活塞式制冷压缩机仿真试验系统的建立_李响.pdf

第2 3卷 第1期2023年1月R E F R I G E R A T I ONAN DA I R-C ON D I T I ON I N G5 6-6 3收稿日期:2 0 2 2-0 3-2 1,修回日期:2 0 2 2-0 5-0 6作者简介:李响,硕士,主要研究方向为制冷系统。活塞式制冷压缩机仿真试验系统的建立李响1)王枫2)1)(松下冷链(大连)有限公司)2)(大连民族大学)摘 要 首先分析采用第二制冷剂法搭建的活塞式制冷压缩机试验系统,并以M a t l a b/S i m u l i n k为平台搭建活塞式制冷压缩机仿真试验系统模型。结果表明:优化后仿真试验系统数据与物理试验数据吻合良好,证明了活塞式制冷压缩机仿真试验系统的合理可靠,为后续制冷压缩机的设计和性能预测提供可靠的仿真试验平台,同时为深入研究制冷压缩机性能和建立更精准的仿真系统打下了良好的基础。关键词 压缩机;仿真系统;S i m u l i n kE s t a b l i s h m e n t o f s i m u l a t i o nt e s t s y s t e mf o rp i s t o nr e f r i g e r a t i o nc o m p r e s s o rL iX i a n g1)W a n gF e n g2)1)(P a n a s o n i cA p p l i a n c e sC o l dC h a i n(D a l i a n)C o.,L t d.)2)(D a l i a nM i n z uU n i v e r s i t y)A B S T R A C T T h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e st h ep i s t o nr e f r i g e r a t i o nc o m p r e s s o rt e s ts y s t e mb u i l tb y t h e s e c o n dr e f r i g e r a n tm e t h o d.A n db u l i t t h e s i m u l a t i o nt e s t s y s t e m m o d e l o f p i s-t o nr e f r i g e r a t i o nc o m p r e s s o rb yM a t l a b/S i m u l i n kp l a t f o r m.T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h eo p-t i m i z e ds i m u l a t i o nt e s ts y s t e mi si ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ep h y s i c a lt e s td a t a,w h i c hp r o v e s t h a t t h e s i m u l a t i o n t e s t s y s t e mo f p i s t o nr e f r i g e r a t i o nc o m p r e s s o r i s r e a s o n a b l e a n dr e l i a b l e.I tp r o v i d e sar e l i a b l es i m u l a t i o nt e s tp l a t f o r mf o r t h es u b s e q u e n td e s i g na n dp e r-f o r m a n c ep r e d i c t i o no fr e f r i g e r a t i o nc o m p r e s s o r,a n dl a y sag o o df o u n d a t i o nf o rt h ei n-d e p t hs t u d yo f r e f r i g e r a t i o nc o m p r e s s o rp e r f o r m a n c ea n dt h ee s t a b l i s h m e n to fam o r ea c-c u r a t es i m u l a t i o ns y s t e m.K E Y WO R D S c o m p r e s s o r;s i m u l a t i o ns y s t e m;S i m u l i n k 作为制冷系统的“心脏”,压缩机的性能优劣直接影响制冷系统的工作效率1。搭建物理试验平台可以直接测试压缩机的制冷量、输出功率等重要参数,因此是评价压缩机性能最严谨的方法。尽管如此,考虑到在新产品研发过程中的试验条件、人力物力、开发周期等实际情况的限制,产品定型前的大量试验将会导致研发成本的增加及研发周期的延长,对于预测和改进产品性能有很大的局限性。仿真技术的出现有助于解决产品性能、成本和开发周期之间的矛盾。目前国内研究者大多针对压缩机或制冷系统开展试验和仿真研究,而制冷压缩机试验系统的仿真研究还很缺乏。文章将利用数值仿真方法构建压缩机试验系统的仿真模型,通过压缩机性能的预测,为压缩机设计和改进提供参考依据,同时作为物理试验系统的辅助系统,最大程度地减少物理试验,降低研发成本,提高设计效率。1 活塞式制冷压缩机试验系统活塞式制冷压缩机性能测试试验系统原理如图1所示,试验系统主要包括:被测样机(制冷压缩机)、冷凝器、电子膨胀阀、质量流量计等。借助这个系统,通过焓差法及热平衡法可以获得被测压缩机的主要性能指标,包括:制冷量2、输出功率、能效比C O P,以及排气温度、比焓值等参数。这些参数是压缩机产品性能优化、设计改进以及定型的主要依据,决定了未来产品的性能和竞争力。