制冷装置循环性能模拟计算方法

水源热泵是以水作为热源和热汇的热泵系统，可分为地下水热源热泵和地表水热源热泵两大类，就目前的现状而言，水源热泵还没有获得和空气源热泵一样的广泛应用，原因有以下两点：一方面是水源热泵的投资较高、水源的获取受到限制；另一方面，目前为止还缺乏一种可靠的水源热泵设计方法和计算模型。水源热泵的运行特性必须与建筑物的空调负荷特性相匹配，存在着负荷平衡的问题。

本文通过对现有的水源热泵模拟方法的分析和比较，根据空调制冷系统几个主要部件的运行特点，建立了一组水源热泵稳态性能的计算模型，通过模拟得出R22和R22/R142b在同一热泵机组相同工况下的性能，从理论和实验上验证混合工质的节能理论，得出相应工质可能的性能效果，为进一步的实验研究提供理论依据。

1模型建立1.1制冷空调系统循环性能模拟计算方法实际制冷系统是一个融合了传热传质的复杂的动态过程。从系统性能模拟的角度来看，制冷系统的几个主要部件可以分为三类热力模型：**类是蒸发器和冷凝器，它们属于换热器部件，其中储存了一定量的制冷剂，模拟结果的准确性直接影响着系统制冷剂储液量分配的计算结果，但对系统的流量没有直接的影响。第二类是膨胀阀和压缩机，它们属于系统中压力调节部件，直接决定着系统的蒸发压力和冷凝压力。储液器可以归为第三类，它储存了整个系统中的大部分制冷剂，对整个系统的动态性能有着很大的影响，但并不要求详细了解其中的传热传质过程，仅计算储液器的总体状态和进出口参数。

由于蒸发器和冷凝器在制冷系统中是很重要的，对它们的研究也很活跃，分别建立了一些相应的数学模型，总体上可分为4种：黑盒子模型、单一区域模型、两区域模型和分布参数模型。水源热泵的蒸发器和冷凝器都是采用循环水作为载体，在两区域模型的基础上，考虑了两相区气液滑移产生的动量交换和质量交换，建立的一组无因次数学模型。对于压缩机和储液器，一般都忽略其内部复杂的传热传质过程，认为压缩机容积中制冷剂均匀分布，储液器中制冷剂处于饱和状态，整个容积壁面处于相同温度下，建立集中模型（Lumped Model）。

节流装置有毛细管、热力膨胀阀等，通常把热力膨胀阀看成一个节流装置。

1.2系统简介水源热泵系统示意图如所示，其具体参数如下：冷凝器：采用套管式换热器（外加保温层），铜管外径φ0＝10 mm，内径φi＝8 mm；塑料套管内径φ＝18 mm；总长为10 m.采用每2 cm一个结点，沿管长共取500个结点。

蒸发器：采用类似蒸发器的套管式换热器，总长为8.46 m，沿管长共取423个结点。采用热力膨胀阀，其中感温包中的制冷剂的温度对应于蒸发器出口温度的响应。压缩机：旋转式压缩机，n = 2 980 r/min，压缩机理论排量V = 2.16×10 -6 m 3 /r.储液器：容积为V = 4.75×10 -4 m 3。四通换向阀。

1.3系统模型系统模型的目标是在已知系统结构参数、换热器进出口水温和流量的基础上，分别建立各个部件的数学模型，*后求得系统的稳态运行性能。

1.3.1换热器模型换热器是制冷空调系统中的主要换热设备，它包括蒸发器和冷凝器两大主要部件。对于水源热泵来说，常采用套管式（小负荷）换热器和管壳式换热器（大负荷），实验中选取套管式的，制冷剂走管程，载热（冷）剂走壳程，所以换热器的动态数学模型应包括管内侧制冷剂、管外侧水和金属管壁三个部分。

**部分为管内侧制冷剂的数学模型。（4）对于均相流体来说，上述式（1）（4）中的取值分别为0或1，其中R q为制冷剂与管壁的换热量：tp，in tp（）R w qαT T =。

（5）第二部分为管壁的数学模型：认为管内、外壁温度相等，采用集中参数法建立管壁热平衡方程。d（）（）d w R i R w a o w a T C M A T T A T T t =α。 （6）第三部分为载冷（热）剂水的数学模型，可以作出如下假定：流体为不可压缩流体；流体流动为一维流动；流体的粘性作用很小，略去粘性耗散项；沿流动方向的导热，质量方程：d（）πd a a o a M d Dωx =。

　 （8）1.3.2压缩机模型压缩机是整个系统的核心部件，实验中采用容积式压缩机。由于压缩机内的制冷剂处于气态，在此作如下处理：简化为一个理想的绝热过程除80%.

