研究：多温区冰箱用并联双蒸发器动态性能计算

        多温区冰箱中采用并联双蒸发器可以有效地提高各间室的温度控制精度和冰箱能效。 并联双蒸发器冰箱两间室所需要的制冷量不同，系统通过调节冷藏和冷冻毛细管的节流效应，改变两蒸发器的换热温差以及制冷剂流量从而满足两蒸发器不同换热量，为了使两蒸发器在不同的换热温差以及制冷剂流量下换热性能达到最优，需要对两蒸发器的结构进行设计。在并联双蒸发器冰箱实际运行过程中，两蒸发器中制冷剂的状态参数时刻发生变化，导致其动态性能时刻变化，因此蒸发器的结构设计需要考虑动态性能。 本文开发了冰箱并联双蒸发器动态性能计算方法，而保证快速、精确地实现并联双蒸发器冰箱系统的动态性能的仿真计算。

  

1、 开发动态性能计算方法

并联双蒸发器冰箱系统包含冷藏循环制冷回路（如图1中a-b-c-d-e-a）和冷冻循环制冷回路（如图1中a-b-c-g-f-a），系统控制策略通过三通电磁阀控制制冷剂的流向，实现了两制冷回路的交替运行。

并联双蒸发器的运行模式包括：

1）冷冻开机冷藏停机：压缩机开机，三通电磁阀的出口1关闭，制冷剂的流向为 a-b-c-g-f-a，冰箱给冷冻室进行制冷；

2）冷藏开机冷冻停机：压缩机开机，三通电磁阀的出口2关闭，制冷剂的流向为 a-b-c-d-e-a，冰箱给冷藏室进行制冷；

3）两蒸发器抽真空：压缩机保持开机，三通电磁阀的两出口均关闭，制冷剂通过压缩机，从两个蒸发器进入冷凝器；

4）两蒸发器停机：压缩机关机。

动态性能计算方法就是要快速、稳定地计算这四种运行模式循环切换下蒸发器的动态性能。

1.1计算思路  

为了能够快速、精确地计算两蒸发器中制冷剂的状态参数，本文针对并联双蒸发器的运行特点提出如下计算思路。

1）明确并联双蒸发器在所有运行模式下制冷剂的分布状态。总结并联双蒸发器所有的运行模式以及运行模式切换过程，并分析制冷剂在蒸发器所有运行模式转换前、后的分布状态。

2）建立并联双蒸发器在所有分布状态下的计算模型。开发并联双蒸发器中制冷剂不同分布状态下具体的计算公式，实现所有分布状态下制冷剂状态参数计算。

3）建立并联双蒸发器不同运行模式光滑转换判断准则。根据制冷剂各分布状态的计算模型计算得到的制冷剂的状态参数应满足光滑转换判断准则，从而保证并联双蒸发器仿真计算过程中各运行模式光滑转换。

4）开发实现不同运行模式下并联双蒸发器质量和能量严格守恒的算法，稳定地计算制冷剂在并联双蒸发器不同运行模式切换过程的质量、能量及其他状态参数，保证仿真计算过程收敛。

1.2明确制冷剂分布状态   

在并联双蒸发器不同运行模式下，蒸发器中制冷剂分布状态有4种基本状态，包括SH（全过热）、SH+TP（过热和两相共存）、TP1（进出口均为两相）和TP2（进口两相/出口饱和），如图2所示。

在冰箱实际运行过程中，通过控制4种运行模式相互切换，即任意一种运行模式切换至其他3种运行模式，实现给两箱室制冷的目的。为了避免冷藏蒸发器开机过程中冷冻蒸发器内还残存制冷剂的问题，冷冻循环结束之后要通过抽真空过程实现制冷剂的再分配而不能直接切换至冷藏循环，因此4种运行模式相互转换的共有11种可能情况。在不同运行模式切换过程中，两蒸发器中制冷剂的分布状态会发生改变，下面将分别列出11种模式转换方式下并联双蒸发器转换前后的运行模式，以及模式转换前后两蒸发器中制冷剂的分布状态，如表1所示。

 

1.3  建立制冷剂不同分布状态下质量、能量及其它状态参数的计算公式  

在并联双蒸发器实际运行过程中，2个蒸发器之间有质量和能量的传递，为保证计算算法质量和能量的严格守恒，将两蒸发器的总质量和总能量作为状态参数，这样质量和能量守恒方程就作为基本控制方程，如公式(1)和公式(2)所示。

 

本文提出了制冷剂不同分布状态下的质量、能量及其他状态参数的计算公式。下面将分别列出制冷剂4种分布状态下的计算公式 。

1.3.1  制冷剂为过热状态（SH）

 

1.3.2  制冷剂为两相和过热共存状态（SH+TP）

 

1.3.3  制冷剂为进出口均为两相（TP1）状态或制冷剂为进口两相/出口饱和（TP2）状态

各模式的判断准则保证了各模式之间的光滑转换。根据焓值线性分布假设，具体的各模式的判断准则如表2所示。

 

