制冷系统换热器建模与仿真方法研究

论文摘要

制冷空调系统正在成为世界上消耗能量最多的耗能系统之一。制冷系统计算机仿真是实现制冷系统优化设计、优化控制和系统匹配的重要技术手段,也是制冷空调产品设计方法现代化的重要体现。蒸发器和冷凝器（本文统称之为制冷系统换热器）是蒸汽压缩式制冷系统中的关键设备,其建模和仿真方法是制冷系统热动力学及计算机仿真的重要内容和难点所在。本文在国内外已有研究成果的基础上,提出了制冷系统换热器动态过程建模和仿真领域存在的几个主要问题,并对其展开研究。主要研究工作与结果包括以下五个方面。基于马丁—侯（Martin-Hou）状态方程建立了制冷剂热力参数计算模型,开发了相应的仿真模块。通过对R12、R22、R502和R134a等四种制冷剂热力参数计算,证明该模块具有较高的计算精度,能够满足制冷空调系统仿真的需要。同时,为了进一步提高热物性模型的的运算速度,拓展仿真系统的应用领域,本文采用Levenberg—Marquardt优化方法对BP神经网络进行改进,建立了基于改进BP神经网络的制冷剂状态参数模型。提出了制冷系统换热器的统一分布参数模型。在该统一分布参数模型框架下,制冷系统蒸发器和冷凝器以及制冷剂各相区的热力参数及其瞬态分布特性,可以方便地以统一的方式加以描述,避免了以往制冷系统动态过程仿真中必须进行的各相区模型的反复切换,明显提高了制冷系统换热器仿真模型的整体性能和可用性;该统一分布参数模型既可用于制冷系统换热器的动态过程仿真,亦可用于换热器的稳态特性分析。基于制冷剂流体质点追踪计算观点,建立了适用于制冷换热器各相区的通用数值仿真算法。该数值仿真算法有效地克服了已有仿真算法存在的数值稳定性问题,成功地解决了动态过程制冷剂相变点瞬态位置的计算问题。在该数值仿真方法中,换热系统的空间离散化是在制冷剂流动过程自动完成的。在实际的仿真计算过程中,调整积分时间步长的大小,可以满足不同仿真目的对数值计算精度或仿真速度的需要。利用所提出的制冷系统换热器的统一分布参数模型和数值仿真算法,对制冷系统蒸发器和冷凝器在分布参数意义下的动、静态性能进行了仿真实验研究,分析比较了采用不同制冷剂时蒸发器和冷凝器主要热力性能,证明了所提出的模型及数值仿真算法的有效性和通用性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 制冷系统建模与仿真技术
• 1.1.1 计算机仿真技术
• 1.1.2 制冷系统热动力学及计算机仿真
• 1.2 制冷系统建模与仿真研究现状
• 1.2.1 研究概况与发展趋势
• 1.2.2 存在的主要问题
• 1.3 本文的主要研究内容
• 2 制冷剂热力参数计算模型
• 2.1 引言
• 2.2 制冷剂状态参数方程及仿真模块设计
• 2.2.1 制冷剂状态参数方程
• 2.2.2 制冷剂状态参数计算模块设计
• 2.2.3 制冷剂状态参数计算模块测试结果
• 2.3 基于改进BP 网络的制冷剂状态参数模型
• 2.3.1 BP 网络模型的结构
• 2.3.2 改进的BP 网络模型学习方法
• 2.3.3 网络模型应用举例
• 2.4 本章小结
• 3 制冷系统换热器统一分布参数模型及数值仿真方法
• 3.1 概述
• 3.2 制冷换热器物理模型及简化条件
• 3.3 换热器动态分布参数模型及其统一描述
• 3.3.1 基本物理方程
• 3.3.2 单相区制冷剂温度动态分布简化模型
• 3.3.3 两相区制冷剂质量含汽率动态分布模型
• 3.3.4 分布参数模型的统一描述
• 3.4 换热系数计算模型
• 3.4.1 空气侧当量表面传热系数
• 3.4.2 制冷剂侧换热系数
• 3.5 数值仿真方法
• 3.5.1 制冷剂热力参数瞬态分布
• 3.5.2 金属及空气温度瞬态分布计算
• 3.5.3 制冷剂相变点瞬态位置计算
• 3.6 本章小结
• 4 制冷系统换热器性能仿真实验研究
• 4.1 作为仿真对象的制冷系统换热器
• 4.2 制冷系统换热器静态性能仿真
• 4.2.1 蒸发器静态性能仿真
• 4.2.2 冷凝器静态性能仿真
• 4.3 制冷系统换热器动态性能仿真
• 4.3.1 蒸发器动态性能仿真
• 4.3.2 冷凝器动态性能仿真
• 4.4 采用不同制冷剂时换热器性能仿真
• 4.4.1 蒸发器性能仿真
• 4.4.2 冷凝器性能仿真
• 4.5 本章小结
• 5 制冷系统换热器模糊规则模型
• 5.1 引言
• 5.2 典型模糊规则模型及结构辨识方法简介
• 5.2.1 模糊规则模型的基本类型
• 5.2.2 模糊规则模型结构辨识一般方法
• 5.3 制冷系统换热器模糊规则模型
• 5.3.1 模糊规则的表达与模糊推理
• 5.3.2 基于熵聚类的输入空间模糊划分
• 5.3.3 模糊规则模型动态参数的辨识
• 5.3.5 模糊规则模型的初步验证
• 5.4 蒸发器模糊规则模型辨识
• 5.4.1 蒸发器SISO 模糊规则模型辨识
• 5.4.2 蒸发器MISO 模糊规则模型辨识
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 1 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录
• 2 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目及获奖情况
• 独创性声明
• 学位论文版权使用授权书