家所熟悉. 谐波法有周期扰量的前提, 对于制冷装置仿真会造成不方便. 20世纪60年代后出现的反应系数法已摆脱了周期扰量的限制, 因此更适合于一般的情况. 由于反应系数法中所需记忆的反应系数项数较多, 后来出现了收敛更快的Z 传递系数法, 但是计算方法较反应系数复杂. 从制冷装置仿真角度, 推荐使用Z 传递系数法.2.2 基于现代控制理论的围护结构动态模型早期的求取反应系数与Z 传递系数的方法是基于经典控制理论, 而现代控制理论的状态空间法也可用于围护结构动态模型中[110], 并具有如下的特点:(ⅰ) 推导过程简单. 拉氏变换法将时域问题变换到频域(或称复域), 求得结果后再反变换到时域, 先后两次变换, 使得整个推导过程很繁复; 而状态空间法就在时域中解决问题, 整个推导过程简捷、易懂.(ⅱ) 推导的结果易于计算机实现. 拉氏变换法要编程实现复杂函数的导数、极点(或根)的求取等,第51卷 第9期 2006年5月评 述需要较高的编程技巧, 初学者难以胜任; 而状态空间法推导的结果只是一些较简单的矩阵加法和乘法运算, 计算机编程较为简便.(ⅲ) 能方便地体现平壁内部温度和热流随时间的变化. S 传递函数模型属于外部模型, 即每次只能求得系统的输出温度、热流随时间的变化; 而状态空间模型属于内部模型, 可以方便地知道各状态点上的温度、热流变化, 从而可以构勒出平壁内部温度、热流随时间的变化情况.(ⅳ) 状态空间法也有其不足的地方. 例如, 由于状态空间法实质上是一种半差分方法, 故精度略低于拉氏变换法, 但实例计算表明, 其精度已足以满足实际工程应用的需要[1].2.3 传递函数的合成与可变时间步长计算制冷装置中温度变化时, 需要处理围护结构的动态模型. 由于组成实际围护结构的各个面的情况不同, 其对扰量的响应也不同, 而我们所需求得的最终室温对室内总的热量的响应, 是由各围护结构面的响应与室内热容环节的响应所确定的, 需要研究各围护面与室内热容环节的响应如何确定室温响应, 因此需要在求得各个面的动态响应的基础上, 进一步合成得到整个围护结构的动态响应系数. 一种比较简单的合成方法是公比法[111]. 优势特征法方法在单一传递函数降阶时所体现的稳定性[112], 可以进一步拓展获得稳定且阶数较低的围护结构传递函数[113]. 另一种有效的合成方法为系统辨识法[114]. 基于传递函数的围护结构算法基本上均是定时间步长, 算法表达简单, 但在实际制冷装置的仿真中会遇到围护结构部分的计算步长与制冷系统部分的计算步长不匹配的问题. 从计算量来看, 制冷系统模型部分要远大于负荷模型部分, 所以在制冷系统模型的计算步长既定的条件下, 应使负荷模型的计算步长与之相匹配. 围护结构的变步长算法研究大致分为3类.(ⅰ) 变步长方法为插值法[1]. 插值法较为简单, 对于扰量变化率不大(相对于时间步长而言)的围护结构, 插值法容易编程实现, 而且效果也不错; 但是对于扰量变化率较大的围护结构, 则误差会明显增大.(ⅱ) 基于反应系数/传递函数系数异步长关系的变步长算法. 首先建立了不同时间步长(大步长是小步长的整数倍)反应系数/传递函数系数之间的相互转换公式, 然后在此基础上利用线性系统的叠加原理, 建立了变步长算法[115,116].(ⅲ) 从扰量分解的角度定义了新的反应系数, 并据此建立了一种新的自适应变步长的反应系数法. 如基于横向反应系数的变步长算法[117].3 适用于系统仿真的制冷剂物性算法3.1 制冷系统仿真对于制冷剂物性计算的要求制冷空调装置的仿真中, 需要大量地进行制冷剂物性的计算, 制冷剂的物性模型是仿真中不可缺少的部分. 而且物性模型的计算效果, 还直接决定了对于系统其他部分的模型选择. 