一种带模型标定功能的工质循环过程仿真平台

广东出入境检验检疫局检验检疫技术中心 冯 达

广东机电职业技术学院 李明华

一种带模型标定功能的工质循环过程仿真平台

广东出入境检验检疫局检验检疫技术中心 冯 达

广东机电职业技术学院 李明华

介绍一种针对家用空调和冰箱的工质循环过程的仿真平台，根据制冷系统的物理过程和数学建模，通过数据采集系统对制冷系统中冷媒的吸气温度、排气温度、流量、制冷剂压降、过冷度等数据进行实际测量，并由此测量数据对数学模型进行误差修正，实现了模型标定，从而提高了工质循环过程的仿真精度。

工质循环；仿真平台；系统建模；模型标定

0 引言

仿真平台是研究制冷系统工质循环过程热力学特征的重要工具，是一种集多种技术于一体的综合系统。仿真平台依靠数据采集器对冷媒的温度、压力和流量进行数据采集，并结合制冷系统换热系数、比热容、冷源温度、热源温度、管道长度、管道直径等结构参数，实现实测值与数学模型理论值的有机结合的模型标定功能，从而提高仿真精度。

1 结构和说明

图1 压力和温度传感器分布图

仿真平台由数据采集单元和仿真计算机单元两大部分构成。数据采集单元包括24通道测温热电偶、8个压力传感器、2个流量传感器、YOKOGAWA数据采集器和仿真计算机等构成。通过数据采集单元可以对制冷系统中冷媒的吸气温度、排气温度、流量、制冷剂压降等数据进行实际测量，并由此测量数据对数学模型进行误差修正，实现了模型标定，从而提高了仿真精度。

数据采集单元的压力传感器和温度传感器分布如图1、图2所示。

图2 数据采集和通信原理图

2 功能说明

仿真计算机与YOKOGAWA数据采集器通过RS-232串通通信连接，连接方式为两线连接法，YOKOGAWA数据采集器的串口板卡DT300-31的RDA/SDA与仿真计算机主板串口RDA(-)/SDA(-)连接，RDB/SDB与仿真计算机主板串口RDA(+)/SDA(+)连接，SG与SG连接。

YOKOGAWA数据采集器由四个模块构成，主要包括DA100电源模块、串口板卡DT300-31、热电偶输入模块DU300-31、直流电压DC输入模块DU100-11。DA100电源模块主要功能是为其他模块提供直流电源。串口板卡DT300-31是实现与计算机串口通讯的通讯模块。热电偶输入模块DU300-31是30通道的热电偶TC输入模块，可以接K型、T型、J型热电偶，采用T型热电偶。DU300-31的+/A和-/B之间连接长线T型热电偶。直流电压DC输入模块DU100-11是多功能输入模块，可以接热电偶TC、电阻RTD、直流电源DC，采用直流电压输入功能，在DU100-11的+和-之间接250欧姆的精密电阻，再连接压力传感器和流量传感器的4-20mA的输出，以使传感器输出的4-20mA电流信号转换成DC1-5V的直流电压信号。

压缩机吸气温度由压缩机入口温度的热电偶T14测量，并且结合压缩机入口处铜管温度的热电偶T13辅助确定。压缩机排气温度由压缩机入口温度的热电偶T15测量，并且结合压缩机入口处铜管温度的热电偶T16辅助确定。

蒸发温度是指制冷剂在蒸发器中蒸发沸腾时的温度，它与相应的蒸发压力是对应的，蒸发温度也是制冷系统中重要的参数。蒸发温度在理想状态下即是制冷温度，但是实际运行中制冷剂的蒸发温度比制冷的温度要稍低3到5度。蒸发温度由蒸发器入口处铜管温度的热电偶T9和蒸发器入口温度的热电偶T10求平均值得到，并且结合蒸发器出口温度的热电偶T11和蒸发器出口处铜管温度的热电偶T12辅助确定。

压缩机系统的冷凝温度是制冷剂在冷凝器中冷凝时的温度，相对应的制冷剂蒸汽压力即冷凝压力。冷凝温度是制冷循环中主要运行参数之一，对于实际制冷装置，由于其他设计参数变化范围较小，冷凝温度可以说是最重要的运行参数，它直接关系到制冷装置的制冷效果，安全可靠性和能耗水平。冷凝温度由冷凝器入口温度的热电偶T2和冷凝器出口温度的热电偶T3求平均值得到，并且结合冷凝器入口处铜管温度的热电偶T1和冷凝器出口处铜管温度的热电偶T4辅助确定。