1.4  算法实现  

确定两蒸发器在不同运行模式下状态参数的计算方法如下：

1)     首先输入边界条件制冷剂进口质量流量 m _in 、出口质量流量 m _out 、进口焓 h _in 、出口焓 h _out 以及制冷剂侧换热量 Q ；

2)     根据式(1)~式(2)积分计算第i时刻制冷剂的总质量和总能量；

3)     输入制冷剂的总质量、总能量；

4)     并联双蒸发器运行模式切换共分为11种，不同切换过程，两蒸发器中制冷剂的状态参数确定流程不同，如果切换模式为模式1~3中的1种，转到步骤5）；如果切换模式为模式4~8中的1种，比较冷藏、冷冻蒸发器内压力，当冷藏蒸发压力大于冷冻蒸发压力转到步骤6）；否则转到步骤5）；如果切换模式为模式9~10中的1种，比较冷藏、冷冻蒸发器内压力，当冷冻蒸发压力大于冷藏蒸发压力转到步骤6）；否则转到步骤8）；如果切换模式为模式11，转到步骤8）；

5)     假定压力，分别计算冷藏蒸发器和冷冻蒸发器中制冷剂的状态参数，如果计算的两蒸发器内制冷剂的总质量（总能量）和实际总质量（总能量）相等时，计算收敛，转到步骤10）；否则调整压力假定值，重新计算；

6)     假设蒸发器内压力，计算冷冻蒸发器中制冷剂状态参数，如果计算的总能量与实际总能量相等时，计算收敛，转到步骤7），否则调整压力假定值，重新计算；

7)     假设蒸发器内压力，计算冷藏蒸发器中制冷剂状态参数，如果计算的总质量与实际总质量相等时，计算收敛，转到步骤10）；否则调整压力假定值，重新计算；

8)     假设压力，计算冷冻蒸发器中制冷剂的状态参数，如果计算的冷冻蒸发器内制冷剂的总能量与其实际总能量相等时，计算收敛，转到步骤9）；否则调整压力假定值，重新计算；

9)     假设蒸发器内压力，计算冷藏蒸发器中制冷剂状态参数，如果计算的总能量与实际总能量相等时，计算收敛，转到步骤10），否则调整压力假定值，重新计算；

10)输出蒸发器中制冷剂的状态参数，计算i+1时刻制冷剂的状态参数。

具体算法如图3所示。

 

基于式(3)~式(17)，确定蒸发器中制冷剂分布状态和状态参数的计算流程如下。

 

2、算法验证

为了证明计算方法的有效性，本文将提出的计算方法嵌入到成熟的冰箱系统仿真软件 ^[   杨丛彦 , 赵丹 , 丁国良 , 等 . 多类型冰箱部件及系统仿真软件开发 [C]// 中国家用电器技术大会论文集 . 北京 : 《电器》杂志社 , 2015: 37-46. ^] 中，仿真软件在个人电脑（Intel Pentium D CPU2.66 GHz；1024 MB RAM）模拟测试冰箱实际运行24小时的动态性能，仿真所花费的时间在300秒以内，并将仿真结果中蒸发器中制冷剂的状态参数与实验测试结果 ^{[赵丹. 面向制冷空调装置快速稳定仿真的部件模型拓展及系统仿真平台开发[D]. 上海: 上海交通大学, 2014.]} 进行比较，其中温度测量精度为±0.3oC，制冷剂压力测量精度为±0.2%。用于测试的蒸发器参数如表3所示。

表 3 两蒸发器的结构参数

结构参数	冷藏蒸发器	冷冻蒸发器
类型	翅片管型	翅片管型
管长/m	5.6	18.56
内径/mm	6.6	6.92
外径/mm	8	7.94
翅片间距/mm	6.35	8.47

采用本文提出的并联双蒸发器计算方法仿真冰箱蒸发器正常工作时的性能，仿真结果和实验结果吻合很好，结果显示仿真值相对于实验值的相对偏差在均在10%以内，如图5所示。

  

3、结论

1）通过将制冷剂的分布状态划分为SH（全过热）、SH+TP（两相和过热共存）、TP1（进出口均为两相）以及TP2（进口两相/出口饱和）4种分布状态，给出制冷剂四种分布状态下质量、能量及其他状态参数的计算公式，可以实现并联双蒸发器所有运行模式下动态性能计算；

2）依据焓值线性分布假设，将制冷剂的密度和空泡系数作为判定参数，可以实现制冷剂各分布状态计算模型光滑转换，从而保证了并联双蒸发器动态性能仿真计算方法稳定性。

3） 提出了基于质量和能量守恒的并联双蒸发器动态性能算法，计算蒸发器正常工作时的动态性能与实验结果吻合良好，结果显示仿真值和实验值的相对偏差在均在10%以内。在个人电脑仿真24 h性能所花费的时间仿真小于300 s，满足设计要求。

 

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