劉媛媛，王 成，周涯宸

（珠海格力電器股份有限公司，珠海519070）

GREATLAB仿真軟件在風(fēng)管送風(fēng)式空調(diào)制冷系統(tǒng)中的設(shè)計應(yīng)用

劉媛媛，王 成，周涯宸

（珠海格力電器股份有限公司，珠海519070）

用GREATLAB仿真軟件對1.5HP風(fēng)管送風(fēng)式空調(diào)制冷系統(tǒng)壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流毛細(xì)管四個主要部件進(jìn)行仿真模擬設(shè)計，代入到整個制冷系統(tǒng)的動態(tài)仿真模塊進(jìn)行仿真計算得出名義制冷工況下空調(diào)機組制冷量、功率、吸氣溫度、排氣溫度、吸氣壓力、排氣壓力等參數(shù)，并進(jìn)行實驗驗證，得出名義工況下制冷量與仿真計算制冷量誤差在5%以內(nèi)。結(jié)果表明：GREATLAB仿真軟件能夠用于指導(dǎo)商用一拖一空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計，可作為開發(fā)和優(yōu)化商用空調(diào)系統(tǒng)的有效工具。

仿真；數(shù)學(xué)模型；制冷系統(tǒng)；風(fēng)管送風(fēng)式空調(diào)

0 前言

風(fēng)管送風(fēng)式空調(diào)機組具有效率高、安裝方便、可引入部分新風(fēng)、初投資少等優(yōu)點，可應(yīng)用于酒店、商場、工廠廠房和住宅等場合［1］。風(fēng)管送風(fēng)式空調(diào)機組的開發(fā)目前主要的方法還是以實驗為主，經(jīng)驗指導(dǎo)為輔，開發(fā)的周期較長，開發(fā)成本較高。為了節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，對制冷系統(tǒng)及其部件特性的研究，就不能只通過實驗進(jìn)行，因為制冷系統(tǒng)參數(shù)多，耦合性強使得實驗研究面臨耗時長、成本高、很多參數(shù)難以準(zhǔn)確測量的問題。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，基于模型的制冷系統(tǒng)計算機仿真模擬技術(shù)在過去30年獲得了快速發(fā)展［2-4］。通過建立部件和系統(tǒng)模型進(jìn)行模擬仿真計算，可以快速地預(yù)測制冷系統(tǒng)的性能，減少樣機試制數(shù)量和實驗費用。由于制冷系統(tǒng)及部件在結(jié)構(gòu)和流動傳熱機理上的復(fù)雜性，相應(yīng)的模型都是建立在一定假設(shè)和實驗關(guān)聯(lián)式 （如換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式、摩擦系數(shù)關(guān)聯(lián)式、壓縮機容積效率關(guān)聯(lián)式等等）的基礎(chǔ)之上，所以模型都存在著一定的偏差。因此仿真模擬與實驗研究相結(jié)合的方法，成為目前開發(fā)空調(diào)機組備受推崇的方法之一。

1 GREATLAB仿真軟件數(shù)學(xué)模型

1.1 壓縮機模型

GREATLAB仿真軟件里的壓縮機模型采用的是AHRI10系數(shù)模型，這是美國空調(diào)、暖通和制冷協(xié)會AHRI制定的容積式壓縮機標(biāo)準(zhǔn)［5］提出的擬合壓縮機性能10系數(shù)模型。

式中，y代表壓縮機的冷量、能效比、耗功、質(zhì)量流量等性能參數(shù)。Te是蒸發(fā)溫度，Tc是冷凝溫度。

AHRI10系數(shù)模型不涉及任何的制冷劑物性計算和迭代以及具體的壓縮熱力過程，計算非常簡單，而且在廠商限制的工況范圍內(nèi)具有較高精度。但是AHRI10系數(shù)模型不適用于跨臨界壓縮過程，因為超臨界區(qū)不存在冷凝溫度。

