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空調(diào)器制冷系統(tǒng)的最佳匹配計(jì)算

欄目：企業(yè)新聞編輯：CEO 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò) 熱度：0 日期：2023-01-03

信息摘要：

摘要本文采用可變?nèi)莶顑?yōu)化方法

，將制冷系統(tǒng)性能系數(shù)COP值作為目標(biāo)函數(shù)，以蒸發(fā)器、冷凝器

、毛細(xì)管的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及制冷劑充港灌量為優(yōu)化變量

，對(duì)房間空調(diào)器系統(tǒng)的幾大部件進(jìn)行了最佳匹配計(jì)算，使之能效比顯著提高

，達(dá)到了節(jié)能目的

。1.前言近年來(lái)，盡管對(duì)制冷設(shè)備中的基本現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)已比較清楚

，但目前空

空調(diào)器制冷系統(tǒng)的最佳匹配計(jì)算

　　摘要本文采用可變?nèi)莶顑?yōu)化方法

，將制冷系統(tǒng)性能系數(shù)COP值作為目標(biāo)函數(shù)，以蒸發(fā)器

、冷凝器

、毛細(xì)管的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及制冷劑充港灌量為優(yōu)化變量，對(duì)房間空調(diào)器系統(tǒng)的幾大部件進(jìn)行了最佳匹配計(jì)算

，使之能效比顯著提高

，達(dá)到了節(jié)能目的。

　　1.前言

　　近年來(lái)

，盡管對(duì)制冷設(shè)備中的基本現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)已比較清楚

，但目前空調(diào)器生產(chǎn)廠家基本上還是采用傳統(tǒng)的類比設(shè)計(jì)方法，著重強(qiáng)調(diào)與企業(yè)的設(shè)備條件和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的一致

，達(dá)到在一定程度上的系統(tǒng)匹配

。然而，面對(duì)現(xiàn)今能源及資源的緊張狀況

，類比設(shè)計(jì)方法起來(lái)越暴露其不適應(yīng)性

，特別是制冷劑替代所引起的制冷系統(tǒng)的性能變化，若通過(guò)試驗(yàn)來(lái)解決

，不但要消耗大量人力

、物力和財(cái)力，還可能受到試驗(yàn)條件的限制而達(dá)不到滿意的結(jié)果

，但運(yùn)用制冷系統(tǒng)的模擬的優(yōu)化思想改進(jìn)其設(shè)計(jì)方法

，即可減少試驗(yàn)的盲目性，更可提高系統(tǒng)部件間的匹配特性

，達(dá)到事半功們的效果

。目前，對(duì)制冷系統(tǒng)四大部件中的每個(gè)部件的優(yōu)化研究工作已有大量文獻(xiàn)報(bào)道

，但最優(yōu)化設(shè)計(jì)的部件組合成系統(tǒng)后不一定能實(shí)現(xiàn)整機(jī)性能最優(yōu)

。本文的目的是對(duì)一個(gè)分體壁掛式空調(diào)器制冷系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)匹配。首先建立各部件的工作過(guò)程模擬計(jì)算模型

，再通過(guò)各關(guān)件間的能量和質(zhì)量的耦合關(guān)系建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

，在驗(yàn)證模擬計(jì)算正確的基礎(chǔ)上，采用可變?nèi)稳宋ㄓH左優(yōu)化方法

，將制冷系統(tǒng)性能系數(shù)COP值作為目標(biāo)函數(shù)

，以蒸發(fā)器、冷凝器、毛細(xì)管的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及制冷劑充灌量為優(yōu)化變量

，對(duì)空調(diào)器系統(tǒng)的幾大部件進(jìn)行了最佳匹配計(jì)算

，計(jì)算結(jié)果表明優(yōu)化后的COP值較原始值提高8.07%，制冷量提高了3.77%

，功率消耗降低了3.79%

，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目標(biāo)。

　　2.制冷系統(tǒng)工作過(guò)程模擬

　　冷系統(tǒng)工作過(guò)程模擬的目的是為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳匹配和工作過(guò)程控制自動(dòng)化

