制冷系统混合仿真平台设计

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3.0 赵德峰 2024-11-11 4 4 1.5MB 71 页 15积分

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摘要

制冷设备普遍应用于我们生活的各个方面，而空调制冷系统作为一种能够改

善人们生活和工作环境的设备逐渐成为与我们的日常生活密不可分的必需品之

一。随之而来的空调能耗总量逐年增大，使得空调的节能优化设计已成为当今社

会的重点研究问题之一。

计算机仿真技术不仅可以作为实现制冷空调产品设计的现代化手段，也是实

现空调优化节能设计的重要方法之一。本文针对制冷系统仿真过程的需要，基于

Fortran 程序语言分别建立了典型单级制冷系统部件的稳态数学模型和动态数学模

型，在此基础上又提出了一种新型混合仿真方案，并借助 Matlab 软件仿真方法实

现了两种软件的混合仿真，探讨了不同工况下空调系统的性能变化，为实际机组

的运行提供理论指导。

本文首先建立了空调制冷系统的稳态数学模型，利用模块化思想对空调系统

稳态过程进行了求解分析。

在稳态数学模型的基础上，本文建立了动态数学模型，并且详细描述了换热

器动态仿真算法流程。深入分析了各部件之间参数的耦合关系，建立了制冷系统

的动态仿真算法。利用建立的系统模型对空调系统进行了开机和室内外温度发生

阶跃变化时压缩机输入功率、制冷量和制冷系数的变化过程仿真计算，并将计算

结果与文献数据进行比较，就参数变化趋势的角度分析，动态数学模型的建立和

求解方法均是正确的。

然后，又提出一种空调制冷系统混合仿真实验方案设计，详细描述了仿真机

和实物下位机之间的连接方式。随后，在 Matlab 平台下建立了制冷系统的仿真模

型，通过实例验证制冷系统的起动过程、稳态运行、动态过渡过程和扩展功能等

方面的可靠程度。通过基于两种平台的混合仿真，使其能够灵活应用与不同设备

部件和不同系统匹配的空调制冷系统的仿真，直观地实现系统参数匹配优化、负

荷匹配优化、起动过程优化以及控制优化等功能。

总之，本文对空调制冷系统的动静态特性进行了较为深入的研究和分析，运

用混合仿真思想建立了一种新的仿真方法，并进行了仿真研究，为制冷系统的设

计和研发过程提供了新思路。

关键词：制冷系统空调器动静态特性混合仿真

ABSTRACT

Refrigeration equipment has been widely used in all aspects of our lives. Air

conditioning refrigeration system is becoming a necessity in people live as a way to

improve people’s living and working environment. Air-conditioning energy-saving

optimization design has become one of priorities for research, because the energy

consumption from air conditioning increases year by year.

Computer simulation has become a modern means to achieve the design of air

conditioning products and it’s one of the important methods to improve the refrigeration

system match. This article establishes the mathematical model of a typical single-stage

refrigeration system of the steady-state and dynamic mathematical model based on the

needs of the refrigeration system simulation process. A new simulation method that is

the hybrid simulation is provided. In this paper the study about the performance of the

air conditioning system under different working conditions provide theoretical guidance

for the actual operation of the unit.

Firstly, the steady-state mathematical model of the air conditioning is established

in this paper, analyze the air conditioning system steady state process using the modular

thought.

Dynamic mathematical model is established on the basis of steady state

mathematical model, and heat exchanger dynamic simulation algorithm is described in

detail. Refrigeration system dynamic simulation algorithm is established after analyzing

the coupling relationship of the parameter between the various components. The process

of the compressor power, refrigerating capacity and coefficient of performance is

simulated when the air conditioning switches and step change of the outdoor

temperature occurs. The dynamic mathematical model and solving method is correct

after comparing the calculation results with the literature date from the point of view of

the variations.

Air conditioning system hybrid simulation experimental device is established for

the first time, this paper details the way of the connection between the physical machine

and simulator. The MATLAB software imitates the working process of the hybrid test

platform, verifies the reliability of the starting process, the steady-state operation, the

dynamic transition process and extended functionality. In order to the program can be

applied flexibly to the simulation of different parts of the equipment an systems, realize

intuitively the function of system parameters matching optimization, load matching

optimization, starting process optimization and control optimization.

In a word, detailed analyses were given for dynamic and static characteristics of

the Air conditioning system in this field now. The hybrid-simulation experimental set

established in this paper and its simulation experiments provided a new method for the

refrigeration system design and development

Key words: Refrigeration system, Air conditioner, Dynamic static

characteristics, Hybrid simulation

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论.............................................................................................................. 1

1.1 课题的研究背景 .............................................................................................. 1

1.2 课题的研究意义 .............................................................................................. 2

1.2.1 系统仿真技术的研究意义 ...................................................................... 2

1.2.1 制冷系统仿真的研究意义 ...................................................................... 3

1.3 制冷系统仿真技术的国内外发展趋势 .......................................................... 4

1.4 本文主要研究内容 .......................................................................................... 6

第二章制冷系统稳态仿真 .......................................................................................... 8

2.1 单级压缩机蒸汽制冷系统工作原理 .............................................................. 8

2.2 稳态仿真数学模型 .......................................................................................... 9

2.2.1 压缩机模型 .............................................................................................. 9

2.2.2 冷凝器模型 ............................................................................................ 12

2.2.3 毛细管模型 ............................................................................................ 15

2.2.4 蒸发器模型 ............................................................................................ 17