1.2 冷凝器模型

風(fēng)管送風(fēng)式空調(diào)機組的冷凝器為風(fēng)冷翅片管換熱器。翅片管換熱器模型按換熱器結(jié)構(gòu)分解為以下幾個層次：翅片管換熱器模型、流路模型、換熱管模型和微元模型。將每根換熱管沿制冷劑流動方向劃分為若干個微元，如圖1。對各微元建立制冷劑和空氣的守恒方程組，求解其制冷劑和空氣的出口狀態(tài)、壓降和微元換熱量。

對每個翅片管換熱器微元，建立基本方程組。制冷劑質(zhì)量守恒方程：

制冷劑動量守恒方程：

圖1 冷凝器微元示意圖

空氣質(zhì)量守恒方程：

空氣含濕量守恒方程根據(jù)翅片表面溫度的不同分為如下兩種情況：干翅片工況，濕/霜翅片工況。干翅片工況的空氣含濕量守恒方程：

濕/霜翅片工況的空氣含濕量守恒方程為：-ma·dWa=hd·（Wa-Ww）·dAa

能量守恒方程為 （忽略管壁和翅片的導(dǎo)熱）：Qa+Qr=0

空氣能量方程：

Qa=ma（ha，in-ha，out）

空氣側(cè)換熱量方程：

Qa=εaQa，max

制冷劑側(cè)換熱量：

Qr=mr（hr，in-hr，out）

制冷劑側(cè)單相區(qū)換熱方程：

Qr=εrQr，max

制冷劑側(cè)兩相區(qū)換熱方程：

1.3 毛細(xì)管模型

節(jié)流毛細(xì)管的內(nèi)徑大概在Φ1.37-Φ2.4，長度從零點幾米到幾米，根據(jù)流量需要可以單根也可幾根并聯(lián)。

對于毛細(xì)管的某一微元，絕熱流動按照基本守恒定律有：

能量守恒方程：

式中，p，h，v，u分別為毛細(xì)管內(nèi)流體的壓力、焓、比容和流速，G表示質(zhì)流密度，ΔL和D分別為微元的長度和毛細(xì)管內(nèi)徑，f為摩擦系數(shù)：下標(biāo)1，2和m分別表示微元的進(jìn)、出口和算術(shù)平均值。

單相區(qū)的沿程阻力系數(shù)：

ε/D—相對粗糙度，可取為0.000327。

兩相區(qū)的沿程阻力系數(shù)f在單相區(qū)的計算公式里把Re數(shù)計算公式中的粘度改為兩相區(qū)的粘度。兩相區(qū)粘度：

1.4 蒸發(fā)器模型

蒸發(fā)器模型也按照翅片管式換熱器模型進(jìn)行分解，由若干個微元組成的一維流動換熱模型構(gòu)成，圖2給出了其中一個微元的示意圖。

圖2 蒸發(fā)器微元模型示意圖

對于上述微元建立如下數(shù)學(xué)模型：空氣側(cè) （或載冷劑側(cè)）能量方程：

制冷劑側(cè)能量方程：

兩側(cè)能量平衡方程：

Qa=Qr

微元換熱方程：

管壁長度：

L=Ai/（πdi）

制冷劑側(cè)壓降：

空氣側(cè)壓降：

上述公式中，Q、h、T和m分別為換熱量、焓值、溫度和質(zhì)量流量，Ai為制冷劑側(cè)換熱面積，Ao為空氣側(cè)總表面積，Ac為空氣流通截面積，σ是最小流通面積與迎風(fēng)面積之比，Gc為定義在Ac上的空氣質(zhì)量通量；下表a代表空氣側(cè)，r代表制冷劑側(cè)，i代表管內(nèi)（制冷劑側(cè)），in和out分別代表進(jìn)口和出口。平均溫差ΔTm按對數(shù)平均溫差計算。U為基于制冷劑側(cè)換熱面積的總傳熱系數(shù)。計算公式為：

式中，ai為制冷劑側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，ao為空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，RW為管壁 （含翅片）熱阻；Ai/Ao為冷凝器管內(nèi)、外換熱管面積之比，對于每一個微元可以認(rèn)為Ai/Ao都等于冷凝器總的管內(nèi)、外換熱面積之比。所有的微元模型進(jìn)行相互間參數(shù)耦合就得到了整個蒸發(fā)器的模型。