第1期李响 等:活塞式制冷压缩机仿真试验系统的建立5 7 图1 活塞式制冷压缩机性能测试试验系统原理图2 活塞式制冷压缩机试验系统数学模型为了尽量减少物理试验,降低产品研发成本,缩短开发周期,需要以图1所示的试验系统为基础,建立试验系统的仿真模型,而仿真模型则以物理试验系统各组成部分的工作原理及其由此建立起来的活塞式制冷压缩机试验系统数学模型为基础。从系统仿真角度研究压缩机的数学模型,不需要准确翻译其内部工作过程,但要求准确地表达压缩机对系统参数的影响,因此,对系统进行以下假设:1)针对建模方式采用集总参数法,忽略系统中(压缩机、冷凝器、节气阀、蒸发器)阻力,忽略冷、热流体和换热器管壁在轴向的热传导;2)近似认为制冷剂、水、空气的比容和多变指数均为常数;3)制冷剂在系统中为一维流动且为均匀相流;4)不考虑润滑油相变对系统的影响。2.1 压缩机数学模型建立公式(1)为质量流量数学模型:mc o m=Vt hvi(1)式(1)中:mc o m为制冷剂质量流量(k g/s);为压缩机容积系数;vi为制冷剂压缩机入口比容值(m3/k g);Vt h为压缩机理论容积输气量(m3/s)。公式(2)为压缩机的指示功率:Pi=ps u cVt hmm-1pd i sps u cm-1m-1(2)式(2)中:Pi为压缩机指示功率(k P a);ps u c为压缩机吸气压力(k P a);m为多变指数;pd i s为压缩机排气压力(k P a);Vt h为压缩机理论容积输气量(m3/s)。压缩机实际输出功率3可通过公式(3)计算:Pe=Pimi(3)式(3)中:Pe为压缩机输入功率(k P a);i为电效率;m为机械效率;Pi为压缩机吸气压力(k P a)。2.2 冷凝器数学模型建立公式(4)为换热器传热基本方程:Q=KAtm(4)式(4)中:Q为总传热量(k J/s);K为总传热系数(kW/m2K);A为传热面积(m2);tm为平均有效温差(K)。冷却水侧流动换热方程可通过公式(5)计算:Qw=mw(hw 1-hw 2)=mwcw(t2-t1)(5)式(5)中:Qw为换热量(kW);mw为冷却水质量流量(k g/s);cw为冷却水平均比热(k J/k gK);hw 1、hw 2为冷却水入口出口处焓值(k J/k g);t2、t1为冷却水入口出口处温度(K)。公式(6)为制冷剂侧流动换热方程:Qr=mr(hr 1-hr 2)=mrcr(t2-t1)(6)式(6)中:Qr为换热量(kW);mr为制冷剂质量流量(k g/s);cr为制冷剂平均比热(k J/k gK);hr 1、hr 2为制冷剂入口出口处焓值(k J/k g);t2、t1为制冷剂入口出口处温度(K)。2.3 电子膨胀阀数学模型建立公式(7)为通过膨胀阀的质量流量4:mr=CpA2(P1-P2)(7)式(7)中:mr为进入到阀内制冷剂的质量流量(k g/s);为入口处制冷剂的密度(k g/m3);A为膨胀阀的流 通 面 积(m3);P1为 入 口 处 制 冷 剂 压 力(k P a);P2为出口处制冷剂压力(k P a);Cp为流量系数。流量系数为该根据经验公式(8)1:Cp=0.0 2 00 5+0.6 3 4v(8)式(8)中:Cp为流量系数;为入口处制冷剂的密度(k g/m3);v为制冷剂平均流速(m/s)。2.4 蒸发器数学模型建立公式(9)为制冷剂侧换热方程5:Qw=mw(hw 1-hw 2)=mwcw(t2-t1)(9)式(9)中:Qr为换热量(k W);mw为制冷剂质量流量(k g/s);hw 1、hw 2分别为制冷剂进、出口焓(k J/k g);t2、t1为制冷剂入口出口处温度(K)。3 活塞式制冷压缩机试验系统仿真模型仿真试验系统以第2节搭建的物理试验系统为原型,以第3节中建立的数学模型为理论依据,在M a t l a b/S i m u l i n k环境下,构建其相应的仿真模型6。活塞式制冷压缩机仿真试验系统的结构图如 5 8 第2 3卷 图2所示。主要包括:压缩机、冷凝器、节气阀、蒸发器4个仿真模块6。仿真试验系统的工作原理如下:压缩机模块的输入参数主要包括压缩比、进气温度、制冷剂比容、吸气压力、蒸发温度、制冷量,将压缩机输入参数输入到压缩机仿真模块当中,从而得到压缩机输出参数P m、C O P、制冷剂质量流量、蒸发温度、比焓值,并将该比焓值与制冷剂质量流量作为冷凝器输入参数进入冷凝器仿真模块,其输出参数比焓值作为节气阀输入参数进入节气阀仿真模块,其输出参数制冷剂质量流量与出口比焓值作为蒸发器输入参数进入蒸发器仿真模块,并结合试验系统测试得到的蒸发器进水温度、出水温度、工况参数蒸发温度得到蒸发器的输出参数制冷量、与比焓值,并将其作为压缩机输入参数输入到压缩机模块当中,由此完成制冷仿真系统的循环模拟。下面以压缩机仿真模块为例对各模块的具体功能和输入输出关系进行详细地介绍。图2 活塞式压缩机试验系统仿真模型图 压缩机仿真模块作为活塞式制冷压缩机试验仿真系统的重要组成部分在该仿真系统中起到至关重要的作用,本文以压缩机模块为例进行详细地介绍。压缩机仿真模块输出的P m值与C O P值都是检验压缩机性能的重要参数指标。压缩机模块输出数据由C O P值、制冷剂质量流量值、排气温度值组成,其数据结构如图3所示。图4为活塞式制冷压缩机仿真系统的压缩机仿真系统内部结构,主要由压缩机输入功率(图4中1部分)、制冷剂质量流量(图4中2部分)、排气温度3部分组成(图4中3部分),由于原理相似,以图2中压缩机模块部分为例对各模块的具体功能和输入输出关系进行详细地介绍。指示功率模块的建立是以活塞式压缩机指示功率数学模型(2)为基础,以压缩机的压缩比、实际排气量和压缩机的吸气压力作为指示功率模块的输入端(如图3),图5为指示功率模块的展开型式。首先压缩比、实际排气量和压缩机的吸气压力3个输入数据分别由S i m u l i n k中输入信号源模块库(S o u r c e s)中的输入信号模块输入到模型 第1期李响 等: