冯达 李明华

摘要

讨论了制冷类家电产品工质循环过程热力学基础、分析和计算、系统建模，并对仿真软件流程进行了分析。

【关键词】工质循环 仿真 系统建模 算法

对制冷系统工质循环热力学特性的研究，一般有试验和仿真两类研究方法。试验可以直接获得部分工质循环温度、压力、过冷度、过热度等主要特性，是使用较为广泛的一类方法。但是，制冷系统参数多、各项参数之间相互耦合，使得试验研究周期长、成本高，此外制冷系统内部的状态参数难以准确测量。随着计算机仿真的发展，通过仿真计算，可以快速地预测或计算制冷系统的状态参数及其性能，减少样机试制数量和检测费用。应用仿真技术研究制冷系统可以预测很多试验不能测量的参数，还可以优化和调整制冷系统及部件，因此仿真模拟相对于试验研究具有显著优势。现阶段，采用试验验证与仿真模拟结合的方式，发挥仿真技术和试验技术各自的优势，可以减少试验，节省人力物力，提高检测效率。

1 热力学基础

根據热力学第二定律，热量是不会自动地从低温物体转移到高温物体上去的，利用物质状态或性质变化，使自身温度降低，能够从较低温度的物体（低温热源）吸取一定的热量Q1，通过一个消耗功W的补偿过程，向较高温度的物体（高温热源）放出热量Qh，并且在数量上符合热力学第一定律：Ql+W=Qh。为了实现制冷功能，还必须利用工质的相变，不断地做功实现从低温热源吸热，向高温热源放热，从而获得更低的温度。

大多数制冷类家电产品属于单级压缩制冷系统，由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器四大要件组成，实现的制冷循环分为四个过程压缩过程、冷凝过程、节流过程、蒸发过程。

压缩过程完成从蒸发器出来的气体工质经压缩机压缩，工质的温度和压力急剧升高。压缩机排出的气体工质变成过热度较大的气体。压缩过程压缩机消耗一定的功，工质工质的熵值不变。

冷凝过程实现从压缩机排出的高温高压过热气体工质，进入冷凝器与冷却水或空气进行热交换，使过热气体工质逐渐变成饱和，进而变成饱和液体工质，冷凝过程中压力保持不变。

节流过程实现从冷凝器出来的液体工质经过膨胀阀节流，成为低温低压的气体工质，节流过程工质焓值不变。

蒸发过程通过膨胀阀截流后的低压气体工质，在蒸发器中从周围介质吸热制冷。从蒸发器出来的气体工质成为稍有过热度的过热气体。在蒸发过程中，工质的温度和压力保持不变。

压缩、冷凝、节流、蒸发四个过程依次不断循环，达到持续制冷目的。制冷系统中的液体工质在蒸发器中蒸发，变成气体工质，该气体工质又被压缩机压缩后导入冷凝器中，从而气体工质再被冷凝成为液体工质。

2 热力学特性分析和计算

工质在不同状态时具有不同的特性。用压焓图表示工质的特性比较合适。在温度、压力、比体积、焓、熵等参数中，只要知道其中任意两个状态参数，就可以在压焓图中确定其状态点，其余参数便可直接从图中读出。

图1是适用于大多数制冷类家电产品的单级压缩制冷循环的压焓图，其中Pk是冷凝压力、P0是蒸发压力、tk是冷凝温度、tO是蒸发温度；状态点0是蒸发器出口、状态点1是压缩机吸气口、状态点2是压缩机排气口、状态点5是节流装置入口、状态点6是蒸发器入口。

从状态0到状态1是蒸发压力下的吸气过程，保持一定的过热度是压缩机安全运行所必需的。

从状态1到状态2是等熵压缩过程，状态2点的温度是压缩机的排气温度，两状态点的焓差是压缩机作功大小的主要参数值，因此应尽量减少两点间的距离才能节约能源。

从状态2到状态3是等压放热过程，气体工质放出显热，排气温度t2降至冷凝温度tk，状态仍为气体，无相态变化。

从状态3到状态4是工质放出潜热液化的过程，冷凝压力Pk、冷凝温度tk恒定，此过程占冷凝段放热量的80%以上。

从状态4到状态5是液体工质继续散热，冷凝温度tk降至过冷温度t5，无相态变化，过冷是提高制冷量的重要措施。

从状态5到状态6是等焓节流过程，通过节流装置，冷凝压力Pk降至蒸发压力P0，由液体变为气液共存的状态。

从状态6到状态0是等温等压吸热汽化过程，蒸发压力P0与蒸发温度tO为相对应，两状态点间的焓差大小主要取决于蒸发温度的高低。在不影响要求的条件下，应尽量提高蒸发温度以提高制冷量。