2 GREATLAB系統(tǒng)仿真的應(yīng)用

2.1 1.5HP風(fēng)管送風(fēng)式空調(diào)系統(tǒng)

1.5HP風(fēng)管送風(fēng)式空調(diào)制冷量設(shè)計目標(biāo)為3500W，系統(tǒng)循環(huán)由四個過程組成。低溫低壓的制冷劑氣體被壓縮機吸入壓縮成高溫高壓的制冷劑氣體，此過程為壓縮過程；制冷劑氣體被壓縮機排出后進(jìn)入冷凝器進(jìn)行冷卻，此過程為冷凝過程；被冷卻的制冷劑液體通過節(jié)流毛細(xì)管節(jié)流，前后焓值可認(rèn)為不變，為等焓膨脹過程；經(jīng)節(jié)流毛細(xì)管節(jié)流后的汽液混合制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)后再被壓縮機吸入，此過程為蒸發(fā)過程，如圖3所示。

2.2 壓縮機的選型設(shè)計

根據(jù)機組設(shè)計的制冷量和能效比，由廠家提供的壓縮機選型手冊選擇珠海凌達(dá)QX-23E030gA旋轉(zhuǎn)式壓縮機，單缸，氣缸名義工作容積為23.497cm3。查廠家提供的壓縮機性能曲線取不同的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下壓縮機的實測制冷量和功率共30組數(shù)據(jù)進(jìn)行建模計算，在機組設(shè)計工況冷凝溫度為52℃，蒸發(fā)溫度為5℃，過冷度12K，過熱度5K下計算結(jié)果如表1。

圖3 系統(tǒng)原理圖

表1 壓縮機建模軟件計算數(shù)據(jù)表

由壓縮機建模擬合數(shù)據(jù)可知在設(shè)計的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度下，選擇的壓縮機冷量及能耗可滿足設(shè)計要求。

2.3 冷凝器的設(shè)計

1.5HP風(fēng)管送風(fēng)式空調(diào)器冷凝器為風(fēng)冷翅片管式換熱器，根據(jù)外機殼體，風(fēng)機風(fēng)量，總換熱量，設(shè)計的冷凝溫度等參數(shù)選擇冷凝器U管長度，管徑，管排數(shù)，管間距，翅片型式，翅片間距等參數(shù)。冷凝器總散熱量可按照已選擇的壓縮機功率范圍以及機組設(shè)計的名義制冷量進(jìn)行估算。設(shè)計的冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：冷凝器長度780mm，銅管排數(shù)為1排，每排管數(shù)為20根，管間距25.4mm，排間距22mm，換熱管類型為螺旋槽強化管，銅管外徑9.65mm，銅管壁厚0.3mm，翅片類型為百葉窗片，翅片間距為1.6mm，翅片厚度為0.102mm，冷凝器分路數(shù)為2路。把冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)以及設(shè)計的冷凝器溫度，風(fēng)機風(fēng)量，冷凝器分路等參數(shù)代入到冷凝器仿真軟件中進(jìn)行計算得出換熱量為5381.7W，冷凝溫度為52.14℃，滿足設(shè)計需要。

2.4 毛細(xì)管的設(shè)計

根據(jù)制冷系統(tǒng)循環(huán)的制冷劑實際流量以及設(shè)計的高壓和低壓值，選擇毛細(xì)管管徑1.63mm，利用仿真軟件進(jìn)行計算得出毛細(xì)管長度值為823mm。

