换热器及制冷系统仿真培训教材课件.ppt

1、路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索2022年6月9日星期四换热器及制冷系统仿真换热器及制冷系统仿真培训教材培训教材 1、总体介绍、总体介绍 3.1、模型介绍、模型介绍 培训内容培训内容： 3.2、算法设计、算法设计 4、仿真平台搭建、仿真平台搭建 2、数据模型、数据模型 3、部件理论模型、部件理论模型 2.1、压缩机性能曲线、压缩机性能曲线 2.2、大金、大金EXCEL程序程序 1、总体介绍、总体介绍发展现状发展现状 最早由美国开利公司于上世纪最早由美国开利公司于上世纪60年代开展相关研究；年代开展相关研究； 上世纪上世纪70-80年代国外高校、研究机构开始发表相关

2、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、研究成果（美国橡树林实验室、NIST、马里兰大学）；、马里兰大学）； 我国最早于上世纪我国最早于上世纪80年代末开始于高校（陈芝久年代末开始于高校（陈芝久-制制 冷系统热动力学初探）；冷系统热动力学初探）； 上世纪末随着计算机技术发展，制冷仿真技术发展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 高校为主高校为主 ； 研究方向研究方向稳态仿真稳态仿真动态仿真动态仿真制冷系统仿真制冷系统仿真系统动态特性与控制策略，系统动态特性与控制策略，

3、由于制冷系统动态仿真复杂度高，目前主要在商业软由于制冷系统动态仿真复杂度高，目前主要在商业软件（件（Dymola、SimulationX、MWorks）基础上进行二次开发，模型简单）基础上进行二次开发，模型简单，适用于适用于中央空调，如约克在中央空调，如约克在Dymola进行二次开发进行二次开发系统优化系统优化 ，需建立系统部件理论模型，需建立系统部件理论模型，模型成熟，理论成熟且复杂。模型成熟，理论成熟且复杂。如开利如开利Simtools、特灵、特灵T-Rex、同济、同济GREATLAB、美国橡树林实验室美国橡树林实验室MARK 性能预测、系统匹配性能预测、系统匹配 ，无需建立系统无需建立系

4、统部件模型，完全基于实验数据反推。部件模型，完全基于实验数据反推。如大如大金金EXCEL程序程序 数据模型数据模型部件理论模型部件理论模型优点：优点： 简单实用、快速计算简单实用、快速计算 适合轻商非标准工况下数据的获取（客户需求）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、性能预测系统机型匹配、性能预测缺点：缺点： 基础数据没有，需要测量多个压力点，工作量巨大基础数据没有，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）不能做深入分析，不能用于系统优化（如流路优化）数据模型数据模型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通过标况的

5、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标准工况下的性能数据优点：优点： 无需大量实验数据支持，只需修正相关关联式即可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：缺点： 理论要求高、编程理论要求高、编程难度（算法设计）难度（算法设计） 准确性与稳定性完善准确性与稳定性完善部件理论模型部件理论模型针对各部件建立理论模型，输入针对各部件建立理论模型，输入各部件参数（如换热器排数、铜管各部件参数（如换热器排数、铜管翅片规格、压缩机型号、

6、连接管尺寸、毛细管参数等）、工况参数翅片规格、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直接计算获得性能数据部件理论模型发展历程部件理论模型发展历程MIT（1976，Hiller & Glicksman）美国橡树林实验室美国橡树林实验室ORNL（1978，Ellison & Creswick）美国标准技术研究院美国标准技术研究院NIST（1979，Domanski & Didon）至今至今至今至今开利公司（开利公司（90年代）年代）至今至今张春路（张春路（2006）马里兰大学（马里兰大学（1995， Rossi）至今至今 2、数据模型、数据模型 2.1、压缩机性能曲线

7、、压缩机性能曲线压缩机性能曲线压缩机性能曲线输入：蒸发温度、冷凝温度、频率输入：蒸发温度、冷凝温度、频率输出：质量流量、电流、功率、制冷量输出：质量流量、电流、功率、制冷量压缩机性能曲线压缩机性能曲线测试条件：冷媒测试条件：冷媒R410A 、电压、电压 220V、频率、频率30Hz/60Hz/90HzAHRI标准测试工况标准测试工况 ：过热度：过热度11.1 、过冷度、过冷度8.3定定频压机频压机-10系数模型系数模型 （AHRI标准）标准） Te：蒸发温度；蒸发温度；Tc：冷凝温度；冷凝温度；c1-c10：系数系数x：输入功率、质量流量、制冷量、电流值：输入功率、质量流量、制冷量、电流值变频

