二氧化碳制冷系统的动态仿真探讨

王伟亮+关星+李泰胜

摘 要：为了保证二氧化碳制冷系统的稳定运行，针对其运行特征构建了动态仿真模型，并通过对模型构建中所产生参数的集成和计算，全面掌握了二氧化碳制冷系统在实际运行中的性能，最终为该系统的设计提供了大量可供参考的数据信息，并实现了系统的稳定运行。从模型的构建入手，对实验数据和仿真结果进行了细致的对比，旨在更加全面地体现系统的动态特征。

关键词：二氧化碳制冷系统；动态仿真；蒸发器；换热器

中图分类号：TB61+1 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.110

为了实现环保生产，需要用新型的制冷剂替代原有的制冷剂。20世纪90年代，相关专家学者对二氧化碳在汽车空调系统中应用的可能性进行了实验，并在实验过程中整合了大量的数据信息。二氧化碳制冷系统的动态仿真实验具有一定的复杂性，基于此，相关专家学者建议在实验过程中构建系统仿真模型，以此提升实验结果的精确性，从而使系统在实际运行过程中日趋稳定。

1 模型建立

1.1 蒸发器模型

在制冷系统模型构建过程中，要求实验人员选定四个控制参数，即电子膨胀阀的开度，气冷器、压缩机的转速及蒸发器的风量，从而在模型参数设定的基础上构建蒸发器模型；设定进口CO2为蒸发器的两相，出口为过热，在两区划分的原则上结合蒸发器自身的特性，利用制冷剂的质量、能量、管壁能量平衡方程对蒸发器模型加以阐述，具体如下：

式（1）（2）（3）中：ρ为密度；A为界面；m为质量流量；P为压力；h为焓值；T为温度；Cp为比热；d为直径。

以上公式的应用可便于实验人员在构建动态仿真模型的过程中对模型展开细致的分析。但是，为了保障方程应用的精确性，实验人员应明晰方程中ρ，A，m，P，h，T，d，Cp的含义，从而可以在构建仿真模型的过程中将相应数值带入到公式中，以此来保障模型构建的有序进行。

1.2 气冷器及中间换热器模型

气冷器及中间换热器模型的构建是本次实验的重点，因此，实验人员应对此予以高度重视，并在气冷器模型构建的过程中保障CO2在气冷器中处于超临界状态，以此来提高实验数据的精确性。此外，在构建中间换热器模型时，应先将中间换热器设定为逆流换热器，同时保障热侧和冷侧的单相性，为接下来的实验打好基础。需要注意的是，中间换热器模型的构建应遵守非稳态能量守恒定律。非稳态能量守恒方程为：

在方程应用的基础上，对模型展开全方位的分析，由此整合出相应的数据信息，以达到最佳的模型构建状态。

1.3 压缩机及系统模型

式（5）为代数方程。在压缩机模型构建过程中，应用该方程可较好地反映压缩机的实际运行状态，便于实验人员对压缩机的质量流量进行细致的分析，以达到最佳的模型构建状态。在二氧化碳制冷系统动态仿真实验中，系统模型的构建是至关重要的。因此，在实验过程中，实验人员应结合质量和能量的守恒关系，运用各部件模型构建精准的动态模型，且在模型构建过程中输入准确的参数关系，以得到相应的数据计算结果。此外，在动态模型分析过程中，还应强调对常微分方程组的应用，并在Simulink平台上求得最终结果。

2 实验数据与仿真结果的对比

2.1 二氧化碳制冷系统动态仿真实验

从本次实验搭建的二氧化碳制冷系统动态仿真模型实验平台可以看出，本次实验所应用的压缩机技术已较为成熟，同时，实验中所运用的压缩机在实际运行过程始终利用变频器控制的方式来调整自身的转速，由此保障系统处于稳定的运行状态。此外，在实验过程中，为了确保实验数据的精确性，还应用到了管片式气冷器。管片式气冷器在实际运行过程中凸显出逆向排列的特点。在选择换热管时应用到了外径2.9 mm、厚壁0.4 mm的钢管，最终满足了实验要求。由于中间换热器是本次实验设备的重要组成部分，因而在选择中间换热器时应强调逆流套管式中间换热器的应用，并将其外管内径控制在13～14 mm的合理数值范围内，以达到良好的实验状态。由以上分析可以看出，在动态仿真实验过程中，强化对实验设备选择的合理性是非常必要的，为此，实验人员应提高对这一环节的重视程度。

2.2 动态仿真结果与实验数据的对比

为了取得较好的实验结果，实验人员在系统稳定的基础上对某些参数数值进行了相应的调整，并在调整的过程中全方位关注了系统的变化情况，将变化数值以笔记的形式清晰地记录下来。此外，在参数调整的基础上，实验人员为处于稳态的系统添加了一定的扰动条件，并由此模拟相应的动态仿真过程，达到实验研究的目的。同时，在实验过程中，实验人员通过连续改变压缩机转速实现了参数值变化的目标，并在对记录信息整合的基础上建立了验证动态模型，以提升实验结果的精确性。从参数值动态变化的实验值与计算值比较结果中可以看出，二者存在一定的差异，但变化趋势一致，体现了动态系统的真实变化情况。除此之外，压缩机温度受气出口压力的影响也呈现出相应的变化趋势，这一现象凸显了压缩机热惯性较小的特征。

3 结论

综上可知，近年来，节能环保问题逐渐引起了越来越多的关注。在此基础上，通过二氧化碳制冷系统动态仿真研究来开发新型节能制冷系统是非常必要的。本次动态仿真实验在对系统模型进行构建的同时，对压缩机模型、膨胀阀开度及气冷器的转速进行了相应的预测，最终为当前制冷系统的开发提供了大量可供参考的数据，以更全面地了解二氧化碳制冷系统的性能特征。

参考文献

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〔编辑：刘晓芳〕