2.5 蒸發(fā)器的設(shè)計

1.5HP風(fēng)管送風(fēng)式空調(diào)器蒸發(fā)器也是冷風(fēng)型翅片管式換熱器，根據(jù)設(shè)計的制冷量和蒸發(fā)溫度對蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計選擇。初步確定蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：蒸發(fā)器長度642mm，銅管排數(shù)為3排，每排管數(shù)為12根，管間距19.05mm，排間距11.4mm，換熱管類型為螺旋槽強化管，銅管外徑5.3mm，銅管壁厚0.2mm，翅片類型為百葉窗片，翅片間距為1.5mm，翅片厚度為0.102mm。確定了蒸發(fā)器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，再選擇最佳的分路數(shù)，初步確定蒸發(fā)器分路數(shù)為2路、4路、6路，通過仿真計算擇優(yōu)選擇。

通過蒸發(fā)器仿真軟件計算得出2路換熱量為2470.3W，4路換熱為3559W，6路換熱量為4020.6W。計算結(jié)果表明6路換熱量最佳，此蒸發(fā)器可滿足設(shè)計要求。

2.6 制冷系統(tǒng)仿真計算結(jié)果

通過GREATLAB仿真軟件對壓縮機，冷凝器，蒸發(fā)器，節(jié)流毛細(xì)管四個部件進(jìn)行仿真模擬建模設(shè)計，輸出子模型文件。把子模型文件代入到制冷系統(tǒng)仿真模塊對整個制冷系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬計算，得出蒸發(fā)器流路數(shù)為2路，4路、6路的制冷系統(tǒng)仿真計算值，如表2。制冷系統(tǒng)各個模塊的仿真調(diào)整因子參照經(jīng)驗值，壓縮機流量調(diào)整因子為0.91，壓縮機功率調(diào)整因子為1.09，排氣溫度調(diào)整因子為0.78，冷凝器換熱系數(shù)調(diào)整因子為0.82，蒸發(fā)器換熱系數(shù)調(diào)整因子為1.28。

3 仿真結(jié)果的實驗驗證及分析

3.1 實驗驗證

按照GREATLAB仿真軟件對壓縮機的選型設(shè)計、冷凝器的設(shè)計、蒸發(fā)器的設(shè)計和毛細(xì)管的選型設(shè)計，試制一套1.5HP風(fēng)管送風(fēng)式空調(diào)機組，灌注量為850g，上焓差實驗臺進(jìn)行名義制冷量測試。測試目標(biāo)：制冷量≥3500W，冷凝溫度≤53℃，蒸發(fā)溫度≥5℃，排氣溫度<90℃。分別對風(fēng)管內(nèi)機蒸發(fā)器分路數(shù)為2路，4路，6路進(jìn)行名義制冷測試，匹配節(jié)流毛細(xì)管管徑和長度。為保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性，每一次測試在工況穩(wěn)定的情況下機組穩(wěn)定運行2h保存數(shù)據(jù)。

表2 系統(tǒng)仿真計算結(jié)果

3.2 實驗數(shù)據(jù)分析

通過匹配風(fēng)管內(nèi)機分液毛細(xì)管以及風(fēng)管外機節(jié)流毛細(xì)管使不同蒸發(fā)器分路數(shù)的能力達(dá)到最佳，實驗結(jié)果見表3。將實驗結(jié)果與仿真結(jié)果的數(shù)值進(jìn)行對比，繪制不同蒸發(fā)器分路數(shù)下制冷量的實驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比圖，功率的實驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比圖以及能效比的實驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比圖，如圖4至圖6。

由圖可以看出，制冷量的實驗值與仿真值誤差在1%～5%之間，功率的實驗值和仿真值誤差在5%～8%之間，性能系數(shù)的實驗值和仿真值誤差在1%～7%之間。仿真模型的建立都是基于一定的假設(shè)和簡化條件的，這些假設(shè)和簡化條件導(dǎo)致了理論計算和實際情況存在著一定的誤差，GREATLAB仿真軟件為了彌補這種不可避免的誤差擴(kuò)大化，為每個子模型設(shè)計了調(diào)整因子，這些調(diào)整因子 （如壓縮機流量調(diào)整因子，冷凝器換熱系數(shù)調(diào)整因子等）能夠幫助仿真模型盡量縮小與實際情況的誤差。