8、变频压机压机-15系数模型系数模型Te：蒸发温度；蒸发温度；Tc：冷凝温度；冷凝温度；fr：频率；：频率；c1-c15：系数：系数x：输入功率、质量流量、制冷量、电流值：输入功率、质量流量、制冷量、电流值压缩机性能曲线拟合压缩机性能曲线拟合压缩机性能曲线推演压缩机性能曲线推演m标准标准:已知蒸发温度、冷凝温度、频率，通过压已知蒸发温度、冷凝温度、频率，通过压机拟合公式机拟合公式计算出的质量流量计算出的质量流量标准标准 :标准工况下压机进口比容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（实测压机进口压力对应饱和温度+过过热度热度11.1 ）实际实际 :实际实际工况工况下压机进口比容下

9、压机进口比容 （实测压机进口温度）实测压机进口温度）压缩机性能曲线推演压缩机性能曲线推演Q标准标准:已知已知蒸发温度、冷凝温度、频率，通过压机拟合公式计算出蒸发温度、冷凝温度、频率，通过压机拟合公式计算出的能力值的能力值h2标准标准 :标准工况下压机出口焓值标准工况下压机出口焓值 （实测进口压力对应饱和温度（实测进口压力对应饱和温度+过过热度热度11.1 ，实测压降出口压力），实测压降出口压力）h1标准标准 :标准工况下压机进口焓值标准工况下压机进口焓值 （实测进口压力对应饱和温度（实测进口压力对应饱和温度+过热度过热度11.1 ，实测压降进口实测压降进口压力压力）h2实际实际 :实际实际工况

10、工况下压机出口焓值下压机出口焓值 （压机进口熵值，实测压机出口压力（压机进口熵值，实测压机出口压力 ）h1实际实际:实际实际工况工况下压机进口焓值下压机进口焓值 （压机进口熵值，实测压压机进口熵值，实测压机进口压力）机进口压力） 2.2、大大金金EXCEL程序程序黑箱子黑箱子黑箱子黑箱子节节流流装装置置冷凝器（例如：冷凝器（例如：A型号型号）蒸发器（例如：蒸发器（例如：B型号型号）压压缩缩机机输入参数（实测数据输入参数（实测数据）制冷量制冷量功率功率各节点温度、压力各节点温度、压力输出输出参数参数A冷凝器系数、压损冷凝器系数、压损B蒸发器系数、压损蒸发器系数、压损排气排气管压损、热损管压损、热

11、损吸气吸气管压损、热损管压损、热损功率修正系数功率修正系数有效冷媒循化量有效冷媒循化量理论计算理论计算某个工况下，例如：某个工况下，例如：35/24 27/19仿真思路仿真思路-逆运算逆运算321456hP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。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。P1P2P3P4P6T1T2T3T4T6质量流量h1h6Qslossh2h3QDlossh4Qch5Qe风侧实测能力内风机功率冷媒侧能力有效循环量压缩机功率外机功率功率修正系数内侧内侧湿球外侧外侧干球冷凝器KA值蒸发器KA值外风机功率仿真思路仿真思路-逆运算逆运算黑箱子黑箱子黑

12、箱子黑箱子节节流流装装置置冷凝器（例如：冷凝器（例如：A型号型号）蒸发器（例如：蒸发器（例如：B型号型号）压压缩缩机机输出参数（仿真数据输出参数（仿真数据）制冷量制冷量功率功率各节点温度、压力各节点温度、压力输入输入参数参数A冷凝器系数、压损冷凝器系数、压损B蒸发器系数、压损蒸发器系数、压损排气排气管压损、热损管压损、热损吸气吸气管压损、热损管压损、热损功率修正系数功率修正系数有效冷媒循化量有效冷媒循化量理论计算理论计算其他任意工况，例如：其他任意工况，例如：35/22 27/15仿真思路仿真思路-正正运算运算321456hP压缩机功率P1P2吸气管阻力系数冷媒质量流量P6过热度T6h6排气管

13、阻力系数P3P4过冷度T4h4Qe蒸发器KA值T6s（由风侧求得）P6（由风侧求得）h1吸气管漏热量T1排气管漏热量冷凝器KA值Qch3h2T2压缩机多变指数或入热系数制冷量内电机功率T3s（由风侧求得）P3（由风侧求得）赋初始值赋初始值制热量仿真思路仿真思路-正正运算运算仿真思路仿真思路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标准工况下的性能数据 3、部件理论模型、部件理论模型 3.1、模型介绍、模型介绍空调制冷系统模型组成空调制冷系统模型组成1.物性计算模型物性计算模型2.压缩机