如果物性部分的计算比较复杂, 则制冷装置其他部分的模型就不得不简化以保证计算速度的要求, 虽然这样一来会影响功能与精度. 因此从仿真要求来考虑制冷剂物性模型, 需要注意以下的问题:(ⅰ) 计算速度需要非常快, 因为系统仿真中需要大量地进行物性计算, 制冷剂物性的计算速度, 成为影响实用性的一个重要因素.(ⅱ) 稳定性问题. 由于调用次数非常多, 因此即使计算发散的概率较小, 当有大量调用时, 也容易碰到计算不收敛.(ⅲ) 可逆问题. 很多物性之间是需要相互转换的, 如果转换中产生了很小的差异, 则在不断的迭代中会放大, 最终导致结果出错.(ⅳ) 连续与光滑. 只有函数的连续, 才能保证仿真迭代的收敛. 由于建立模型进行仿真中还会用到导数, 这就需要保证函数导数的连续, 也就是讲物性计算函数的光滑.通常人们会采用状态方程方法计算制冷剂热力性质, 但由于不仅避免的迭代, 因此在计算速度和稳定性方面均不理想.3.2 制冷剂物性的常用快速算法由于状态方程法计算制冷剂物性时存在的计算速度问题, 人们不得不寻找可以大大提高物性计算速度的方法.查表法是最简单的提高制冷剂物性的方法. 采用该方法时, 需要预先利用状态方程方法将物性表格求好, 在仿真中只需要查这个表. 如果表中没有, 则利用邻近的数据点, 通过线性插值得到. 美国国家标准局开发的换热器仿真软件中[118], 就是采用该方法. 该方法由于不需要解状态方程, 因此满足了仿真。
浅谈制冷空调仿真系统原理及其应用
浅谈制冷空调仿真系统原理及其应用随着计算机模拟技术的发展，制冷空调相关工作人员已经开发出了制冷空调的仿真系统，基于计算机技术和虚拟现实技术为基础的制冷空调仿真系统，具有仿真功能全面、检测功能全面等优点，被人们不断的应用。
本文先是阐述了制冷空调仿真系统的原理和特征，然后指出了制冷空调仿真系统的应用方面。
标签：制冷空调；仿真系统；原理及应用随着科技和社会经济发展水平的进步，人民的生活水平不断提高，制冷和空调技术在人们日常生活和工农业生产中得到越来越广泛的应用，使得社会对制冷和空调设备的安装、调试、维修以及管理人员的需求不断增加，为了加快制冷空调的安装、调试、维修和管理人才的培养，降低传统培训方法中出现的各种问题，制冷空调仿真系统应运而生。
一、制冷空调仿真系统原理及特征。
制冷空调仿真系统是以计算机技术和虚拟现实技术为基础，实现对实际制冷空调系统及其工作状态的计算机模拟仿真，它是一个将计算机虚拟技术应用到制冷空调操作培训的一款仿真应用软件，利用它进行制冷空调系统的学习和培训，可以帮助学生掌握有关理论，提高操作水平，提高学生的学习效果，同时还可以有效降低培训费用，提高培训的可靠和安全程度。
制冷空调仿真系统作为一个培养从事于制冷与空调专业技术学校学生的应用软件，它可以安装在windows2000及以上的操作系统上，分为单机版和网络版两种版本，其中单机版只需在一台微机上进行，其模拟操作过程在一个显示器模拟仿真面板上进行。
制冷系统的内部结构和实际工作流程可以通过三维动画进行演示，经过大量的实践证明，这种教学方式不仅可以有效提高学生的学习效率，还可以大大降低培训费用。
在线运行的制冷空调仿真系统的工作方式则是将教学系统与实际系统相连接，这时，除了操作者的操作面板是采用的仿真系统之外，其他与实际现场操作情况一样，因为操作者可以通过制冷空调仿真系统和真实系统之间的连接来感受近似真实的操作环境，提高自己的操作能力。
制冷空调仿真系统具有众多的功能，主要包括制冷系统、冷库系统、风柜系统和电器系统四大部分构成，其模拟数据与实际设备的数据相吻合。
制冷空调系统的计算机仿真与优化
(Selectable)
Simulation Module
Optimization Module