，故模擬模型應(yīng)準(zhǔn)確

、可靠。通常用用穩(wěn)態(tài)集中參數(shù)法比較粗糙

，且不抻于了解系統(tǒng)各部特征

。本文則采用穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)法。

　　2.1蒸發(fā)器和冷凝器的模擬

　　制冷劑在蒸發(fā)器和冷凝器中的流動(dòng)分別是飽和態(tài)及過(guò)熱態(tài)

、飽和態(tài)及過(guò)冷態(tài)

，通常在兩器的換熱計(jì)算在均將每一狀態(tài)作為整體采用平均換熱公式，雖然考慮了單相和兩相流體在傳熱上的差異

，但實(shí)際上在所劃分的每一區(qū)域內(nèi)傳熱系數(shù)和制冷劑溫度是不相同的

。本文則采用分步計(jì)算法，在假設(shè)出口參數(shù)的條件下

，應(yīng)用質(zhì)量守恒

、動(dòng)量守恒和能量守恒方程進(jìn)迭代計(jì)算，得出制冷劑的溫度

、壓力和干度的變化情

。

　　2.2毛細(xì)管的模擬

　　毛細(xì)管的結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但管中制冷劑的流動(dòng)比較復(fù)雜

，是一個(gè)從液體單相流的“閃蒸”過(guò)程

，且存在汽化滯后的非熱力學(xué)平衡現(xiàn)象，該現(xiàn)象對(duì)毛細(xì)管內(nèi)制冷劑流量和出口參數(shù)等都有較大影響

。本文根據(jù)諸多文獻(xiàn)中R22的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)文南非[1]的模型作了修正

，比較滿意地反映出R22閃點(diǎn)延遲與毛細(xì)管內(nèi)徑、入口過(guò)冷度等的關(guān)系

。毛細(xì)管進(jìn)出口參數(shù)仍采用分步參數(shù)法，借助三大守恒方程聯(lián)立迭代求解

。

　　2.3壓縮機(jī)的模擬

　　本文的空調(diào)器制冷系統(tǒng)中采用滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)

，對(duì)其工作過(guò)程的瞬態(tài)模擬仍借助三大守恒方程，綜合考慮了氣缸與外界的熱交換

、氣體的泄漏

、氣閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、運(yùn)動(dòng)部件的摩摩等諸因素對(duì)壓縮機(jī)工作性能的影響，使其更接近壓縮機(jī)的實(shí)際工作過(guò)程

。文獻(xiàn)[2]給予詳細(xì)的敘述

。

　　2.4制冷系統(tǒng)的模擬

　　制冷系統(tǒng)模擬計(jì)算框圖，是以質(zhì)量流量及系統(tǒng)充灌量作為計(jì)算收斂的判據(jù)

，與文獻(xiàn)[3]比較

，其優(yōu)點(diǎn)是選取的初值對(duì)收斂速度及計(jì)算精度的影響較小，并且顧及了充灌量的影響

。

　　3.制冷系統(tǒng)最佳匹配

　　作者在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了制冷系統(tǒng)模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好的基礎(chǔ)上

，建立了制冷系統(tǒng)幾大部件間的最佳匹配優(yōu)化模型，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的制冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目的

。3.1優(yōu)化參數(shù)

