变频离心式冷水机组在冷冻水变流量工况下仿真性能分析.docx

变频离心式冷水机组在冷冻水变流量工况下仿真性能分析王童;郝学军【摘 要】通过建立变频离心式冷水机组的数学模型,并利用 simulink 软件对数学模型进展动态求解,从而实现对变频离心式冷水机组进展仿真.进而,通过仿真得出当回温度不变时冷水机组在不同相对流量下的性能参数,通过对这些参数分析得出当冷冻水相对流量减小时,机组的蒸发温度会相应的上升,机组的 COP、冷凝温度以及蒸发器的传热系数会相应的降低.%The mathematic model of frequency conversion centrifugal chiller is established,and the Simulink is used to dynamically solve it,in order to implement the emulation of frequency conversim centrifugal chiller.Thereby,through simulating of chiller the data of chiller running at different flow rate and constant return temperature are got.By analysing those data the result can be found that when flow rate of freezing water reduces,the evaporating temperature will rise,COP,condensating temperature of chiller and heat transfer coefficient of evaporate will reduce.【期刊名称】北京建筑工程学院学报【年(卷),期】2023(027)004【总页数】5 页(P37-41)【关键词】变流量;变频;离心式冷水机组【作 者】王童;郝学军【作者单位】北京建筑工程学院环境与能源工程学院,北京 100044;北京建筑工程学院环境与能源工程学院,北京 100044【正文语种】中 文【中图分类】TU831随着国民经济的进展，现代化建筑有大型化、功能简单化、高层化的趋势，其中空调系统能耗越来越引起人们的重视 .对于传统的空调系统一次侧均承受定流量运行， 能耗较高.为了实现空调系统的进一步节能，人们越来越重视对于一次泵变流量系统的争论与应用.而且，随着工程技术的进展，一些冷水机组可以适应在冷冻水流量变化的工况下正常运行.这也使得一次泵变流量系统在实际工程中的应用与推广成为可能.本文通过仿真的方法分析了在局部负荷工况下变频离心式冷水机组的运行状况.文中所用到的仿真软件，是 matlab 中的 Simulink 软件包，它可以对用户建立的数学模型进展动态求解进而实现对物理模型的动态仿真.用户只要将simulink 中的根本模块，依据数学模型的具体形式进展连接，计算机即可识别该数学模型，并用相应的数值方法进展求解.它省去了用户传统仿真工程中的编程操作，使用户可以将更多的精力用于模型的建立.另外，simulink 具有很强的计算力量，计算快速，操作简洁.用户可以用较少的操作即可实现对微分方程、方程组等的准确求解.11 变频离心式冷水机组数学模型的描述由于离心式冷水机组可以在负荷变化时，通过转变离心机转速的方式较小制冷量， 可以使压缩机始终在较高的水利效率下工作，是现在应用较多的调整方式.因此， 本文将针对变频离心式冷水机组进展仿真.1.1 蒸发器数学模型离心式冷水机组蒸发器一般承受满液式蒸发器，由于一般的机组都配有相应的自控设备，依据负荷状况，调整机组制冷量以实现出水温度的稳定.为了简化模型，认为蒸发器出口水温恒定为 7.依据能量守恒可知，水侧得热量等于制冷剂侧的蒸发量.