VRV 空調(diào)系統(tǒng)特性與控制策略研究（一）――――電子膨脹閥――蒸發(fā)器聯(lián)合調(diào)節(jié)特性與控制策略

1、 05-12-26 09:47:00 作者：佚名編輯：studa9ngns摘要通過(guò)對(duì)影響蒸發(fā)器換熱量的講因素膨脹閥開度、空氣溫度、風(fēng)量、蒸發(fā)溫度、和冷凝溫度等參數(shù)的分析，得出了不同參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響和調(diào)節(jié)特性，提出了新的更適合于制冷系統(tǒng)的控制方法風(fēng)量控過(guò)熱度、開度控室內(nèi)溫度的獨(dú)立控制原理和方法，這種控制方法更適合用于制冷空調(diào)系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：蒸發(fā)囂電子膨脹閃工調(diào)節(jié)特性控制方法獨(dú)立控制符號(hào)CD開度系數(shù)Z軸向長(zhǎng)度，mTe. Tc蒸發(fā)、冷凝溫度，Tin室內(nèi)溫度，T換熱器進(jìn)口風(fēng)溫，F(xiàn)i壓縮機(jī)頻率，HzGr制冷劑流量，kg/sG風(fēng)量，m3/hTsu過(guò)熱度，Tsb過(guò)冷度，Q換熱量，kW介質(zhì)密度，kg/m3P-壓

2、力，Pah介質(zhì)焓，J/kgA管內(nèi)截面積，m2S管內(nèi)截面周長(zhǎng)，mA（z）開度對(duì)應(yīng)的截面積d管徑管內(nèi)表面切應(yīng)力，N/m2q熱流密度，W/m22u流速，m/sOv電子膨脹閥開度下標(biāo)l液相制冷劑v汽相制冷劑a空氣 隨著制冷空調(diào)技術(shù)的迅速發(fā)展，空調(diào)器正在從傳統(tǒng)的單室內(nèi)機(jī)、單室外機(jī)的結(jié)構(gòu)逐漸向單室外機(jī)多室內(nèi)機(jī)及多室內(nèi)機(jī)和多室外機(jī)系統(tǒng)發(fā)展，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逐漸趨于復(fù)雜，具有代表性的變流量制冷系統(tǒng)（Variable Refrigerant Volume Air - conditioning System, 簡(jiǎn)稱VRV）也從單元變流量制冷系統(tǒng)（SVRV）向多元變流量制冷系統(tǒng)發(fā)展（MVRV）1-3。對(duì)于多室內(nèi)機(jī)的熱回收系

3、統(tǒng)來(lái)說(shuō)，室內(nèi)機(jī)可能同時(shí)做冷凝器或蒸發(fā)器使用，而且隨著人民生活水平的提高，對(duì)室內(nèi)熱舒適性也提出了更高的要求，傳統(tǒng)的一些控制方法已不能再適應(yīng)新空調(diào)系統(tǒng)的需要。由于系統(tǒng)的復(fù)雜程度的增加，傳統(tǒng)的一些基于制冷空調(diào)系統(tǒng)整體的控制算法都由于其兼容性和可擴(kuò)展性等因素而受到了很大的局限，因此各室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)獨(dú)立控制的思想已經(jīng)被引入到制冷空調(diào)系統(tǒng)的控制之中，一些控制理論和算法如矩陣電子控制算法、人工神經(jīng)元算法和模糊控制算法都已經(jīng)被引用到實(shí)際的制冷空調(diào)系統(tǒng)中4-8。為使制冷空調(diào)系統(tǒng)能安全穩(wěn)定的運(yùn)行，除了在控制技術(shù)上提高之外，更要注重研究制冷空調(diào)系統(tǒng)本身的運(yùn)行調(diào)節(jié)特性。本文在通過(guò)分析系統(tǒng)在制冷模式下電子膨脹閥開度、室

4、內(nèi)溫度、室內(nèi)機(jī)風(fēng)量、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度等對(duì)室內(nèi)機(jī)換熱的影響的基礎(chǔ)上，得出了室內(nèi)機(jī)的調(diào)節(jié)特性，找出了對(duì)室內(nèi)機(jī)制冷模式下更合理的控制策略。 2.1 電子膨脹閥電子膨脹閥是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)等手段使閥芯產(chǎn)生連續(xù)位移，從而改變制冷劑流通面積的節(jié)流裝置。研究表明，電子膨脹閥的流量特性可借鑒熱力膨脹閥的研究成果9-12，其模型描述為：能量方程： hin=hout (1)動(dòng)量方程：2.2 蒸發(fā)管路及蒸發(fā)器模型2.2.1管內(nèi)制冷劑側(cè)穩(wěn)態(tài)模型在VRV空調(diào)系統(tǒng)中，由于膨脹閥可能設(shè)置在離蒸發(fā)器較遠(yuǎn)的位置，節(jié)流后的兩相制冷劑沿膨脹閥后的管路進(jìn)入蒸發(fā)器，所以在該段管路及蒸發(fā)器內(nèi)部的大部分區(qū)域制劑處于兩相流動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)液體過(guò)冷度

5、較小時(shí)，由于管道阻力及上升立管中重力的影響，液態(tài)制冷劑將會(huì)出現(xiàn)閃蒸，閃蒸之后管路內(nèi)的流動(dòng)也為氣、液兩相流動(dòng)；當(dāng)室內(nèi)換熱器制熱采用其出口電子膨脹閥控制制冷劑過(guò)冷度時(shí)，膨脹閥之后的高壓液體管內(nèi)仍然可能呈氣、液兩相狀態(tài)。在制冷空調(diào)領(lǐng)域內(nèi)，蒸發(fā)管路內(nèi)制冷劑兩相流呈環(huán)狀流13,14，故本文以環(huán)狀流建模。因制冷劑蒸發(fā)現(xiàn)象可能發(fā)生上述管段的任何位置，建模時(shí)必須在動(dòng)量議程中考慮重力項(xiàng)。能量守恒議程： 整理上述議程，分別得到氣、液兩相流的質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程。質(zhì)量守恒方程： 動(dòng)量守恒方程： 式中tp=v+(1-) l是微元管段中兩相流體單位容積的質(zhì)量，稱為兩相流體的密度。在式（3）（5）中存在P、uv和u

