制冷空調(diào)系統(tǒng)仿真原理與技術(shù)

前言

中國是一個(gè)制冷大國，制冷空調(diào)裝置產(chǎn)能居世界第一。但是，中國目前還不是一個(gè)制冷強(qiáng)國，國內(nèi)制冷空調(diào)產(chǎn)品制造企業(yè)絕大多數(shù)還缺乏獨(dú)立的先進(jìn)的產(chǎn)品研發(fā)與設(shè)計(jì)能力。造成這種現(xiàn)象的一個(gè)重要原因是決定本行業(yè)技術(shù)能力的工程師培養(yǎng)體系還不健全。企業(yè)缺失系統(tǒng)培養(yǎng)專業(yè)工程師的意識(shí)，希望大學(xué)承擔(dān)這部分責(zé)任，而大學(xué)的專業(yè)知識(shí)教育相對(duì)落后，且與企業(yè)脫節(jié)嚴(yán)重，短期的實(shí)踐環(huán)節(jié)只是給學(xué)生一些感性認(rèn)識(shí)，無法真正掌握并學(xué)以致用。制冷系統(tǒng)仿真技術(shù)是制冷空調(diào)產(chǎn)品研發(fā)與設(shè)計(jì)的核心技術(shù)之一，在歐美企業(yè)中已經(jīng)有50年左右的發(fā)展與應(yīng)用歷史，其仿真技術(shù)水平也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過同期的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)研究水平。在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界，這方面的教材或?qū)W術(shù)著作還屈指可數(shù)。上海交通大學(xué)的研究人員在20世紀(jì)90年代末至2002年先后出版過與制冷系統(tǒng)仿真相關(guān)的三本專著（作者曾參與撰寫），被相當(dāng)多的國內(nèi)高校相關(guān)專業(yè)選為教材，在企業(yè)中也擁有相當(dāng)多的讀者。但是從作者得到的反饋來看，主要存在兩個(gè)問題：①內(nèi)容不適合入門者學(xué)習(xí)；②模型與產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求存在較大的距離。這一方面說明國內(nèi)的高校和企業(yè)對(duì)制冷系統(tǒng)仿真技術(shù)的需求很高；另一方面也反映了目前仍缺少一本理論與實(shí)踐結(jié)合得比較緊密的制冷空調(diào)系統(tǒng)仿真教材類書籍。作者曾在上海交通大學(xué)從事制冷系統(tǒng)仿真技術(shù)研究和教學(xué)多年，此后又在全球最大的制冷空調(diào)設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)美國開利公司（Carrier Corporation）主管仿真模擬核心技術(shù)研發(fā)部門，負(fù)責(zé)開利全球的仿真技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用與仿真軟件的培訓(xùn)工作。對(duì)制冷系統(tǒng)仿真技術(shù)的研發(fā)與教學(xué)，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。作者希望通過本書，可以幫助國內(nèi)高校相關(guān)專業(yè)的學(xué)生和國內(nèi)相關(guān)企業(yè)的工程師更好地進(jìn)行制冷系統(tǒng)仿真技術(shù)的入門學(xué)習(xí)和實(shí)踐。作者也希望看到國內(nèi)相關(guān)企業(yè)通過仿真技術(shù)的合理應(yīng)用與推廣，真正建立起以仿真技術(shù)為核心的產(chǎn)品研發(fā)核心技術(shù)體系。本書稿也凝聚了楊亮博士的大量心血和開利公司的大力支持。本書的出版還要感謝上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目（11ZZ30）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金的資助。最后，本書完稿之際，恰逢同濟(jì)大學(xué)建校105周年暨工程教育百年紀(jì)念、同濟(jì)大學(xué)機(jī)械學(xué)院百年院慶，謹(jǐn)以此書表達(dá)祝賀及敬意！由于編者水平有限，書中不足之處在所難免，希望廣大讀者批評(píng)指正。張春路2012年9月于同濟(jì)大學(xué)Contents