单位质量制冷量q0：lkg工质在蒸发器内所吸收的热量，在压焓图中，可用状态1和状态5两点的焓差表示。

单位容积制冷量qv：lm3工质在蒸发器内所吸收的热量。

vl：吸气状态时工质的比体积（m3/kg）

单位压缩功wO：压缩机绝热压缩lkg工质所消耗的功。在压焓图中，可用状态点2和状态点1两点的焓差表示。

制冷系数ε：循环的单位制冷量与单位压缩功之比。

单位冷凝热量qk：lkg工质在冷凝器中放出的热量。在压焓图中，可用状态2和状态4的两点的焓差表示。

3 仿真系统建模

仿真是指通过研究一个能代表所研究对象的模型来代替对实际对象的研究，是在计算机上用数字形式表达实际系统的运动规律。仿真技术主要包括四个步骤，即：系统建模、选取仿真算法、建立仿真模型、分析与评估结果。

建立系统模型是系统仿真的首要问题，是制冷系统和制冷过程热力学特性的一种简化表现形式，能提取和反映出制冷系统和制冷过程的状态参数变化规律。

仿真算法在压缩、冷凝、节流、蒸发四个循环过程仿真起着核心和支撑作用。通常要求仿真算法不仅效率高、耗时少，而且也能得到比较高的精度，。

仿真模型是指把制冷系统工质循环过程分解为一系列基本过程和事件，并按过程和事件的逻辑关系把它们组合在一起。仿真模型是被仿真对象的相似物或其结构形式。

保证仿真模型及参数有效性的措施是要求参与仿真计算的参数尽量实测，但由于一些状态参数是通过查询工质热物性参数在离线条件下完成的，不能准确反映制冷各个过程在线运行时的动态特性，并且对所有过程参数进行实际测量也是不现实的，因此模型参数的实际测量并不能完全保证模型及其参数的有效性。

为使仿真达到一定的精度，计算的步长不能太大，但计算的步长太小又使得计算量加大、仿真运行过程增加，这就提出了精度与快速性之间的矛盾。尤其对于制冷过程任意中间状态点进行数字仿真时，仿真时间太长将会使仿真失去实际意义。而对任意中间状态点的数字仿真，由于状态参数限制，计算步长取得很小，这就加长了仿真时间，将会引起计算的不稳定，这对于仿真都是不利于进行的。

因此在实时仿真情况下，为了解决计算速度与计算精度这一对矛盾时，首先以计算速度为主要矛盾，在制冷系统仿真的过程中要求在满足计算稳定性及工程要求精度的条件下，尽可能的提高仿真的计算速度，如采用高速计算机，采用执行速度快的编程语言以及采用快速仿真算法等措施。

4 软件仿真流程

软件仿真部分首先输入结构参数，包括换热系数、比热容、冷源温度、热源温度、管道长度、管道直径等；然后调用工質物性参数；进行制冷系统初始化；分别对压缩机、毛细管、冷凝器、蒸发器以及箱体进行仿真计算；判定仿真精度和仿真时间是否满足要求；程序循环进行迭代运算；输出结果。

5 结束语

本文借助仿真技术能够方便快捷的进行工质循环过程改变参数后的制冷性能和能耗情况的对比研究，从而高效地实现制冷类家电产品的调控和干预，能够实现提高制冷类家电产品的开发过程或检测过程效率的目的。通过建立制冷系统模型进行仿真模拟，可以快速地仿真制冷系统的动态状态参数，预测很多试验难以测量的状态参数，还可以进一步优化制冷系统性能及部件的设计参数，从而减少试验，节省人力物力，提高检测效率。

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