即式中 Tz1、Tz2冷冻水进、出口水温，; 蒸发器的散热量，w; C水的比热容，J/(kg·); M水流量，kg/s; A蒸发器的有效换热面积，; K蒸发器的传热系数，W/(m2·K).将式(1)进展整理可得:式中 Tz制冷剂蒸发温度，.另外，制冷剂侧的沸腾换热系数为2:式中 hb·z制冷剂侧的沸腾换热系数; 热流密度，w/m2; p0蒸发压力，kPa; s管间距，m;d0管外径，m.冷冻水侧对流换热系数承受下式进展计算3: 当 Re2 100 时(层流区)当 2 100Re104 时(过度流区)当 104Re 时(紊流区)式中 hi冷冻水侧的对流换热系数; i壁温校正系数;普朗特数;雷诺数; i冷冻水导热系数，W/(m·K); di管道内径，m.冷冻水侧与制冷剂侧的传热系数可以承受下式进展计算2:式中 K制冷剂侧与水侧的传热系数; R oil油膜热阻，m2·K/w;R fou污垢热阻，m2·K/w; Rp管壁热阻，m2·K/w; Ao管外外表积，m2; Ai管内外表积，m2; A管内外外表积的平均值，m2.1.2 变频离心式压缩机数学模型变频离心式压缩机，在自控设备的掌握下可以依据冷水机组的冷负荷的变化调整压缩机转速.压缩机始终维持在较高的水利效率区内工作.压缩机的实际功率为:式中 W压缩机实际功率，w;h1压缩机进口气体焓值，J/kg; h2压缩机出口气体焓值，J/kg; M压缩机排气量，kg/s; 压缩机效率.压缩机实际能量头为4:式中 W”压缩机实际能量头，J/kg; u2压缩机出口处圆周速度，m/s; 压力系数.压缩机出口处的圆周速度为4:式中 n压缩机转速，r/min; d2叶轮直径，m;由于冷水机组的自控设备，可以依据实际冷负荷状况转变压缩机转速，压缩机在运行过程中的水利效率根本保持不变.另外，离心式压缩机的压力系数 约等于压缩机效率 .因此可认为压力系数 为定值.将式(10)带入式(9)进展整理可得:另外，压缩机的实际能量头还可以表示为4:1.3 冷凝器数学模型离心式冷水机组冷凝器一般承受卧式管壳式冷凝器.冷却水流量保持不变.假定冷却水进水温度恒定.冷凝器的散热量为:式中 Qe冷凝器的散热量，w.依据能量守恒可知，冷却水得热量等于制冷剂侧与冷却水侧的传热量，它们都等于冷凝器的散热量，即:式中 QT压缩机排气量，m3/s; 2压缩机出口处安装角，° b2压缩机轮宽，m; 排挤系数.将(10)式代入(12)式中整理可得压缩机的实际排气量为4: 式中 Te1、Te2冷凝器进出口水温，.制冷剂侧的冷凝换热系数为2:式中 hc制冷剂侧的冷凝换热系数; 热流密度，w/m2; 制冷剂导热系数，w/(m·K); 制冷剂密度，kg/m3; r制冷剂比潜热，J/kg; l定型尺寸，m; 制冷剂的动力粘度，m/s2.另外，冷凝水侧对流换热系数 hi 可由公式(4(6)求出，制冷剂侧与水侧的传热系数可由公式(7)求出.2 用 simulink 对数学模型求解建立好数学模型后，即可依据 simulink 规定方式连接方框图进而对数学模型进展求解.首先依据蒸发器的数学模型建立蒸发器子模块，即图 1 中的蒸发器子模块.在这个子模块内部还包含了求解水侧对流换热系数的子模块、求解传热系数的子模块以及用于近似制冷剂饱和温度与饱和压力之间函数关系的 lookuptable 模块等. 从图 1 中可以看出蒸发器子模块有两个输入接口用于输入冷冻水流量值和回水温度值，另外还有两个输出接口用于输出当前工况下的制冷量及蒸发压力.之后，建立冷凝器子模块，即图 1 中的冷凝器子模块.其内部构造与蒸发器子模块相像.从图1 中可以看出，冷凝器子模块具有两个输入端口，用于输入冷却水流量及冷凝器冷却热量.除此之外，冷凝器子模块还具有一个输出端口用于输出冷凝压力.最终，依据离心式压缩机的数学模型建立离心式压缩机子模块.从图 1 中可以看出，离心式压缩机子模块(见图 1)具有两个输入端口分别用于输入蒸发压力(P1)和冷凝压力(P2).此外，它还具有一个输出端口用于输出压缩机功率.