表3 實驗驗證結(jié)果

圖4 制冷量仿真計算值與實驗值對比

圖5 功率仿真計算值與實驗值對比

圖6 性能系數(shù)仿真計算值與實驗值對比

實驗結(jié)果表明：只要能夠正確的估算出換熱器實際的換熱系數(shù)，摩擦系數(shù)以及壓縮機實際的容積效率等參數(shù)，仿真模擬軟件是能夠計算得到準(zhǔn)確的結(jié)果，用以指導(dǎo)實際的制冷系統(tǒng)設(shè)計。

4 結(jié)論

利用GREATLAB仿真軟件對1.5HP風(fēng)管送風(fēng)式空調(diào)機組制冷系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，實驗驗證結(jié)果表明合理的對GREATLAB仿真模型的各調(diào)整因子進(jìn)行標(biāo)定，可以把仿真值與實驗值的誤差控制在5%以內(nèi)。各個子模型的調(diào)整因子值可以通過實驗值不斷進(jìn)行標(biāo)定、總結(jié)、積累形成一個調(diào)整因子庫方便以后進(jìn)行仿真模擬設(shè)計時隨時調(diào)用。制冷系統(tǒng)的仿真應(yīng)用在國內(nèi)企業(yè)現(xiàn)階段還處于初級階段，主要目標(biāo)是減少實驗量，而不是取代實驗。隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，仿真模擬與實驗相結(jié)合的技術(shù)研發(fā)模式也將繼續(xù)的完善、進(jìn)步，為制冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供強有力的技術(shù)保障。

［1］黃虎，李奇賀，袁冬雪，等.風(fēng)管送風(fēng)式空調(diào) （熱泵）機組制冷運行的實驗分析 ［J］.南京師范大學(xué)學(xué)報（工程技術(shù)版），2007，7（2）：29-32

［2］陳芝久，闕雄才，丁國良.系統(tǒng)熱動力學(xué) ［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1998

［3］丁國良，張春路.制冷空調(diào)裝置仿真與優(yōu)化 ［M］.北京：科學(xué)出版社，2001

［4］黃虎，李奇賀，袁冬雪，等.風(fēng)管送風(fēng)式空調(diào) （熱泵）機組制冷運行的實驗分析 ［J］.南京師范大學(xué)學(xué)報（工程技術(shù)版），2007，7（2）：29-32

［5］陳芝久，闕雄才，丁國良.系統(tǒng)熱動力學(xué) ［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1998

［6］丁國良，張春路.制冷空調(diào)裝置仿真與優(yōu)化 ［M］.北京：科學(xué)出版社，2001

［7］丁國良，張春路.制冷空調(diào)裝置智能仿真 ［M］.北京：科學(xué)出版社，2002

［8］AHRI.ANSI/AHRIStandard 540-Standard For Performance Rating of Positive Displacement Refrigerant Compressors and Compressor Units［M］.Air-Conditioning，Heating，and Refrigeration Institute.2004

GREATLAB Simulation Software Applied in the Design of Duct Type Air Conditioner

LIU Yuanyuan，WANG Cheng，ZHOU Yachen
（Gree Electric Appliances，Inc.of Zhuhai，Zhuhai519070，China）

The GREATLAB simulation software is applied in designing the duct type air conditioner with 1.5 HP capacity.An emulated design towards four main parts of the refrigeration system，i.e.compressor，condenser，evaporator and throttling capillary，is performed to have a simulating calculation.After getting and verifying the parameters of cooling capacity，power，suction and discharge temperature and pressure etc.under nominal conditions，the deviation of cooling capacity between under nominal and simulated condition is found and should be within 5% .The result shows that the GREATLAB simulation softwarewill contribute to the design of air conditioning unit，and also，it can be taken as an effective tool for developing and optimizing the commercial air conditioner.

Simulation；Numericalmodel；Refrigeration system；Duct type air condition

TU831［文獻(xiàn)標(biāo)示碼］A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.03.011

ISSN1005-9180（2015）03-059-06

2014-11-25；

2015-1-5

劉媛媛，女。研究方向：暖通制冷。Email：550933138@qq.com