Overall parameters of heat capacity, refrigerant pressure drop, etc
Refirerant and air parameters on each control volumn
Postdoctor in University Karlsruhe, Germany, from May 1996 to July 1997 Visiting Professor in University Karlsruhe, Germany, from Jan. to April, 2000 Visiting Professor in University Karlsruhe, Germany, from Jan. to April, 2004 Visiting Professor in the University of Tokyo, Japan, from May to August, 2007
Compressor Condenser Evaporator Throttling device
热泵模拟
Component types
Twin screw compressor; Rotary compressor; Reciprocating compressor; Scroll compressor
目录
基于图论和遗传算法的翅片管换热器仿真与优化 制冷空调装置的仿真 基于模型的智能仿真 制冷系统仿真用的制冷剂物性计算方法 噪声模拟
Connect component models into a system model
制冷空调中的计算机仿真与控制
与
冷度，而是应该能把这些参数正确地计算
技
出来。在模型和算法的选取上，应当根据
术
实际需要，在精度、计算稳定性和运算速 度之间达到平衡。
对于一个简单的单级蒸气压缩制冷装置，设其
由往复活塞式压缩机、毛细管、冷凝器与蒸发器这
四大件组成。蒸发器与换热器均采用干式换热器，
其本身热容可以忽略不计，这两个换热器均采用温
u
c1
d n1 dt n1
ucn1
d dt
u
cn u
(5-10)
理
与
对于一般的微分方程，难以直接求得分析解，一般
技
采用数值求解方法。对于精度要求较低而速度要求较 高的场合，可以采用欧拉法、梯形法；如果精度要求
术 较高，则四阶龙格库塔法是常用的求解方法。
5.1.3 单级压缩蒸气制冷理论 循环的计算机分析
冷
以及具体的装置结构均无关
原
所以
可以方便地求出当蒸发温度、冷凝
理
温度、压缩机吸气过热度、冷凝器
与
过冷度变化时，理论制冷循环性能
技
的变化
术
现经常被用来比较不同工质的性能
使用上述方法存在的问题
因为 对于一般的制冷装置来讲，当蒸发温度、
冷凝温度变化时，其压缩机吸气过热度、
制
冷凝器过冷度也会变化，定值假定是不
冷
符合实际情况的。
原
上面分析过程没有牵涉到外界环境对于实
理
际装置的影响
与
技
所以 方法虽然简单，但同实际装置性能之
术
间是有差距 ，不能预测外界环境变化
时制冷装置的性能变化 。
5.1.4 单级压缩蒸气制冷装置的计算 机模拟
计算机仿真技术在制冷空调装置中的应用
软件开发16计算机仿真技术在制冷空调装置中的应用◆梁 凯制冷型空调设备的电脑模拟工艺已普遍运用到工业制品的性能判定及相关设计技术的完善上。
笔者阐释了制冷型空调设备电脑模拟工艺的进步路径，概括归纳了蒸发部件、冷凝部件、压缩装置、毛细型流通管、围护机构等构件的模型，还有化学制冷制剂物理性能衡算流程，且阐释了针对于仿真模型的制冷型空调设备人工智能模拟工艺，以及立足于图论模型的制冷型空调设备模拟工艺，并最终给出了制冷型空调设备模拟工艺的运用空间。
引言电脑模拟工艺在制冷型空调设备方面的应用性研究开始于二十世纪七十年代终期到八十年代前期。