在该子模块内部包括了几个 lookup table 模块，事先将压焓图中的数据输入到这些模块中，即可在仿真过程中将外部输入的蒸发压力与冷凝压力转换成压缩机进、出口焓值.进而依据公式(8)(13)即可求出压缩机实际功率.然后，如图 1 所示，将这三个子模块进展连接.在整个系统求解过程中，蒸发器子模块可以依据输入的流量值，直接计算出制冷量与蒸发压力.而离心式压缩机子模块与冷凝器子模块在求解中相互耦合，求解压缩机子模块时需要冷凝压力，而求解冷凝器子模块时又需要冷凝器冷凝热量.因此，这两个子模块需要相互协作共同求解.如图 1 所示，整个系统嵌入在 dowhile 子模块内，它可以实现类似于语言中dowhile 的规律循环功能.首先借助 memor 模块输出一个冷凝压力的初始值 P2. 进而求解出冷凝器冷凝热量，输入到冷凝器的输入接口从而可以计算出的冷凝压力 P”.将 P”与 P 进展比较，假设两者的相对误差不在 1%以内，则将 P”2 传入memory 模块，进展下一次迭代.否则，就可以认为 P”2 即为真值.通过这种方式， 即完成了对全部数学模型的求解.图 1 离心式冷水机组模型最高层方框图3 变流量离心式冷水机组的性能分析为了分析离心式冷水机组在局部负荷下的运行状况.故将一个 signal builder 模块与图 1 中的 1 号输入端口进展连接，用于输入冷冻水流量参数.通过设定 signal builder 模块中的相关参数，使流量信号从 100%线性减小到 30%，从而可以便利地观看出机组各局部参数变化状况.运行仿真，可得到如图 2 至图 5 所示的仿真结果.从图 2 中可以看出，随着流量的减小，Cop 也会相应的减小，且减小的速率渐渐增大.这主要是由于，在流量减小的同时，蒸发器的传热系数也会相应的下降， 且下降速率渐渐增大(如图 3 所示).因此，流量降低影响了蒸发器中制冷剂对载冷剂的换热效率.进而，降低了整个冷水机组的效率.此外，从图 4 中可以看出，当冷冻水流量减小时，蒸发温度会相应的上升.依据公式(1)可以看出，为了保持冷冻水出水温度恒定，当冷冻水流量减小时，等式最右边的项(K·A·T)也要相应的减小.当冷冻水流量下降时，虽然传热系数 K 会相应减小，但是减小的程度，缺乏以满足总传热量的降低，因此，平均传热温差 T 也要相应减小.由于冷冻水侧的平均温度根本保持恒定，因此，蒸发温度会随冷冻水流量减小而相应上升.图 2 冷水机组 Cop 与冷水机组相对流量的对应关系图 3 蒸发器传热系数K 与冷水机组相对流量的对应关系从图 5 中可以看出，当冷冻水流量减小时，冷凝温度会相应下降.这是由于，冷凝器的冷凝热量等于蒸发器制冷量与离心式压缩机功率之和.当冷冻水流量下降时， 冷水机组的制冷量与压缩机功率都会减小，因此冷凝器的总传热量也会相应减小. 从公式(16)可以看出，冷凝热量减小时，冷却水出水温度会相应将低，又由于冷凝器传热系数根本不变，因此，冷凝热量减小必会导致平均传热温差减小，从而也会导致冷凝温度下降.图 4 蒸发温度与冷水机组相对流量的对应关系图 5 冷凝温度与冷水机组相对流量的对应关系4 结论通过 simulink 对变频离心式冷水机组的仿真可以看出，当冷冻水流量减小时，冷水机组的 Cop 蒸发器的传热系数以及冷凝温度会相应的减小，而蒸发温度会相应上升.而且，还可以看出在肯定范围内减小冷冻水流量，冷水机组的 Cop 不会大幅度的减小.另外，假设在工程中考虑使用一次泵变流量系统时，还必需做具体的经济型分析.以考察在局部负荷下，整个暖通空调系统总能耗是否下降，运行是否节能.参考文献:1 李颖，薛海滨，朱伯立，等.simulink 动态系统建模与仿真:2 版M.西安: 西安电子科技大学出版社，2023:3902 詹启森，石文星，田长青.空气调整用制冷技术:4 版M.北京:中国建筑工业出版社，2023:741183 赖周平，张荣克.空气冷却器M.北京:出版社，2023:25304 菜增基，龙天渝.流体力学泵与风机:4 版M.北京中国建筑工业出版社， 2023:287326