房間空調(diào)器
摘要：本文采用可變?nèi)莶顑?yōu)化方法，將制冷系統(tǒng)性能系數(shù)COP值作為目標(biāo)函數(shù)，以蒸發(fā)器、冷凝器、毛細(xì)管的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及制冷劑充港灌量為優(yōu)化變量，對(duì)房間空調(diào)器系統(tǒng)的幾大部件進(jìn)行了最佳匹配計(jì)算，使之能效比顯著提高，達(dá)到了節(jié)能目的。
1.近年來(lái)，盡管對(duì)制冷設(shè)備中的基本現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)已比較清楚，但目前空調(diào)器生產(chǎn)廠家基本上還是采用傳統(tǒng)的類比設(shè)計(jì)方法，著重強(qiáng)調(diào)與企業(yè)的設(shè)備條件和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的一致，達(dá)到在一定程度上的系統(tǒng)匹配。
本文的目的是對(duì)一個(gè)分體壁掛式空調(diào)器制冷系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)匹配。將制冷系統(tǒng)性能系數(shù)COP值作為目標(biāo)函數(shù)，以蒸發(fā)器、冷凝器、毛細(xì)管的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及制冷劑充灌量為優(yōu)化變量，對(duì)空調(diào)器系統(tǒng)的幾大部件進(jìn)行了最佳匹配計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明優(yōu)化后的COP值較原始值提高8.07%，制冷量提高了3.77%，功率消耗降低了3.79%，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目標(biāo)。
2.制冷系統(tǒng)工作過(guò)程模擬
冷系統(tǒng)工作過(guò)程模擬的目的是為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳匹配和工作過(guò)程控制自動(dòng)化，故模擬模型應(yīng)準(zhǔn)確、可靠。通常用用穩(wěn)態(tài)集中參數(shù)法比較粗糙，且不抻于了解系統(tǒng)各部特征。本文則采用穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)法。
2.1蒸發(fā)器和冷凝器的模擬
制冷劑在蒸發(fā)器和冷凝器中的流動(dòng)分別是飽和態(tài)及過(guò)熱態(tài)、飽和態(tài)及過(guò)冷態(tài)，通常在兩器的換熱計(jì)算在均將每一狀態(tài)作為整體采用平均換熱公式，雖然考慮了單相和兩相流體在傳熱上的差異，但實(shí)際上在所劃分的每一區(qū)域內(nèi)傳熱系數(shù)和制冷劑溫度是不相同的。本文則采用分步計(jì)算法，在假設(shè)出口參數(shù)的條件下，應(yīng)用質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒方程進(jìn)迭代計(jì)算，得出制冷劑的溫度、壓力和干度的變化情。
2.2毛細(xì)管的模擬
毛細(xì)管的結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但管中制冷劑的流動(dòng)比較復(fù)雜，是一個(gè)從液體單相流的“閃蒸”過(guò)程，且存在汽化滯后的非熱力學(xué)平衡現(xiàn)象，該現(xiàn)象對(duì)毛細(xì)管內(nèi)制冷劑流量和出口參數(shù)等都有較大影響。本文根據(jù)諸多文獻(xiàn)中R22的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)文南非的模型作了修正，比較滿意地反映出R22閃點(diǎn)延遲與毛細(xì)管內(nèi)徑、入口過(guò)冷度等的關(guān)系。毛細(xì)管進(jìn)出口參數(shù)仍采用分步參數(shù)法，借助三大守恒方程聯(lián)立迭代求解。
2.3壓縮機(jī)的模擬