期间经历了数十年的进步历程，此类工艺在制冷型空调设备生产系统内获取了大力的运用和深入的研发过程，其对于制冷装置的运行状态考证，设备工艺革新发挥出了独特的促进作用。
1 制冷型空调设备的重点构件模型制冷型装置的最基本的四种构件分别是压缩装置、冷凝部件、节流部件、蒸发装置。
其中可将蒸发装置及冷凝部件一并称作换热装置。
其节流型部件应当被划分成热效应型膨胀节流控制阀、电子型膨胀式节流阀、毛细管型节流式管节等数类模式。
1.1 压缩装置模型压缩装置是蒸汽式压缩制冷型装置的神经中枢，而且其亦为总体装置中最为关键的器件，其既含有能量、介质的传递过程，还包含着各种类型的机械传动形态。
依照工作性质的区别，给它们所构建的建数学模型亦大不一样。
以制冷型功能为任务的工件模型基本全是属于是集中型数据模型。
集中型数据模型法涵盖效率方法、图形方法、周密的热效应模型方法。
西方工程界两名学者依托生产厂家给出的数据图形匹配了具体工况状态下压缩设备制冷融量、压缩设备运行负荷、化学制冷容剂介质流量及蒸发装置超热程度的函数变化曲线。
其图形方法及效率方法运算过程相当简便，运算速率极快。
1.2 节流控制构件1.2.1经验性函数关系模型。
经验型函数关系模型极为简便，不用递进式叠加，运算速率极高，在装置模拟过程中获取了广泛的运用。
制冷空调系统计算机仿真技术综述
制冷空调系统计算机仿真技术综述作者：江敬强来源：《中国科技博览》2016年第18期[摘要]上个世纪六十年代以来，科学技术不断发展，这一发展现状使得计算机仿真技术在各个领域都得到了广泛的应用。
目前，在制冷空调领域，计算机仿真技术发挥着越来越重要的作用。
本文主要阐述了计算机仿真技术的概念与特点，包括其可以有效节约能源消耗、缩短研究时间、简化制冷流程以及准确度较高等特点，并对其常用的模型构造方式以及算法进行了合理的研究总结，目前常用的模型构造方式主要是机理建模法，依据相关学科的理论研究其物理变化，并设定相应的参数，常用的算法主要包括迭代算法以及有限差分算法。
本文通过对以上内容的研究，进一步探索了计算机仿真技术在制冷空调机组当中的应用。
[关键词]制冷空调系统计算机仿真技术中图分类号：S5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）18-0146-01前言由于当前科学技术的不断发展，越来越多的新技术被运用到各个领域当中，传统的制冷空调系统由于其能源消耗较大、制冷效率较低等原因，已经难以满足当前人们生产生活的巨大需求，而计算机仿真技术在制冷空调系统中的应用可以帮助人们最大程度的改善系统性能。
随着计算机仿真技术在制冷空调系统当中的广泛应用，关于空调系统本身以及空调中各个部件的仿真技术得到了各界越来越多的关注，当前对于制冷空调系统的研究主要是为了实现对制冷空调系统性能的检验，进而对这一系统进行逐步的优化和改良，而计算机仿真技术可以有效地取代繁琐的试验环节，提高检验的效率。
1.计算机仿真技术概述1.1 计算机仿真技术的概念与特点计算机仿真技术顾名思义，它属于计算机技术中的一个类别，由于这一技术具备大量的工程实践经历，近些年来发展迅速。
仿真即探索一类可以代替目标对象的模型，最终达到简化研究流程的目的。
而计算机仿真技术则是指在计算机上通过一定的表达方式来体现相应的目标对象变化情况。
这一技术具备一定的特点，其可以通过仿真程序代替以往的研究形式，既可以节约相当大的能耗，又可以节省研究的耗时。
制冷空调系统计算机仿真技术分析
制冷空调系统计算机仿真技术分析发表时间：2016-12-01T09:18:06.730Z 来源：《基层建设》2016年17期作者：王会坤[导读] 摘要：制冷空调装置应用持续深化的同时，对其计算机仿真技术的研究具有至关重要的意义。