14、模型压缩机模型 （转子式）（转子式）3.蒸发器、冷凝器模型蒸发器、冷凝器模型4.节流元件模型节流元件模型 （毛细管、节流阀）（毛细管、节流阀）5.其他模型（储液罐、四通阀、配管等）其他模型（储液罐、四通阀、配管等）空调制冷系统模型组成空调制冷系统模型组成物性计算模型物性计算模型计算方法计算方法优点优点缺点缺点状态方程法状态方程法参数范围广、精度高参数范围广、精度高计算速度慢，临界点不稳定性计算速度慢，临界点不稳定性曲线拟合法曲线拟合法计算速度快、稳定性好计算速度快、稳定性好针对不同制冷剂需拟合对应公式针对不同制冷剂需拟合对应公式 仿真仿真快慢取决于物性快慢取决于物性计算时间，占整个制冷系统仿真

15、时间的计算时间，占整个制冷系统仿真时间的90%； 综合综合考虑计算精度、速度及考虑计算精度、速度及稳定性，优选曲线拟合法；稳定性，优选曲线拟合法； 现成的物性计算软件（现成的物性计算软件（REFPROP、CoolProp）采用状态方程法，可直接）采用状态方程法，可直接调用计算，但计算速度较慢；调用计算，但计算速度较慢； 湿空气一般采用理论湿空气一般采用理论公式公式计算；计算；压缩机模型压缩机模型输入：蒸发温度、冷凝温度、频率输入：蒸发温度、冷凝温度、频率输出：质量流量、电流、功率、制冷量输出：质量流量、电流、功率、制冷量定定频压机频压机-10系数模型系数模型 （AHRI标准）标准） Te：蒸发

16、温度；蒸发温度；Tc：冷凝温度；冷凝温度；c1-c10：系数系数x：输入功率、质量流量、制冷量、电流值、能效：输入功率、质量流量、制冷量、电流值、能效变频变频压机压机-15系数模型系数模型Te：蒸发温度；蒸发温度；Tc：冷凝温度；冷凝温度；fr：频率；：频率；c1-c15：系数：系数x：输入功率、质量流量、制冷量、电流值、能效：输入功率、质量流量、制冷量、电流值、能效压缩机性能曲线（压缩机性能曲线（厂家提供）厂家提供）蒸发器、冷凝器模型蒸发器、冷凝器模型集中参数模型集中参数模型：模型简单、不能考虑流路分布、空气分布影响，适用于性能：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；预测

17、；分布参数模型分布参数模型：模型复杂、考虑流路分布、空气分布影响，适用于性能：模型复杂、考虑流路分布、空气分布影响，适用于性能优化优化；节流元件模型节流元件模型 节流元件流动机理复杂，如闪蒸、雍塞等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；标准推荐关联式模型；输入：进口参数、内径、长度输入：进口参数、内径、长度输出：质量流量输出：质量流量输入：进口参数、内径（长度）、质量流量输入：进口参数、内径（长度）、质量流量输出：长度（内径）输出：长度（内径）毛细管（节流阀）设计毛细管（节流阀）设计系统仿真系统仿真其他模型其他模型 包括连接管、四通阀、储液罐、风机模型包括连接管

18、、四通阀、储液罐、风机模型； 具体具体结构差异较大，结构差异较大，一般进行简化处理；一般进行简化处理； 模型模型需能反映各部件需能反映各部件对系统对系统压降、换热压降、换热等参数等参数的影响的影响； 3.2、算法设计、算法设计（1）连续性方程）连续性方程 （前一部件质量流量等于后一部件质量流量）（前一部件质量流量等于后一部件质量流量）（2）能量守恒）能量守恒方程方程 （前一（前一部件出口焓值等于部件出口焓值等于后一后一部件进口焓值）部件进口焓值）（3）动量守恒）动量守恒方程方程 （前一（前一部件出口压力等于部件出口压力等于后一后一部件进口压力）部件进口压力）（4）系统充）系统充注注量守恒量守恒

19、 （系统充注量（系统充注量=系统各部件充注量之和）系统各部件充注量之和）方程组成方程组成算法算法优点优点缺点缺点联立法联立法通用性好、效率高，适合复杂制冷系统通用性好、效率高，适合复杂制冷系统 程序不易调试程序不易调试顺序法顺序法程序容易调试程序容易调试不适合复杂制冷系统不适合复杂制冷系统求解方法求解方法 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；针对复杂系统（如中央空调），建议用联立法进行求解；（1）产品设计）产品设计 已知：蒸发器过热度、冷凝器过冷度已知：蒸发器过热度、

20、冷凝器过冷度 求：整机充注量求：整机充注量 毛细管长度毛细管长度 制冷量制冷量 压缩机功率压缩机功率（2）性能预测）性能预测 已知：已知：整机充注整机充注量、毛细管长度量、毛细管长度 求：蒸发器过求：蒸发器过热度热度 冷凝器冷凝器过冷度过冷度 制冷量制冷量 压缩机功率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一（产品设计）系统稳态算法流程二（性能预测、优化）系统稳态算法流程二（性能预测、优化）顺序法求解思路顺序法求解思路结果标定结果标定参数参数调整因子调整因子说明说明制冷量制冷量压缩机流量调整因子压缩机流量调整因子系统制冷量主要由压缩机大小决定系统制冷量主要由压缩机大小决定总功耗总

