空调系统稳态仿真

房间空调器的系统分析及稳态仿真（2009/05~2011/05出站报告）陶宏目录•1.概述•2.热力过程系统的模块化建模方法•3.制冷循环稳态仿真的联立模块法•4.部件模块–4.1.吸气过热度修正的压缩机性能模型–4.2.储液器储液机理模型•5.总结1.概述—研究目的•开发房间空调器稳态仿真软件，应对“匹配实验工作量大、周期长、人工多、费用高”问题，为压缩机匹配提供技术支持和服务。1.概述—发展概况1.概述—仿真活动过程及问题房间空调器数学模型系统仿真模型问题域映射物理对象仿真实验物理实验验证&标定求解域程序化算法算法设计仿真模型模块用户建模数理建模1.概述—仿真技术指标•更壮→更快→更准•更通用、更易用•更高开发质量和效率模型算法仿真模型速度准确性健壮性通用性易用性1.概述—应用•演示及培训•新产品性能估算（如热泵干衣机）•新工况性能估算•揭示局部（或内部）细节参数：每排管的凝露量、出风状态、内部的制冷剂分布量等2.早期开发方法存在的问题•开发建模和用户建模混合在一起，对用户建模人员的能力要求太高；•专门开发，需要重头做起，开发时间较长；•专门开发的程序，许多参数嵌在程序中；如果系统的结构参数发生变化，或把模型用于其他结构系统仿真时，修改模型比较困难，有时不得不重新编写全部或部分程序，难以适应要求的变化；•可重用性差，重复性工作多，增加了劳动成本；•软件专用，使用和验证不充分，可靠性不易保证；•一个大型系统的建模仿真工作需要多人甚至多个团队（物理模型、数学算法、软件等方面）合作，由于缺乏统一的系统划分规范和接口标准，模型间连接和调试难度大；热力过程系统的模块化建模方法这种“从头到尾、专门开发、专用”的建模方法难以实现专业化分工和社会化协作，难以继承积累前人的劳动成果和知识，不能适用于需求变化的大型系统的建模仿真。2.热力过程系统的模块化分解与综合•系统分解的基本原则–模块应具有独立的物理功能（对应一定热力过程），与实际设备或子系统对应，物理意义明确，模块内部功能与其他模块无关；–模块应具有数学独立性（除接口涉及的变量以外，其他变量都是模块内部变量）与其他模块无关，可以独立地进行分析和验证；–模块应具有规范定义的边界或接口（最好与实际的工质进/出口、能量进/出口对应)，使模块之间容易连接；而且要严格控制需要用户操作的模块之间信息交换的数目。热力过程系统基本热力过程基本模块基本热力过程模型热力过程系统模型接口规范化建模系统连接系统分解对应于面向对象的组件概念2.制冷循环的4层模块框架2.部件模块（componentmodular）•部件模块表示–输入（input，已知条件）•F_M（Port1,Port2,…）=0式1-2–输出（output，求解结果）按照已知、求解的不同划分为：压力边界；流量边界；2.接口（Port）2.连接（Link）2.部件模块2.流动换热模块2.物性模块3.制冷循环模型或结构（即模块间连接关系）3.制冷循环的求解算法比较3.制冷循环的求解算法：联立模块法3.制冷循环的求解算法：联立模块法•带参数ω的Newton迭代法–以实际迭代步长减小为代价，提高算法的健壮性3.制冷循环的求解算法：联立模块法3.制冷循环的求解算法：联立模块法局域收敛通过模块化建模及联立模块算法，有效解决了开放共享与知识产权保护之间的矛盾，实现了专业化分工和社会化协作。3.制冷循环的求解算法：联立模块法•数值同伦延拓法–以增加计算量为代价，拓展迭代初值收敛域范围，提高易用性；结构0工况0结构1工况1物理同伦数学同伦3.制冷循环的求解算法：延拓法收敛点收敛点3.制冷循环的求解算法：延拓法4.1.吸气过热度修正的压缩机性能模型(,1)(,1)ssSHpshhpxTcpx14106G938Vieosd521211()SHssatsTTTp4.1.吸气过热度修正的压缩机性能模型0.840.8450.850.8550.860.8650.87-20-15-10-505101520吸气过热度（K）容积效率（-）0.960.940.980.920.620.6250.630.6350.640.6450.650.6550.660.665-20-15-10-505101520吸气过热度（K）电效率（-）0.960.940.980.92变过热度制冷剂分布量与过热度的关系050100150200-5051015过热度(C)制冷剂分布量(g)Gas@(45,5)Liquid@(45,5)Gas@(54.4,7.2)Liquid@(54.4,7.2)Gas@(60,-5)Liquid@(60,-5)Gas@(30,-5)Liquid@(30,-5)Gas@(60,15)Liquid@(60,15)Gas@(30,15)Liquid@(30,15)容积效率仅在正过热度区不用修正，电效率仅在正过热度区不用修正，()()VsrefVsrefnWWn()()srefrefsrefWhPPWh4.2.储液器模型•假设–由于壳体内外皆自然对流换热，忽略通过壳体的传热，即绝热；–液相颗粒完全分离，没有被气流“夹带”直接进入出气管；–不考虑“泡沫化”的影响；–被分离的液体通过回液孔流出，当液面高于出气管顶部（P0）时，多余的液体“溢流”直接进入出气管；–不考虑回液孔的节流效应；–回液孔的流量按照孔口经验模型计算；•原理–分离的液相流量=回液孔液相流量4.2.储液器模型5.总结—主要结论1.引入热力过程系统概念，应用模块化方法提出制冷循环4层模块框架；逻辑关系清晰、可共享重用、易维护、开放可扩展；便于实现制冷循环系统仿真开发工作的专业分工与社会协作，提高开发的质量和效率。2.制冷循环稳态仿真的联立模块法及延拓法，融合了顺序模块法和联立方程组法的优点，广域收敛、易用性好，值得进一步探讨。3.压缩机模型考虑了吸气过热度（x=0.9,25K）修正，制冷剂质量流量精度可以提高5%；压缩机模型考虑了压缩机中制冷剂分布量，更真实地反映了制冷剂分布情况。4.储液器储液机理模型，能够计算不同吸气状态（x=0.9,25K）时制冷剂分布量，可以更准确地仿真回气带液工况。1.建立考虑油循环率的压缩机性能估算模型；系统模型中考虑冷冻油质量守恒。2.通过实验验证与完善储液器模型，搞清楚最高液位与制冷剂质量流量、干度之间的关系，搞清楚液相的分离规律。3.建立标定方法，并通过实验验证与标定翅片管换热器模型。4.进一步探讨翅片管换热器稳态仿真的联立模块法。5.总结—近期研究计划5.总结—主要成果•陶宏，梁小伟，刘春慧，杨军；R22/4GS混合物物性估算方法；上海日立电器有限公司技术秘密201002；•陶宏，杨军，叶柯嘉，刘春慧；吸气储液器稳态储液模型；《流体机械》；录用；•陶宏，杨军，刘春慧，叶柯嘉，胡长更；滚动转子压缩机变吸气过热度性能；《制冷学报》；批注稿；•陶宏，陶乐仁，杨军，叶柯嘉，刘春慧；制冷循环稳态仿真的联立模块法；《制冷学报》；投稿；致谢•上海日立电器有限公司、上海理工大学、浦东新区博后办；•同济大学GREATLAB提供的技术培训、换热器及系统仿真软件；谢谢大家！