合肥天鹅制冷科技有限公司摘要：制冷空调装置应用持续深化的同时，对其计算机仿真技术的研究具有至关重要的意义。
本文在对制冷空调仿真系统原理与特征进行阐述的基础上，对多联式空调系统所具备的特点做出分析。
同时在对制冷空调装置调节系统仿真模型进行构建基础上，来对空调制冷系统性能优化进行探究与分析。
关键词：空调系统；仿真技术；应用分析前言：作为一项有着广泛应用，且效果较为优良的技术，近年来，计算机仿真技术得到了有效的发展与应用。
然而，通过对制冷空调系统中的计算机仿真技术加以探究，能够使得实践水平得到有效提升，进而对制冷空调系统的优化，具有较好的效果。
一、制冷空调系统计算机仿真原理与相关特征分析（一）制冷空调系统计算机仿真原理对于制冷空调仿真系统来说，其能够在Windows2000以上版本计算中得到安装并操作，并分为网络版与单机版两种类型，对于单机版来说，只需要一台计算机，便能够进行操作，这种模拟操作过程，是在显示器模拟仿真面板上完成。
而对于网络版仿真系统来说，其在运行时想，需将教学系统与实际系统进行有效连接，连接后，除去操作人员操作面板为仿真系统外，其它均和实际操作相同，这是因为对于操作人员来说，其能够利用仿真系统与真实系统的连接，来创设真实环境，同时有利于操作者自身能力提升。
（二）制冷空调系统计算机仿真特征制冷空调仿真系统具有多种功能，并由制冷系统、风柜系统、电器系统与冷库系统所组成，其模拟得到的数据与实际设备数据能够吻合。
一般来说，该系统具备以下特征： 1.仿真功能齐全制冷空调仿真系统，可以对空调系统实施全过程仿真，对冷却及冷冻水泵、冷却塔风机、压缩机开停机均可进行仿真，涉及到的操作流程，与真实操作并没有较大差异。
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2. 计算机辅助设计系统的组 成及基本功能
一个完整的计算机辅助设计系统是 由一系列硬件系统和软件系统组成的。 作为一个计算机辅助设计系统应包括 以下几个功能； (1)计算功能。
(2)存储功能。
(3)输入功能。
(4)输出功能。
3.制冷装置计算机辅助设计的内容
一个完整的制冷装置计算机辅助设计系 统应该包括从初步规划到最后图纸输出的这 样一个功能强大的系统, 大致可以分为 (1)结构规划。 (2)系统初步分析计算。
计算机 类型不同
用混合模拟机组成的或用数字－模 拟混合计算机组成的混合仿真系统
微型机阵列组成的全数字式仿 真系统
14.2 简单对象的建模
在制冷空调装置仿真中，有些部分在 一定假设下，可用一阶微分方程近似 描述。下面举例说明。
例14-1 货物冷却 对于货物送入冷藏箱中进行冷却，如图14-1所示。设 冷藏箱中空气温度为 a；设货物的温度为 ，质量为 M，定容比热为C，与空气传热面积为F，货 a d 2 CM Ca M a Q 2 dt dt KF dt CMCa M a d 2 d (CM Ca M a ) Q 2 KF dt dt
（14-2）
上面的二阶常微分方程描述了冷藏箱内货 物的冷却过程。如果考虑空气与箱体结构的 传热，而把箱体结构作为一阶惯性环节，则 得到的式子为三阶微分方程。如果对于厚的 货物，需要考虑表层与内部温度变化的不一 致，则所得到的方程阶数还要高 。
2. 毛细管模型
建立各个部件的模型 3. 蒸发器和冷凝器模型 4. 围护结构模型 5. 充注量计算模型
14.5制冷装置优化与计算机辅助设 计简介
14.5.1 优化的含义
制冷空调装置的优化首先要使装置设计最 佳，其次要保证系统能够工作在最优的工作 状态下。
制冷空调装置的优化包括
最优设计 最优控制
14.5.2制冷装置的优化原则
KF(a -)
, C, M