压缩机的排气量：th v R s V m v=λ，（9）其中：输气系数vλ，包括压缩机的容积系数cλ、压力系数pλ（取1）、预热系数Tλ和泄漏系数Dλ（取0.98）的修正，νs为压缩机的进入气体密度，V th为压缩机理论容积输气量。

1.3.3热力膨胀阀模型制冷剂流过热力膨胀阀的过程可视为等焓过程，忽略其本体热容变化的影响，则通过膨胀阀的流量计算：st（） （）i c e b e m C p ρ，（11）其中C为膨胀阀的特性系数，ρi为膨胀阀制冷剂密度，p b为感温包的压力，p st为由膨胀阀弹簧提供的静压。

1.3.4储液器模型制冷剂流过储液器的压力降较小，可以认为其进口蒸气的焓值与出口蒸气的焓值相等，把储液器看成一个整体，且整个壁面保持在同一温度下，采用集中参数法建立如下的数学模型。储液器质量方程：d ac c e m t 。

（12）储液器能量方程：dd ac e e ac w ac c c m h T m h t = +α。

（13）储液器壁面的温度变化：d（）d w o a w ac w ac T C M T t =α。（14）1.3.5四通换向阀模型四通换向阀主要通过改变气流通道而使气体流动方向发生变化，从而达到改变气动执行元件运动方向目的。制冷剂在四通阀中，从高压侧向低压侧的泄漏量可表示为：（）L c e L C p p m=μ，（15）其中C L为泄漏系数。

2计算方法与结果分析2.1计算方法稳态计算主要用于预测一定工况下制冷系统稳定运行时所表现出来的系统性能，从而反映压缩机、冷凝器、储液器、四通换向阀、热力膨胀阀和蒸发器各部件之间的耦合关系。实际制冷系统是一个封闭的循环回路，其表征工质特性的物理量，既是系统某部件的输出量，同时又是系统下一个部件的输入量，因而可以很方便地得到系统和各部件工作参数的耦合关系。一般采用上游边界点值代替内部结点相应的参数值，对各微分项采用向前差分，对时间项采用隐式格式。

纯工质R22和混合工质R22/R142b（按质量成分46.3：53.7）的热物性参数计算，采用改进的PT方程，并假定初始参数：蒸发器出口过热度同为5℃；T c、T e的选取原则：纯工质取冷凝压力和蒸发压力所对应的饱和温度，混合工质取冷凝压力对应的泡点温度、蒸发压力对应的露点温度。

2.2计算结果与分析为了检验上述模型的准确性，文中采用一套小型水源热泵装置的实验数据与其对应环境参数的模拟计算结果进行了对比，结果见表1.对比数据包括蒸发器和冷凝器的出口水温、整个系统的制冷量、耗功量和对应的性能系数COP值。从表中的计算结果与实验结果对比可以看出，蒸发器和冷凝器出口水温的平均误差小于0.62℃，制冷量和耗功的误差小于9.95%和8.7%，说明所建立的计算模型的精度比较高，能够较好地预测系统的稳态性能。

3结论本文对水源热泵系统建立了其各部件相应的数学模型，根据系统中各部件参数间的变化关系，通过对蒸发温度T e、冷凝温度T c进行合适的调整，模拟结果与实验结果对比表明，本文所建立的数学模型，可用于多参数空调系统稳态特性的计算机模拟，为水源热泵系统结构的优化设计和*优控制提供了一种较完整的动态模拟方法。

考虑到非共沸混合工质存在温度滑移现象，在建立换热器模型中都采用了分布参数模型，从表1可以看出，计算精度控制在10%以内，可以适用于热泵系统的模型设计中以及系统的性能优化计算。