內(nèi)容概要

本書全面闡述了制冷系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真技術(shù)的原理，包括制冷系統(tǒng)仿真技術(shù)概論、計(jì)算方法基礎(chǔ)、制冷劑和載冷劑(包括濕空氣)的熱物性簡化計(jì)算、壓縮機(jī)模型、節(jié)流元件模型、冷凝器模型、蒸發(fā)器模型、輔助設(shè)備模型(包括泵與風(fēng)機(jī)、連接管、四通換向閥、儲(chǔ)液器和氣液分離器等)、制冷系統(tǒng)模型以及仿真技術(shù)在制冷空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用等內(nèi)容。
本書可供制冷空調(diào)相關(guān)研發(fā)人員參考使用，也可作為制冷、暖通專業(yè)研究生和本科生的選修課程教材。

書籍目錄

第1章 概論
1.1制冷系統(tǒng)仿真技術(shù)研究的意義
1.2制冷系統(tǒng)仿真模擬技術(shù)的研究現(xiàn)狀評(píng)述
1.2.1面向制冷系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)的穩(wěn)態(tài)仿真技術(shù)
1.2.2面向制冷系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)
1.2.3面向大系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制的綜合仿真技術(shù)
1.2.4從仿真模擬到現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法學(xué)
1.3本書的內(nèi)容安排
第2章 計(jì)算方法基礎(chǔ)
2.1單變量非線性方程求解方法
2.1.1兩分法
2.1.2牛頓法
2.1.3割線法
2.1.4試值法
2.1.5反向二次插值法
2.1.6Brent法
2.1.7單變量方程算法小結(jié)
2.2多變量非線性方程組求解方法
2.2.1牛頓法
2.2.2Broyden法
2.3插值與擬合
2.3.1線性插值
2.3.2雙線性插值
2.3.3曲線擬合的線性最小二乘法
第3章 制冷劑和載冷劑的熱物性計(jì)算
3.1制冷劑熱物性簡化計(jì)算
3.1.1系統(tǒng)仿真對(duì)制冷劑熱物性計(jì)算的要求
3.1.2Cleland擬合模型
3.1.3隱式三次多項(xiàng)式擬合模型
3.1.4表格插值法
3.2濕空氣熱物性計(jì)算
3.2.1濕空氣的組成
3.2.2濕空氣的熱力性質(zhì)
3.2.3濕空氣的焓濕圖
3.3載冷劑熱物性計(jì)算
3.3.1純質(zhì)液體的熱物性計(jì)算
3.3.2溶液的熱物性計(jì)算
第4章 壓縮機(jī)模型
4.1系統(tǒng)仿真對(duì)壓縮機(jī)模型的要求
4.2壓縮機(jī)效率模型
4.3壓縮機(jī)AHRI 10系數(shù)模型
4.4變?nèi)萘繅嚎s機(jī)模型
4.4.1變頻壓縮機(jī)模型
4.4.2數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)模型
4.4.3滑閥調(diào)節(jié)容量的螺桿壓縮機(jī)模型
4.5帶經(jīng)濟(jì)器的壓縮機(jī)模型
4.6離心壓縮機(jī)模型
4.6.1單級(jí)離心壓縮機(jī)性能的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?br />4.6.2離心壓縮機(jī)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?br />第5章 節(jié)流元件模型
5.1節(jié)流元件
5.1.1節(jié)流元件類型
5.1.2系統(tǒng)仿真對(duì)節(jié)流元件模型的要求
5.2毛細(xì)管和短管模型
5.2.1制冷劑在毛細(xì)管和短管內(nèi)的流動(dòng)特性
5.2.2均相流分布參數(shù)模型
5.2.3經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式模型
5.2.4毛細(xì)管近似積分模型
5.3孔板模型