2.3 制冷空调机稳态仿真实例与性能分析 ........................................................ 19

2.4 仿真算法 ........................................................................................................ 21

2.5 本章小结 ........................................................................................................ 23

第三章制冷系统动态仿真 ........................................................................................ 24

3.1 动态仿真数学模型 ........................................................................................ 24

3.1.1 风冷式冷凝器模型 ................................................................................ 24

3.1.2 蒸发器模型 ............................................................................................ 27

3.2 制冷系统数学模型的耦合 ............................................................................ 32

3.3 系统仿真方法 ................................................................................................ 33

3.4 仿真结果分析 ................................................................................................ 35

3.5 本章小结 ........................................................................................................ 40

第四章混合仿真模块及端口设计 ............................................................................ 41

4.1 半实体实验仿真基本原理 ............................................................................ 41

4.2 制冷系统半实体实验仿真系统 .................................................................... 42

4.2.1 压缩机实体实验仿真系统 .................................................................... 42

4.2.2 冷凝器实体实验仿真系统 .................................................................... 43

4.2.3 蒸发器实体实验仿真系统 .................................................................... 44

4.3 VB与Fortran混合编程方法........................................................................... 45

4.4 半实体实验混合仿真实验台 ........................................................................ 46

4.5 本章小结 ........................................................................................................ 46

第五章基于MATLAB的制冷系统仿真.................................................................... 47

5.1 数学模型和基本方法 .................................................................................... 47

5.2 基于Simulink的制冷空调动态模型 ............................................................. 50

5.3 仿真结果和性能分析 .................................................................................... 54

5.3.1 压缩机性能分析 .................................................................................... 54

5.3.2 日常工作日中空调系统的性能分析 .................................................... 56

5.3.3 不同工况下空调器开机过程的性能分析 ............................................ 58

5.4 本章小结 ........................................................................................................ 59

第六章结论与展望 .................................................................................................... 60

6.1 研究结论 ........................................................................................................ 60

6.2 展望 ................................................................................................................ 61

附表............................................................................................................................ 62

参考文献 ........................................................................................................................ 63

作者在攻读硕士期间发表的论文 ................................................................................ 67

致谢 ................................................................................................................................ 68

第一章绪论

1.1 课题的研究背景

在人们日常生产和生活的各个领域都存在着对制冷技术的应用，制冷技术已

经渗透到我们的衣食住行等每个细节，随着制冷工业的发展，甚至许多高端技术

的发展都离不了制冷技术的支持。

制冷技术被广泛应用与食品运输和生产过程中。易腐食物或新鲜度要求高的

食品为了保证食品的质量、储存时间的持久性，从生产、捕捞、加工、运输、后

期贮藏到销售每个过程和环节都需要保障其处于稳定的低温环境下。针对食品生

产链中对制冷技术的需求，各种制冷设备应运而生，如冷冻或冷藏库、制冷加工

设备、冷藏售货柜、冷藏运输车或船等[1]。

工业生产中许多设备或部件在工作时会产生大量热能，此时降温技术成了生

产安全进行的保证。精密机床油压系统的工作原理即利用制冷技术来维持机油的

温度从而控制油膜的刚度，保证机床的正常运行。除此之外，象雷达、卫星地面

工作站和多种通讯设备也都要在低温环境下工作。

低温技术还为生产工艺处理技术提供了一种新的研究方向。比如经过低温处

理的刚的强度和硬度都有了很大改善，提高了刚的使用性能，延长了工件的使用

周期 [2]。

制冷技术在医药学研究中也有广泛的应用。如：血浆、疫苗及某些特殊药品

需要低温保存；低温麻醉、低温手术及高烧患者的冷敷降温等也需制冷技术。

制冷技术可以帮助人们创造很低的环境温度由此来模拟高寒或高空环境，辅

助需在特殊环境中工作的设备的模拟实验，象在高寒地区使用的汽车、坦克、发

动机、大炮，在高空作业的火箭、航天器等设备的模拟实验都是在低温技术的辅

助下进行的。

空调工程是制冷技术应用的一个广阔领域。许多产品的生产过程要求对环境

的温度、湿度和洁净度进行一定程度的控制，如生产精密计量量具和光学仪器仪

表的车间。即使我们工作和生活的周边环境也空调系统的调节来为我们提供舒适

的环境，比如小汽车、飞机、大型客车等交通工具，体育馆、大会堂、宾馆等公

共建筑等。

我国空调制冷行业起步于上世纪 50 年代，特别是 80 年代改革开放后，许多

研究人员努力学习国外知识积极创新，使我国制冷行业迅速发展壮大起来。经过

几十年的发展我国各项制冷基础设施已经非常完备，在未来的发展中只要保证节

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摘要：

摘要制冷设备普遍应用于我们生活的各个方面，而空调制冷系统作为一种能够改善人们生活和工作环境的设备逐渐成为与我们的日常生活密不可分的必需品之一。随之而来的空调能耗总量逐年增大，使得空调的节能优化设计已成为当今社会的重点研究问题之一。计算机仿真技术不仅可以作为实现制冷空调产品设计的现代化手段，也是实现空调优化节能设计的重要方法之一。本文针对制冷系统仿真过程的需要，基于Fortran程序语言分别建立了典型单级制冷系统部件的稳态数学模型和动态数学模型，在此基础上又提出了一种新型混合仿真方案，并借助Matlab软件仿真方法实现了两种软件的混合仿真，探讨了不同工况下空调系统的性能变化，为实际机组的运行提供...

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