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《上海交通大学》 2012年
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间冷式冰箱动态仿真通用模型及其验证

林恩新  
【摘要】:随着社会发展和人们生活水平提高,冰箱已经成为生活的必需品。冰箱为人类提供了保存食物的便利因素,但冰箱一天24小时运行也消耗大量能源。提高冰箱性能,不仅仅能为家庭节约电费,还同时响应了国家节能减排和“低碳”目标,并为人类环境的可持续发展做出贡献。而且随着中国加入WTO后,冰箱出口量急剧攀升,提升冰箱能效可更好提升中国冰箱在国外的竞争力。间冷式冰箱相对于直冷式冰箱具有自动化霜、大容量、多温区等特性,越来越受到消费者青睐。因此,提升间冷式冰箱能效势在必行。 间冷式冰箱性能研究可以通过实验和仿真两种途径实现。实验的结果可靠性好,能真实直观反映冰箱实际情况,因而成为工程技术人员深入了解冰箱性能不可缺少的手段。但是单纯进行冰箱实验研究耗时耗力,具有一定的局限性,会造成新产品开发周期过长,不利于快速抢占市场。而仿真模型可以快速预测间冷式冰箱的性能,并能较全面反应冰箱各部件间匹配关系及对系统性能的影响,同时还能基于仿真研究对冰箱进行优化设计。因此间冷式冰箱动态仿真模型能快速帮助设计人员设计新的冰箱。 本文开发了间冷式冰箱仿真通用模型,并进行了实验验证,详细研究结果如下: 1.建立基于Z传递函数的间冷式冰箱通用箱体模型。 a)通过虚拟箱室方法将风道转化为箱室,从而使含有风道的箱壁转化为普通箱壁;通过将箱体分解为简单箱室的串并联组合,进而建立间冷式冰箱通用箱体模型。 b)相对于传统直接求解微分方程方法,基于Z传递函数方法可以使速度提升了约4万倍,同时保证了两者间的计算误差忽略不计。 c)针对某具体间冷式冰箱箱体进行验证表明:仿真值与实验值最大误差为1.32 oC,平均误差为0.4oC。 2.建立间冷式冰箱蒸发器过饱和结霜模型。 a)扩展已有霜层表面水蒸气过饱和关联式,使它适用于低温差的冰箱工况。并基于改进的过饱和关联式开发了过饱和结霜模型, b)模型预测结霜量与实验测量值吻合良好,它们之间的误差小于10%。 3.建立基于实际干度分布的换热器两相区制冷剂质量计算模型。 a)首先通过分布参数模型预测两相区任意点制冷剂干度及其分布,然后引入相对长度实现通用化描述不同换热器结构和不同运行工况下两相区任意点位置,从而拟合基于相对长度的两相区制冷剂干度分布多项式模型,再推导出两相区的平均空泡系数,最终得出两相区制冷剂质量。 b)对比新模型与已有的基于干度线性分布的两相制冷剂质量计算模型的计算结果:当干度分布呈现非强非线性分布(近似线性分布或弱线性分布)时,两种模型的预测精度的差别可忽略;当两相区制冷剂干度分布呈现强非线性分布时,以分布参数模型计算结果为基准,新模型相对于已有模型的平均误差和最大误差分别为原来的59%和55%,新模型具有很好的精度;同时两种模型的计算速度相当。 c)基于干度实际分布的两相制冷剂质量计算模型的速度和基于干度线性分布的两相制冷剂质量的计算模型速度相当,它们比分布参数模型的两相制冷剂计算方法的速度快了约3个数量级。 4.建立适用于系统动态仿真的压缩机模型。 a)开发吸入气相或两相制冷剂的全封闭式压缩机准动态模型。此模型包括吸入气相或两相制冷剂与腔内制冷剂混合过程的动态模型、壳体换热过程的动态模型和气缸内制冷剂压缩过程的稳态模型。压缩机模型预测的流量和功耗与压缩机厂家提供的稳态实验数据误差在5%之内。模型预测压缩机开机过程流量和输入功率趋势与实验动态趋势一致,且误差小于10%。 b)开发基于双膜理论动态释放速率的压缩机润滑油溶解制冷剂质量计算模型。采用双膜理论建立压缩机中润滑油溶解的制冷剂在冰箱运行过程中动态释放模型。将此模型应用于冰箱动态仿真模型,冰箱动态仿真模型预测的初次开机的蒸发压力趋势与实验趋势一致。 5.建立面向过程的模块化冰箱动态仿真通用模型,并进行了实验验证。 a)根据冰箱系统的控制策略将冰箱动态仿真模型分解为多个运行模式子系统模型:R-Cycle运行模式子系统模块、F-Cycle运行模式子系统模块、PumpDown运行模式子系统模块和关机运行模式子系统模块。基于这些子系统模块模型可实现不同控制算法下冰箱性能的动态仿真。同时基于模块化建模思路,将运行模式子系统模块分解为基本部件模块,这样便于部件模块扩展和改进。基本部件模型可通过系统算法构成了运行模式子系统模块。为了保证模型的精度、速度和稳定性,子系统模块模型应由合适的部件模型和有效系统算法组成。部件模型和系统算法包括:准动态压缩机模型、基于有效焓差的毛细管近似积分模型、分区换热器模型、基于Z传递函数的箱体模型、隐式拟合显式计算的制冷剂物性快速计算方法、预测-校正算法、变时间步长算法和时间步长插值算法。 b)间冷式冰箱动态仿真模型分别与双箱室间冷式冰箱和多箱室间冷式冰箱实验数据进行验证。通过对某双箱室间冷式冰箱系统的动态性能进行模拟,预测的参数与实验测量值趋势一致并且吻合良好,冰箱蒸发压力和冷凝压力的误差小于10%,输入功率最大误差小于10%;通过对某五箱室间冷式冰箱系统的动态性能进行模拟,预测值与实验值吻合良好及趋势一致,预测箱室内空气温度最大误差为2oC,蒸发温度和冷凝温度最大误差为2oC,冰箱输入功率最大误差低于10%。预测五箱室冰箱实际运行24小时性能过程中,只需花费电脑CPU 178.3秒时间(Intel Pentium D CPU 2.66GHz; 1024MB RAM)。 最后,作者简要阐述了本文已有工作存在的不足和进一步的研究设想。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TM925.21

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