5.4熱力膨脹閥MOP模型
5.5電子膨脹閥模型
5.5.1圖表模型
5.5.2經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式模型
第6章 冷凝器模型
6.1冷凝器四區(qū)模型
6.1.1四區(qū)模型的定義
6.1.2微元模型
6.1.3算法
6.2考慮制冷劑管路排布的翅片管換熱器分布參數(shù)模型
6.2.1建模策略
6.2.2翅片管換熱器模型與算法
6.3管殼式冷凝器模型
6.3.1建模策略
6.3.2微元模型
6.3.3管殼式冷凝器模型與算法
6.4冷凝器模型常用實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式
6.4.1水平管內(nèi)單相流動(dòng)換熱與壓降
6.4.2水平管內(nèi)兩相凝結(jié)換熱與壓降
6.4.3水平管束外兩相凝結(jié)換熱
6.4.4翅片管換熱器空氣側(cè)換熱與壓降
第7章 蒸發(fā)器模型
7.1蒸發(fā)器三區(qū)模型
7.1.1三區(qū)模型的定義
7.1.2微元模型
7.1.3算法
7.2翅片管蒸發(fā)器分布參數(shù)模型
7.3滿液式蒸發(fā)器模型
7.3.1建模策略
7.3.2微元模型
7.3.3滿液式蒸發(fā)器模型與算法
7.4蒸發(fā)器模型常用實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式
7.4.1水平管內(nèi)單相流動(dòng)換熱與壓降
7.4.2水平管內(nèi)兩相沸騰換熱與壓降
7.4.3水平管束外兩相沸騰換熱
7.4.4翅片管換熱器空氣側(cè)換熱與壓降
第8章 輔助設(shè)備模型
8.1連接管模型
8.1.1連接管對(duì)系統(tǒng)性能的影響
8.1.2連接管模型
8.2四通換向閥模型
8.2.1四通換向閥對(duì)系統(tǒng)性能的影響
8.2.2四通換向閥模型
8.3儲(chǔ)液器和氣液分離器模型
8.3.1儲(chǔ)液器對(duì)系統(tǒng)性能的影響
8.3.2儲(chǔ)液器模型
8.3.3氣液分離器對(duì)系統(tǒng)性能的影響
8.3.4氣液分離器模型
8.4泵與風(fēng)機(jī)模型
8.4.1泵對(duì)系統(tǒng)性能的影響
8.4.2泵模型
8.4.3風(fēng)機(jī)對(duì)系統(tǒng)性能的影響
8.4.4風(fēng)機(jī)模型
8.4.5風(fēng)機(jī)定律
第9章 制冷系統(tǒng)仿真
9.1系統(tǒng)循環(huán)分析
9.1.1簡單制冷/熱泵循環(huán)
9.1.2帶經(jīng)濟(jì)器的制冷/熱泵循環(huán)
9.1.3跨臨界制冷/熱泵循環(huán)
9.2簡單制冷/熱泵系統(tǒng)的模型與算法
9.2.1系統(tǒng)模型
9.2.2系統(tǒng)充注量模型
9.2.3系統(tǒng)算法
9.3模型標(biāo)定
9.3.1仿真誤差與模型標(biāo)定
9.3.2部件模型標(biāo)定
9.3.3系統(tǒng)模型標(biāo)定
9.4熱泵型分體式空調(diào)器系統(tǒng)仿真與分析
9.4.1仿真對(duì)象
9.4.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
9.4.3系統(tǒng)特性的仿真分析
9.5螺桿冷水機(jī)組系統(tǒng)仿真與分析
9.5.1仿真對(duì)象
9.5.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
9.5.3系統(tǒng)特性的仿真分析
第10章 建筑空調(diào)系統(tǒng)仿真
10.1建筑空調(diào)系統(tǒng)模型
10.1.1制冷劑回路模型
10.1.2冷凍水與冷卻水回路模型
10.1.3空氣處理過程與負(fù)荷模型
10.1.4機(jī)組與系統(tǒng)能效的定義
10.2建筑空調(diào)系統(tǒng)的仿真案例分析
10.2.1空調(diào)箱獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)案例
10.2.2冷卻水回路優(yōu)化案例
主要符號(hào)表