a
图 5-1 冷藏货物
货物的蓄热量U为
U CM
传给货物的热量应等于货物蓄热量的变化
dU KF ( a ) dt
将式U代入,并整理得
d KF KF a dt CM CM
上式即是包含对t 求导的一阶微分方程。反映 了一定条件下，货物随冷藏室内空气温度的变 化规律
14.5.4 优化设计实例
下面以冰箱为例，对优化过程加以进一步的说明。
1. 优化目标
对于冰箱，在性能可靠的前提下，要求制 造成本低，使用费用即耗电量低。在设计时主 要是尽可能降低耗电量。冰箱工作过程可分为 初始打冷工况和常规开停工况，装置的绝大多 数时间工作于开停工况（图 14-5 ），选择此工 况的耗电量最小为优化目标比较合理。
14.5.3
制冷装置优化方法
1. 建立在动态仿真基础上的制冷装置优化对优化方 法的要求 一般说来，利用函数梯度信息的优化方法的 寻优速度较快。但在实际应用中，此类方法往往 受到一定的限制。 2. 多维寻优方法的选择 在直接法优化方法中，坐标轮换法最简易。 但是坐标轮换法的效能，很大程度上取决于目 标函数的性质。
• 模拟冷水机组的变工况稳态性能指标（包括 制冷量、输入功率、冷媒水和冷却水的出口温 度、蒸发温度、冷凝温度等）。 • 模拟冷水机组的变结构稳态性能指标。 • 模拟冷水机组的开机动态特性。 • 模拟冷水机组的停机动态特性。 • 模拟冷水机组的变负荷动态特性。
l 首先要确定优化的原则： 1） 优化目标，2）优化参数，3）优化计 算的约束条件， l 然后才是优化的方法的确定。
1. 优化目标的确定
对于不同的装置，不同的人员，所 选择的优化目标都会有所不同。 一般来讲，优化的目标应该包括 ：
装置能够正常工作，达到其功能要求
效率与经济性最高
优化参数的选择
约束条件的选取
适当选择约束有二个作用
1)实际装置各参数值的优化都必须在一定范围 内进行，超过这个范围得到的优化值是毫无意义 的。 2) 当参数可变化范围增大时，可能出现多个 极值，寻优过程在不为最值的某一极值处停止。 数学模型的准确性有一定范围 , 如超出适用范围， 模型的精确度就要降低 , 因此在优化计算时，有 时还需要人为地定一些约束条件，以使优化计算 有效地搜索。 对于第1)类约束条件，它的存在会使得计算 时间变大、迭代次序增加。而第2)类约束条件有 利的。
温度
T11
T21
T12
T22
T13
T23
时间
图14-5 制冷装置工作过程
从理论上讲，当环境条件不变、系统工作完全 稳定时，每一个周期的工作过程都应该相等。实际状 况有些偏差，数值仿真是以一定的步长进行的，每个 周期都有些差异，因此不宜仅以一个周期的平均功耗 最小作为最后的优化目标，而适当多取几个周期。写 成数学表达式为
在计算机仿真研究的过程中，一 般要经过这样四个步骤
(1) 写出实际系统的数学模型。
(2) 将它转变成能在计算机上进 行运转的数学模型
(3) 编出仿真程序
(4) 对仿真模型进行修改、校验
有无实 仿真系统 物介入
实时仿真系统
非实时仿真系统
用模拟计算机组成的仿真系统 用数字计算机组成的数字仿真系统
仿真
由T4, p4求h4 由T1, p1求v1, s1, h1 求q0, qv, qk, w0, 由Tc求pc
结束
14.4 单级压缩蒸气制冷装置的计算 机模拟
14.4.1 部件模型
在计算机模拟时，并不能任意指定状 态，如蒸发温度、冷凝温度、过热度、过 冷度，而是应该能把这些参数正确地计算 出来。在模型和算法的选取上，应当根据 实际需要，在精度、计算稳定性和运算速 度之间达到平衡。
另一种较为简单的方法是模式搜索法。 模式搜索法的应用范围很广，对变量的极值 问题分析是较有效的，程序也较方便，算法 收敛速度同步长选择有较大的关系。 步长加速法在寻优开始阶段应用，可获得 较快的逼近速度，但在后期搜索中的收敛速 度不是最理想。