　?div id="4qifd00" class="flower right">

。?）目標(biāo)函數(shù)及設(shè)計(jì)變量

　　本文的目標(biāo)函數(shù)取：

　　Fx=1/COP

　　COP值為能效比

。

　　設(shè)計(jì)變量如下：制冷劑充灌量M

　　冷凝器的翅片間ec

；管外徑doc；單根管長(zhǎng)lc

；迎面風(fēng)速uc

；

　　蒸發(fā)器的翅片間距ee；管外徑doe

；單根管長(zhǎng)le

；迎面風(fēng)速ue；

　　毛細(xì)管長(zhǎng)Lcap

。

　　這里暫且沒(méi)考慮壓縮機(jī)的優(yōu)化

，并取毛細(xì)管內(nèi)徑為定值。

　?div id="d48novz" class="flower left">

。?）約束條件

　　顯性約束如下：

　　1.5mm≤ec≤3.0mm,1.5mm≤ee≤3.0mm,

　　6.0mm≤doc≤12.0mm,6.0mm≤doe≤12.0mm,

　　0.5m≤lc≤1.2m,0.5≤le≤0.75m,

　　1.0m/s≤uc≤3.0m/s,0.5/s≤ue≤3.0m/s,

　　0.6m≤Lcap≤1.8m,

　　500g≤M≤1000g

。

　　為了計(jì)算的方便，將上述約束作無(wú)量綱處理

。

　　另外對(duì)材料消耗及噪聲指標(biāo)提出限制

，冷凝器和蒸發(fā)器優(yōu)化后的重量應(yīng)不大于樣機(jī)重量，噪聲的控制是通過(guò)限制空氣流過(guò)蒸發(fā)器時(shí)流動(dòng)阻力來(lái)實(shí)現(xiàn)的[4]

。

　　3.2優(yōu)化方法

　　因?yàn)榭照{(diào)器制冷系統(tǒng)工作過(guò)程的模擬計(jì)算量很大

，目標(biāo)函數(shù)、約束條件和設(shè)計(jì)變量間存在著復(fù)雜的線性或非線性或非線性關(guān)系

，故本文采用可變?nèi)莶顑?yōu)化方法

。該方法的特占領(lǐng)是初始多面體的頂點(diǎn)不要求為可行點(diǎn)，無(wú)需計(jì)算梯度

，因而運(yùn)行簡(jiǎn)便

。搜索開(kāi)始階段只需松散滿足約束

。隨著搜索的進(jìn)行，約束違背程度逐漸減小

，只有接近最優(yōu)解時(shí)

，才能求滿足全部約束。因此

，搜索不僅能在可行域中進(jìn)行

，而且能在近似可行域中進(jìn)行。同那些要求嚴(yán)格滿足可行性的優(yōu)化方法比較

，大大節(jié)省計(jì)算時(shí)間

，另外，還可以利用公差準(zhǔn)則數(shù)作為搜索結(jié)束的準(zhǔn)則

。

　　3.3優(yōu)化結(jié)果

　　圖2示出房間空調(diào)器系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)種中目標(biāo)函數(shù)和優(yōu)化變量的變化趨勢(shì)

。從圖中可以看出目標(biāo)函數(shù)（曲線8）的優(yōu)化過(guò)程。初始階段迭代收斂很快

，目標(biāo)函數(shù)值迅速下降

，在可行解編號(hào)超過(guò)50之后，目標(biāo)函數(shù)值已與降得極小

，各優(yōu)化變量也基本上穩(wěn)定在一個(gè)固定值

。表1給出系統(tǒng)初始方案及優(yōu)化結(jié)果優(yōu)化后房間空調(diào)器制冷量為2340W時(shí)，耗功為760W

。能效比為3.08

，較之優(yōu)化前提高了8.07%。制冷量較優(yōu)化前提高了3.77%

。功耗降低3.79%

。優(yōu)化后的蒸發(fā)器和冷凝器的傳熱成積略有增大，而毛細(xì)管長(zhǎng)度及沖灌量均減小

。該結(jié)果對(duì)實(shí)際工程設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義

。

　　需要指出的是，在房間空調(diào)器制冷系統(tǒng)的優(yōu)化計(jì)算中

，由于目標(biāo)函數(shù)

、約束條件和設(shè)計(jì)變量之間是較為復(fù)雜的隱含非線性關(guān)系，故所行優(yōu)化結(jié)果是局部最優(yōu)解

，是與初始點(diǎn)位置有關(guān)的

。另外，表1中設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)值與A規(guī)定的系列標(biāo)準(zhǔn)值并有相符

，需對(duì)優(yōu)化值進(jìn)行圓整或標(biāo)準(zhǔn)化

。為此，需要利用“子空間優(yōu)化”方法

，對(duì)某些設(shè)計(jì)孌量圓整或標(biāo)準(zhǔn)化

。然后再通過(guò)比較多個(gè)局部最優(yōu)解，得出最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)

。

　　4.結(jié)論

　?div id="d48novz" class="flower left">

。?）將能效比作為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)

，可使各部件間達(dá)到最佳匹配

，其能效比顯著提高。

　?div id="d48novz" class="flower left">

。?）所用的優(yōu)化計(jì)算程序具有較強(qiáng)的通用性

，可用于采用滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的各種制冷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)有同設(shè)計(jì)變量和約束條件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

。

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