21、功耗压缩机功耗调整因子压缩机功耗调整因子压缩机功耗占系统功耗大部分压缩机功耗占系统功耗大部分饱和吸气温度饱和吸气温度蒸发器换热系数调整因子蒸发器换热系数调整因子影响直接影响直接饱和排气温度饱和排气温度冷凝器换热系数调整因子冷凝器换热系数调整因子影响直接影响直接压缩机吸气过热度压缩机吸气过热度毛细管流量系数调整因子毛细管流量系数调整因子影响直接影响直接毛细器过冷度毛细器过冷度系统制冷剂充注量修正值系统制冷剂充注量修正值高压、高密度段对过热度影响最大高压、高密度段对过热度影响最大 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；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； 4、仿真平台

22、搭建、仿真平台搭建 基于部件理论模型基于部件理论模型仿真平台搭建仿真平台搭建制冷系统基制冷系统基础仿真础仿真换热器路设换热器路设计仿真计仿真搭建制冷系统搭建制冷系统仿真平台仿真平台可仿真整个制冷系统的运行特性，但可仿真整个制冷系统的运行特性，但换热器模型换热器模型采用集中参数模型采用集中参数模型，不能，不能仿真冷媒及风场分布不均的仿真冷媒及风场分布不均的影响影响（初步完成）（初步完成）换热器采用分布参数模型，用户换热器采用分布参数模型，用户可可自行编辑流路，可进行换热器设计自行编辑流路，可进行换热器设计，可仿真冷媒及风场分布不均的，可仿真冷媒及风场分布不均的影影响（初步完成）响（初步完成）将制

23、冷系统基础仿真与换热器流路设计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仿真结合搭建制冷系统仿真平台（待完成）（待完成）仿真平台搭建仿真平台搭建制冷系统基础仿真流程制冷系统基础仿真流程1.主循环主循环 预先计算：Preconditioners.m 循环计算：cycle_solve.m （主程序）2.部件调用部件调用 （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_zhan

24、g.m3.翅片侧计算（翅片侧计算（Airside_cal） 平片传热与压降计算：wang_plainfins.m 开窗翅片传热与压降计算： wang_louveredfins.m 桥片传热与压降计算：wang_slitdoublefins.m 波纹片传热与压降计算：wang_wavyfins.m 湿翅片传热与压降调整： DryWetSegment.m4.制冷剂侧计算制冷剂侧计算 （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

25、_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.m5.冷媒与空气物性计算冷媒与空气物性计算 （Properties_cal） 冷媒物性计算：Props.mexw64、PropsSI.mexw64 空气物性计算：HAProps.mexw64制冷系统基础仿真程序制

26、冷系统基础仿真程序换热器流路设计仿真换热器流路设计仿真流程流程EVSIM.mEVPHX2.m1.主主循环程序循环程序 系统主循环：EVSIM.m 计算主循环：EVPHX2.m （主程序）2.数据读取数据读取 （Data_read） 换热器流路信息：read_data_evap.m 制冷剂信息：read_data_refrigerant.m3.空气侧与制冷剂媒分配不均计算（空气侧与制冷剂媒分配不均计算（Distri_cal） 结合换热器流路预估冷媒分配：TRACE3.m 基于各路压降相等对流量进行调整：BALFL1.m 确定各管对应的空气分布： DISTR2.m 分叉处的冷媒分配计算：FRACT

27、.m 空气水力直径计算：HYDDIA.m3.空气空气侧计算（侧计算（Fin_correction） 平片传热与压降计算：wang_plainfins.m 开窗翅片传热与压降计算： wang_louveredfins.m 桥片传热与压降计算：wang_slitdoublefins.m 波纹片传热与压降计算：wang_wavyfins.m 湿翅片传热与压降调整： DryWetSegment.m 翅片效率计算：FINEF2.m 空气经过换热器的水力直径计算：HYDDIA.m 湿翅片总的传热系数计算： OVLWET.m 空气侧传热系数计算：AIRHT3.m4.制冷剂侧计算制冷剂侧计算 （Ref_cor

28、rection） 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：ShahCondensation_Average.m 冷凝压降计算：Kedzierski_c_pdrop.m 蒸发传热计算：ShahEvaporation_Average.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.m5.冷媒与空气物性计算冷媒与空气物性计算 （Property_cal） 冷媒物性计算：Props.mexw64、PropsSI.mexw64 空气物性计算：HAProps.mexw64 湿空气物性计算：AIRPR.m 空气混合物性计算：MIXAIR.m 水及结霜物性计算：WATPR.m 换热器流路设计仿真程序换热器流路设计仿真程序