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   從控制策略上看，傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)和DOAS系統(tǒng)都可以用變頻水泵來控制室內(nèi)溫度：當(dāng)室內(nèi)溫度偏高時(shí)，需要提高冷凍水泵的流量；當(dāng)室內(nèi)溫度偏低時(shí)，則需要降低冷凍水泵的流量。傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)相對(duì)濕度的控制能力很弱，基本上只控制溫度不控制相對(duì)濕度，而DOAS系統(tǒng)可以通過冷凍水出水溫度的設(shè)定值來控制室內(nèi)相對(duì)濕度。冷凍水出水溫度的設(shè)定值由冷水機(jī)組壓縮機(jī)來控制：當(dāng)室內(nèi)濕度偏高時(shí)，可以降低冷凍水出水溫度的設(shè)定值；當(dāng)室內(nèi)濕度偏低時(shí)，可以提高冷凍水出水溫度的設(shè)定值。此外，DOAS系統(tǒng)中的旁通閥對(duì)室內(nèi)溫度也有一定的控制作用。當(dāng)室內(nèi)溫度偏高時(shí)，可以首先減小旁通比例，如果已經(jīng)沒有旁通，則需要增加冷凍水的流量；當(dāng)室內(nèi)溫度偏低時(shí)，需要增加旁通比例。 從節(jié)能效果上看，與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的方案2相比，DOAS系統(tǒng)可以節(jié)能15％左右。但與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的方案3相比，DOAS系統(tǒng)的節(jié)能效果并不明顯。國外資料中宣稱的DOAS系統(tǒng)有30％～60％的節(jié)能率，主要是和傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的方案1相比較?？梢宰⒁獾椒桨?的室內(nèi)相對(duì)濕度只有50％，可見除濕除多了，再加上送風(fēng)溫度低，需要電加熱才能保證舒適性，所以能耗大。 從上述仿真與分析結(jié)果可以獲得以下結(jié)論。 ①DOAS系統(tǒng)更適合濕負(fù)荷小的案例。 ②從舒適性角度來看，使用DOAS的空調(diào)箱系統(tǒng)可以同時(shí)控制室內(nèi)溫度和濕度，也可以保證較高的送風(fēng)溫度，對(duì)提高舒適性有利。 ③傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)通過改進(jìn)其運(yùn)行策略，自身也有很大的節(jié)能潛力。如果與運(yùn)行策略進(jìn)行優(yōu)化后的傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)（如方案3）對(duì)比，DOAS系統(tǒng)的節(jié)能效果并不顯著。 10.2.2 冷卻水回路優(yōu)化案例 在本小節(jié)中，通過仿真模擬探討冷卻水回路供回水溫差的優(yōu)化問題。冷卻水IN路供回水溫差會(huì)直接影響到冷卻水流量和冷凝器的換熱溫差，進(jìn)而影響到壓縮機(jī)功耗、冷卻水泵功耗和冷卻塔的功耗，并最終影響到系統(tǒng)能效。一般工程設(shè)計(jì)中，通常都將冷卻水供回水溫差設(shè)定為5K。但是，對(duì)于不同的系統(tǒng)或同一系統(tǒng)的不同運(yùn)行工況，最佳的冷卻水供回水溫差應(yīng)該并不相同。通過優(yōu)化冷卻水供回水溫差，可以有效提高系統(tǒng)能效，下面的仿真案例將驗(yàn)證這一點(diǎn)。 如圖115所示為冷水機(jī)組與冷卻水回路的系統(tǒng)模型圖。冷水機(jī)組是一次節(jié)流中間不完全冷卻的兩級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)（螺桿壓縮機(jī)），冷卻水回路則包括冷凝器、管路、水泵和冷卻塔。冷水機(jī)組與冷卻塔是按實(shí)際的產(chǎn)品建?；蜻x型計(jì)算的，以提高仿真的精度。

圖書封面

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