过冷度是指膨胀阀（即毛细管）前液态制冷剂实际温度与饱和温度的温差，检测这个参数需测量膨胀阀前的液体压力（表压）和液管的壁温。膨胀阀前液体由于压力的升高，相应的饱和温度也升高，与此同时阀前液体温度与高差没有直接关系，可以近似看成不变，饱和温度实际温度差值就变大――过冷度变大，这就是正落差安装冷凝器对过冷度造成的影响。冷凝器低位安装时结果正好相反，膨胀阀前的过冷度会减少。过冷度由毛细管入口温度的热电偶T6、蒸发器入口温度的热电偶T10和蒸发器出口温度的热电偶T11共同确定。即T10和T11先求平均值，然后被T6减。即过热度=T6-(T10+T11)/2。

过热度是制冷循环中相同蒸发压力下制冷剂的过热温度与饱和温度之差，即：过热度=吸气温度-蒸发温度。过热度是气态制冷剂温度高于对应压力下的饱和温度的程度。制冷剂的饱和曲线是一条上升的曲线，即随着压力的升高，制冷剂的饱和温度也是升高的。

过热度由压缩机入口温度的热电偶T14、蒸发器入口温度的热电偶T10和蒸发器出口温度的热电偶T11共同确定。即T10和T11先求平均值，然后被T14减。即过热度= T14-（T10+T11）/2。

采用两个流量传感器测量制冷剂流量，冷凝器入口流量L1和冷凝器出口流量L2，主要测量液态制冷剂的流量。

蒸发压力是指制冷剂在蒸发器内吸收被冷却物的热量并沸腾时的压力。在制冷技术中指出：在一定的压力条件下，制冷剂沸腾时的温度叫“蒸发温度”；此时对应的压力叫“蒸发压力”。它们间的变化关系是对应的，压力升则温度也升，反之，压力降则蒸发温度对应也降。因此，改变节流减压阀的开度会改变制冷剂的供液量、也就改变了蒸发压力，从而获得不同的低温。蒸发压力由蒸发器入口压力传感器P5和蒸发器出口压力传感器P6求平均值获得。

冷凝是汽化的相反过程（放热）。在不同的压力条件下，汽态制冷剂会有对应的液化温度。为了能循环利用制冷剂，吸热后被压缩机从蒸发器抽离出来的汽态制冷剂蒸汽在常温常压下是无法液化、再利用的，但经压缩使其变为高压高温的气体后，它能对环境温度条件下的水或空气放出热量、变为常温高压的气体，并由于此状态达到该种制冷剂的物理特性中的液化点而凝为液体；在特定温度条件下能使制冷剂蒸汽液化、所对应的压力称为“冷凝压力”。冷凝压力由冷凝器入口压力传感器P1和冷凝器出口压力传感器P2求平均值获得。

3 模型标定

在应用仿真技术时，掌握合理的模型修正或标定技术，对于提高仿真精度具有重要的现实意义。通过标定可以修正模型。模型标定是仿真的一种多变量反问题，模型标定可以在部件层面，也可以在系统层面进行。模型标定可以采用单点标定或多点标定。绝对准确的数学模型是不存在的，而即使存在一个绝对准确的模型，也没有办法证明。系统模型标定的有两大主要步骤。第一步是压缩机模型标定。压缩机对系统性能的影响最大，通过压缩机模型标定，可以准确计算系统流量、功耗（含风机功耗）和排气温度。第二步是系统循环标定。对于一个简单的制冷循环，如果压缩机吸气状态（吸气压力和过热度）、排气压力和标定节流前液体温度确定，那么系统循环就确定了。比如：吸气压力的标定通过调整蒸发器换热系数实现，过热度的标定通过调整节流元件流量系数实现，排气压力的标定通过调整冷凝器换热系数实现，节流前冷媒温度通过调整系统充注量实现。通过以上两步骤，系统标定即可完成，因为准确的循环参数和压缩机流量就可以保证系统性能参数的计算精度。

4 结束语

本文介绍的带模型标定功能的工质循环过程的仿真平台，使得研究人员对部件特性和系统特性均能进行比较详尽的研究，可对产品开发和改进提供方向性指导，能够辅助提高工质循环过程的可靠性、可调性和制冷系统运行的效率。

A Model Calibration Function of Refrigerant Cycle Simulation Platform

Feng Da
（Guangdong Inspection And Quarantine Technology Center）

To introduce a household air conditioner and refrigerator refrigerant cycle simulation platform, according to the physical and mathematical modeling of refrigeration system, the inlet temperature of the refrigeration system, the refrigerant in the data acquisition system of exhaust gas temperature, fl ow, pressure drop of refrigerant subcooling, the actual measurement data, and the measurement data of mathematics the model of error correction, the calibration model, which improves the accuracy of the simulation process of refrigerant cycle.

Working Fluid Cycle；Simulation Platform；System Modeling； Model Calibration