本文的空調(diào)器制冷系統(tǒng)中采用滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，對(duì)其工作過(guò)程的瞬態(tài)模擬仍借助三大守恒方程，綜合考慮了氣缸與外界的熱交換、氣體的泄漏、氣閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、運(yùn)動(dòng)部件的摩摩等諸因素對(duì)壓縮機(jī)工作性能的影響，使其更接近壓縮機(jī)的實(shí)際工作過(guò)程。文獻(xiàn)[2]給予詳細(xì)的敘述。
2.4制冷系統(tǒng)的模擬
制冷系統(tǒng)模擬計(jì)算框圖，是以質(zhì)量流量及系統(tǒng)充灌量作為計(jì)算收斂的判據(jù)，與文獻(xiàn)[3]比較，其優(yōu)點(diǎn)是選取的初值對(duì)收斂速度及計(jì)算精度的影響較小，并且顧及了充灌量的影響。
3.制冷系統(tǒng)最佳匹配
作者在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了制冷系統(tǒng)模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好的基礎(chǔ)上，建立了制冷系統(tǒng)幾大部件間的最佳匹配優(yōu)化模型，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的制冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目的。
3.1優(yōu)化參數(shù)
（1）目標(biāo)函數(shù)及設(shè)計(jì)變量
本文的目標(biāo)函數(shù)取：
Fx=1/COP
COP值為能效比。
設(shè)計(jì)變量如下：制冷劑充灌量M
冷凝器的翅片間ec；管外徑doc；單根管長(zhǎng)lc；迎面風(fēng)速uc；
蒸發(fā)器的翅片間距ee；管外徑doe；單根管長(zhǎng)le；迎面風(fēng)速ue；
毛細(xì)管長(zhǎng)Lcap。
這里暫且沒(méi)考慮壓縮機(jī)的優(yōu)化，并取毛細(xì)管內(nèi)徑為定值。
（2）約束條件
顯性約束如下：
1.5mm≤ec≤3.0mm,1.5mm≤ee≤3.0mm,
6.0mm≤doc≤12.0mm,6.0mm≤doe≤12.0mm,
0.5m≤lc≤1.2m,0.5≤le≤0.75m,
1.0m/s≤uc≤3.0m/s,0.5/s≤ue≤3.0m/s,
0.6m≤Lcap≤1.8m,
500g≤M≤1000g。
為了計(jì)算的方便，將上述約束作無(wú)量綱處理。
另外對(duì)材料消耗及噪聲指標(biāo)提出限制，冷凝器和蒸發(fā)器優(yōu)化后的重量應(yīng)不大于樣機(jī)重量，噪聲的控制是通過(guò)限制空氣流過(guò)蒸發(fā)器時(shí)流動(dòng)阻力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
3.2優(yōu)化方法
因?yàn)榭照{(diào)器制冷系統(tǒng)工作過(guò)程的模擬計(jì)算量很大，目標(biāo)函數(shù)、約束條件和設(shè)計(jì)變量間存在著復(fù)雜的線性或非線性或非線性關(guān)系，故本文采用可變?nèi)莶顑?yōu)化方法。該方法的特占領(lǐng)是初始多面體的頂點(diǎn)不要求為可行點(diǎn)，無(wú)需計(jì)算梯度，因而運(yùn)行簡(jiǎn)便。同那些要求嚴(yán)格滿足可行性的優(yōu)化方法比較，大大節(jié)省計(jì)算時(shí)間，另外，還可以利用公差準(zhǔn)則數(shù)作為搜索結(jié)束的準(zhǔn)則。
需要指出的是，在房間空調(diào)器制冷系統(tǒng)的優(yōu)化計(jì)算中，由于目標(biāo)函數(shù)、約束條件和設(shè)計(jì)變量之間是較為復(fù)雜的隱含非線性關(guān)系，故所行優(yōu)化結(jié)果是局部最優(yōu)解，是與初始點(diǎn)位置有關(guān)的。另外，設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)值與國(guó)家規(guī)定的系列標(biāo)準(zhǔn)值并有相符，需對(duì)優(yōu)化值進(jìn)行圓整或標(biāo)準(zhǔn)化。為此，需要利用“子空間優(yōu)化”方法，對(duì)某些設(shè)計(jì)孌量圓整或標(biāo)準(zhǔn)化。然后再通過(guò)比較多個(gè)局部最優(yōu)解，得出最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
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