6、1四個(gè)未知數(shù)，方程無(wú)法封閉求解。傳統(tǒng)的方法采用空隙率經(jīng)驗(yàn)公式作為補(bǔ)充方程，使方程封閉。但目前還不存在公認(rèn)準(zhǔn)確的空隙率模型計(jì)算公式；本文采用文獻(xiàn)4所提出的兩相界面關(guān)系方程使方程封閉。氣、液兩相界面關(guān)系方程： 在式（3）（6）四個(gè)方程中，共有P、uv和u1四個(gè)未知數(shù)，方程組封閉可解。2.2.2 空氣側(cè)換熱模型因橫流蒸發(fā)器外側(cè)的空氣流速較低，一般Re2000，且蒸發(fā)器沿氣流方向的管排數(shù)較少，故忽略空氣側(cè)壓降，只考慮質(zhì)量守恒和能量守恒方程。質(zhì)量守恒方程： 能量守恒方程： 數(shù)值求解蒸發(fā)管路和電子膨脹閥的數(shù)學(xué)模型，可以得出系統(tǒng)的仿真特性。對(duì)于選定的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，換熱器的幾何參數(shù)為定值，是一個(gè)不可調(diào)的參數(shù)。因此

7、，影響電子膨脹閥蒸發(fā)器部分換熱效果的因素主要有電子膨脹閥開度、換熱風(fēng)量、冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、室內(nèi)環(huán)境溫度、換熱器幾何參數(shù)。3.1 膨脹閥開度對(duì)蒸發(fā)器換熱量的影響如圖1所示，當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)量為600m3/h其他參數(shù)不變時(shí)，蒸發(fā)器換熱量隨膨脹閥相對(duì)開度的變化曲線。 圖1換熱量隨膨脹閥相對(duì)開度變化曲線當(dāng)電子膨脹閥開度很小時(shí)，通過(guò)蒸發(fā)器的制冷劑流量也很小，制冷劑很容易在蒸發(fā)器內(nèi)變成熱氣體，在蒸發(fā)器出口處有一定的過(guò)熱度，蒸發(fā)器兩端的制冷劑焓差基本為一定值。因?yàn)橹评鋭┝髁侩S電子膨脹閥開大而增加，在換熱條件仍能保證蒸發(fā)器出口制冷劑過(guò)熱時(shí)，出口制冷劑焓值變化不大，所以蒸發(fā)器的換熱量也隨流量的增加而逐漸增加。當(dāng)膨脹閥

8、繼續(xù)開大，制冷劑流量增大到一定程度以后，換熱條件已經(jīng)不能使制冷劑出口有過(guò)熱度，出口已經(jīng)處于兩相區(qū)，管外空氣側(cè)的流量和換熱系數(shù)基本為定值，制冷劑流量的增大造成出口干度的降低，但管內(nèi)制冷劑的換熱系數(shù)會(huì)有所上升，因此，蒸發(fā)器換熱量只隨電子膨脹閥相對(duì)開度的增加略有上升。這說(shuō)明，在蒸發(fā)器出口有過(guò)熱度的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)電子膨脹閥的開度來(lái)調(diào)節(jié)蒸發(fā)器的換熱量的效果是很明顯的，而當(dāng)蒸發(fā)器出口已出現(xiàn)回液的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)電子膨脹閥的開度來(lái)調(diào)節(jié)蒸發(fā)器的換熱量收效甚微。3.2 室內(nèi)機(jī)風(fēng)量對(duì)蒸發(fā)器換熱量的影響換熱量隨室內(nèi)機(jī)風(fēng)量的變化曲線如圖2所示，當(dāng)風(fēng)量很小時(shí)，不能使管內(nèi)的制冷劑完全蒸發(fā)，蒸發(fā)器出口有一定的回液，隨著風(fēng)

9、量的增加，管外的換熱系數(shù)也逐漸增加，空氣帶走的熱量增多，因此蒸發(fā)器出口處的制冷劑干度也逐漸增加，制冷劑在蒸發(fā)器進(jìn)出口的焓差逐漸增大，在制冷劑流量不變的情況下，換熱量逐漸增大，當(dāng)風(fēng)量增大到一定程度以后，蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑能夠完全蒸發(fā)，風(fēng)量增加使制冷劑只能進(jìn)行顯熱交換，出口焓值變化已經(jīng)不大，所以換熱量隨風(fēng)量增大而略有增加。圖2換熱量隨風(fēng)量變化曲線3.3 冷凝溫度對(duì)蒸發(fā)器換熱量的影響在其他因素不變的情況下，冷凝溫度、冷凝壓力的變化主要通過(guò)影響制冷劑流量來(lái)影響蒸發(fā)器的換熱量，如圖3所示。隨著冷凝壓力的升高，電子膨脹閥的進(jìn)出口壓差也隨著增大，在蒸發(fā)器能夠保證制冷劑完全蒸發(fā)的情況下，制冷劑流量的增加也就意味著蒸發(fā)器換熱量的增加。圖3換熱量隨冷凝溫度變化曲線3.4 蒸發(fā)溫度對(duì)蒸發(fā)器換熱量的影響在其他因素不變的情況下，蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)壓力的變化從兩個(gè)方面來(lái)影響蒸