基于simulink的压缩式制冷系统动态特性分析

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1、基于Simulink的压缩式制冷系统动态特性分析李丹阳王菲周游中国矿业大学力学与土木工程学院利用移动边界法建立Y蒸发器和冷凝器的动态数学模型，并建立Y压缩机和电子膨胀阀的稳态数学模型，根据各部件间耦合关系在Simulink平台上建立了压缩式制冷循环的动态仿真模型。研究了在压缩机转速、膨胀阀开度发生变化时制冷系统的动态响应，并研究了在室内负荷发生变化，即冷冻水温度或流量发生变化吋制冷系统的动态响应，得到了制冷系统高低压两侧的压力以及蒸发过热度对这些扰动参数的动态响应。结果表明，当冷冻水温度阶跃升高rc或冷冻水流量阶跃增加20%时，蒸

2、发压力及冷凝压力都是先升高，然后经过微弱的降低后达到新的稳态。关键词：压缩式制冷;动态建模;气液两相流;变负荷;瞬态响应;其属于非线性系统，特点为干扰多、各参数耦合性强、工况变化多、惯性大，因此仅仅对其进行稳态研允mi是远远不够的，为了能够有效对其进行控制，必须对其进行动态特性研宄。在研究过程中虽然实验研究［5,6］可靠直观，但仿真研究XlziM能够有效解决在对系统动态特性了解不充分的情况下，便进行实验研宄所面临的困难，包括避免因实验失败所导致的经济损失。对于压缩式制冷系统短瞬态变化过程国内外学者都做出丫大量的研究。在研究文献中，

3、多数［11-13,15,16］着重于开发新的仿真模型以及优化仿真算法，因此并未全面给出动态响应结果，多数只给出了压缩机频率变化时系统的响应结果，且未对响应结果做出分析。而文献［14］虽然对响应结果做出了分析，但其只研宄了在压缩机频率变化吋系统的动态特性。实际上，研究压缩机频率变化吋系统动态响应的最终目的，是通过调节压缩机频率来适应不断变化的系统负荷，想要做到这一点，首先需要知道负荷改变时会对制冷循环产生何种影响，进而才能采取相应的调节措施，因此，研宄与分析负荷改变时系统的动态响应是非常重耍的。木文在Matlab/Sinulink平

4、台上建立了压缩式制冷系统的仿真模型，根据仿真结果，不但分析了在压缩机转速、膨胀阀开度发生变化时，制冷系统的动态响应结果，还对负荷发生变化，即冷冻水温度和流量发生变化时制冷系统的动态响应进行了研究与分析。研究结果旨在为中央空调系统中制冷机组的动态性能分析和自动控制策略，提供参考。2系统数学模型的建立2.1换热器数学模型本文采用移动边界法对换热器进行建模。2.1.1蒸发器数学模型将蒸发器分为两相区和过热区，其区间划分及不同区间的参数如图1所示。图1蒸发器移动边界模型Fig.1Themoving-boundarymodelofevapo

5、rator将三个棊本模型方程沿蒸发器各区间段进行积分计算并联立整合为以下形式的控制方程组：其中式中D表示由换热器模型各方程左边表达式导数项系数所组成的矩阵;f表示由换热器模型各方程右边表达式所组成的矩阵;x表示由换热器模型待求变量所组成的矩阵;w表示由换热器模型边界条件所组成的矩阵;1为换热器各区段长度，m;L为换热器总长度，m;m为制冷剂质量流量，kg/s;不标e、a、in和out代表蒸发器、环境、进口和出口参数;下标el、ewl和ew2代表蒸发器两相区、蒸发器两相区壁面和蒸发器过热区壁面参数。2.1.2冷凝器数学模型将冷凝器分

6、为过热区、两相区和过冷区，其区间划分及不同区间的参数如图2所示。图2冷凝器移动边界模型Fig.2Themoving-boundarymodelofcondenser将棊本模型方程沿冷凝器各区间段进行积分计算并联立整合为以下形式的控制方程组：其中:式中，下标c表示冷凝器;cl、c2、cwl、cw2和cw3代表冷凝器过热IX、冷凝器过热区加两相区、冷凝器过热区壁面、冷凝器两相区壁面和冷凝器过冷区壁面参数。2.2压缩机数学模型本文采用稳态法建立密闭式活塞压缩机的数学模型。在对压缩机进行建模前首先做如下假设：(1)压缩过程可看作是绝热过程

7、。(2)压缩机容积效率和等熵效率可由实验数据拟合得到［15］。式中，V表示吸气容积，m;v表示比容，m/kg;n表示压缩机转速，r/min;n表示效率^表示嫡，J/K;下标cP、s和vol分别代表压缩机、等嫡和容积参数。2.3电子膨胀阀数学模型本文采用稳态法建立丫电子膨胀阀的数学模型，对电子膨胀阀模型进行如下假设：(1)制冷剂流动为绝热流动，且流速较高；(2)制冷剂在内部做一维流动，＞1.出U气液两相混合均匀。电子膨胀阀的数学模型为:式中，C表示计算系数;下标V代表电子膨胀阀。3系统仿真模型的建立和验证压缩式制冷系统各部件模型的输

8、入输出参数与相互间的耦合关系如阁3所示，在Simulink平台上建立各部件的仿真模块并将各模块按图3所示关系进行连接,从而建立系统仿真模型。图3压缩式制冷系统各部件耦合关系图Fig.3Couplingrelationofthefourpartsof