变频制冷系统的数值模拟及特性分析

    1 引言

    目前,人们对制冷系统的动力运行数值模型缺乏充分的理解。这些模型,如稳态模型,一般是基于模块化的形式,即把制冷系统的各个组成部分分割开来做成模型。在非稳态运行时,热交换设备对系统特性影响非常大,因为它们在刚开始运行时几乎储存了所有的制冷剂。一般来讲,在研究制冷系统的动力特性时,应该将热交换设备用非稳态模型来对待,而把膨胀阀及压缩机视为稳态工况。各个分散的模型通过进出口的统一连接便构成了一个可以求解的制冷循环。

    本文的主要目的是提出两个数值模型来模拟变频蒸气压缩式制冷系统的动力特性和稳态运行特性,所用的制冷剂是R12及R134a。

    2 数学模型

    模拟的整个系统为:制冷剂为R12及R134a,系统由开启式变频压缩机、手动膨胀阀、蒸发器、冷凝器和过冷器等部件组成。冷凝器是由两个同心圆铜管构成的套管式冷凝器,制冷剂在管内流动,冷媒水在内外管圆环之间流动,两者为逆流。蒸发器是由一个外壳内置三根铜管构成的壳管式冷凝器。制冷剂在三根管内流动,用水、乙烯和乙二醇组成的混合物作为冷却剂在外壳内流动,两者为逆流。

    2.1 压缩机

    为了计算出压缩机出口处的质量流量及焓值,本文采用的模型不考虑压缩内部质量的变化,认为进出口的质量流量是相等的。压缩机制冷剂质量流量m1f用以下公式计算:

    式中 N—压缩机的转速

    V—气缸的工作容积

    ρf—进口处的制冷剂密度

    ηv—容积效率

     容积效率ηv用以下公式计算:

    式中 ccv—压缩机进口处的气体体积比容

    ccp—压缩机进口处的气体压力比容

    cr—余隙容积系数

    pe—蒸发压力

    pc—冷凝压力

    压缩机出口处的焓值是在假设压缩过程为等熵条件下计算得到的,压缩机进、出口处制冷剂焓值的不同是由压缩效率决定的,假设其在所有系统运行状态点下等于70%。

    2.2 膨胀阀

    热力膨胀阀容积很小,研究时视其膨胀过程为绝热的、内部制冷剂流量不变的等焓过程。制冷剂流量用以下公式计算:

    式中 k—膨胀阀的特性常数

    Δp—冷凝压力与蒸发压力之差

    ρf—膨胀阀入口处的制冷剂密度

    2.3 换热器

    套管式蒸发器和壳管式冷凝器的几何尺寸比较条理化,两相区域比较复杂,故选择分布模型来描述。在该模型中,换热器被分成许多不同的控制单元,在每个控制单元内应用质量、能量及动量守恒,并使用局部换热系数可以得到与实际情况更一致的结果。