Powell方法则是目前多变量寻优直 接法中较好的一种方法。
U CM
空气的蓄热量U为 货物的蓄热量U为
U a Ca M a a
U CM
d KF ( a ) dt
传给货物的热量应等于货物蓄热量的变化
CM
传给空气的热量与传给货物的热量之和为总热量Q
d a d CM Ca M a Q dt dt
得
CM d a KF dt
2.电冰箱仿真软件
实现以下的功能
• 模拟电冰箱在国标规定的六种实验工况下的 动态过程和性能指标。 • 模拟电冰箱在自定义实验工况下的动态过程 和性能指标。 • 预测电冰箱所需的合理的制冷剂充注量。 • 模拟电冰箱压缩机、毛细管、冷凝器、蒸发 器、箱体等部件的动态特性。
3.冷水机组仿真软件
实现以下的功能
14.1 仿真技术简介
仿真
用一个能代表所研究对象的模型去完成的某 种实验, 以前常称为模拟 。 物理仿真
按照模型
性质不同
计算机仿真
物理仿真
用一个与实际系统物理本质相同 的模型去完成实验 。
计算机仿真
用数学形式表达实际系统的运动 规律，数学形式通常是一组微分方程 或差分方程，然后用计算机来解这些 方程。
对于一个简单的单级蒸气压缩制冷装置，设其 由往复活塞式压缩机、毛细管、冷凝器与蒸发器这 四大件组成。蒸发器与换热器均采用干式换热器， 其本身热容可以忽略不计，这两个换热器均采用温 度不变的空气冷却。 要求 模拟压缩机开机过程到系统接近稳定的整个过程
则主要是要预测制冷剂状态及制冷量随时间的变化
1. 压缩机模型
f
(T T2i ) 1i i 1
n
1
[ Wdt ] min T i 1
1i
n
(14-3)
一般来说n取3或4就够了。
2. 优化参数
对家用冰箱进行优化计算，可选择以下四个 可连续变化参数作为优化参数
1) 系统充注量 2) 冷凝管的长度 3) 毛细管的管长 4) 冷藏室蒸发器的传热面积，或 当肋化系数一定时的流道长度。
多维无约束优化采用POWELL方法。一 维优化采用成功失败法寻找高低高三点， 再用二次插值法找出最优解。
图14-6 优化设计 步骤
14.5.5
制 冷 装 置 计 算 机 辅助设计入门
1. 计算机辅助设计的基本概念
计算机辅助设计(Computer Aided Design)–CAD技术是近年来得到迅速发 展的科技新领域。一个CAD系统一般应 该包括有专业计算、分析、优化程序， 数据库系统，以及自动化绘图系统。
(3)仿真与优化。
(4)自动图纸绘制。
14.6 部分仿真软件介绍
1.房间空调器仿真软件
实现以下的功能
• 模拟房间空调器（包括窗式空调器和壁挂式 空调器）在制冷和制热运行模式下的整机的变 工况性能，工况范围覆盖常见的制冷和空调工 况。 • 预测空调器所需的合理的制冷剂充注量。 • 模拟房间空调器所用的部件特性。包括单独 适用于压缩机、冷凝器、蒸发器和毛细管四大 主要部件的仿真子系统。可以从部件库中推荐 合适的部件用于系统的匹配。
这样在优化部分的约束中， 都是清一色的结构参数，可以用 相近的方法处理，带来许多方便 之处。
由于上面的几个约束条件均为不等式 约束，所以可以取消优化程序中罚函数循 环收敛这一层次，借用无约束优化的计算 方法来解决此类有约束的优化问题，只要 在一维寻优过程中检验不等式约束条件是 否满足，这样可使计算时间可大大减少。
虽然编程需要花时间，但以后每次 计算特别快，这对于工况等参数改 变时的分析特别能体现出其优势。
机计算
图14-4 为计算单级蒸气压缩制冷循环性能的程序框图。
给Te, Tc, Te, T c赋值 p2 =pc，s2= s1 由p2, s2求T2, h2 T4= Tc-Tc, p4 =pc