房间空调器

房间空调器

  摘要:本文采用可变容差优化方法,将制冷系统性能系数COP值作为目标函数,以蒸发器、冷凝器、毛细管的主要结构参数及制冷剂充港灌量为优化变量,对房间空调器系统的几大部件进行了最佳匹配计算,使之能效比显著提高,达到了节能目的。

  1.近年来,尽管对制冷设备中的基本现象的认识已比较清楚,但目前空调器生产厂家基本上还是采用传统的类比设计方法,着重强调与企业的设备条件和设计经验的一致,达到在一定程度上的系统匹配。

  本文的目的是对一个分体壁挂式空调器制冷系统进行最优匹配。将制冷系统性能系数COP值作为目标函数,以蒸发器、冷凝器、毛细管的主要结构参数及制冷剂充灌量为优化变量,对空调器系统的几大部件进行了最佳匹配计算,计算结果表明优化后的COP值较原始值提高8.07%,制冷量提高了3.77%,功率消耗降低了3.79%,实现了节能目标。

  2.制冷系统工作过程模拟

  冷系统工作过程模拟的目的是为实现系统的最佳匹配和工作过程控制自动化,故模拟模型应准确、可靠。通常用用稳态集中参数法比较粗糙,且不抻于了解系统各部特征。本文则采用稳态分布参数法。

  2.1蒸发器和冷凝器的模拟

  制冷剂在蒸发器和冷凝器中的流动分别是饱和态及过热态、饱和态及过冷态,通常在两器的换热计算在均将每一状态作为整体采用平均换热公式,虽然考虑了单相和两相流体在传热上的差异,但实际上在所划分的每一区域内传热系数和制冷剂温度是不相同的。本文则采用分步计算法,在假设出口参数的条件下,应用质量守恒、动量守恒和能量守恒方程进迭代计算,得出制冷剂的温度、压力和干度的变化情。

  2.2毛细管的模拟

  毛细管的结构虽然简单,但管中制冷剂的流动比较复杂,是一个从液体单相流的“闪蒸”过程,且存在汽化滞后的非热力学平衡现象,该现象对毛细管内制冷剂流量和出口参数等都有较大影响。本文根据诸多文献中R22的实验数据对文南非的模型作了修正,比较满意地反映出R22闪点延迟与毛细管内径、入口过冷度等的关系。毛细管进出口参数仍采用分步参数法,借助三大守恒方程联立迭代求解。

  2.3压缩机的模拟

  本文的空调器制冷系统中采用滚动转子压缩机,对其工作过程的瞬态模拟仍借助三大守恒方程,综合考虑了气缸与外界的热交换、气体的泄漏、气阀的运动规律、运动部件的摩摩等诸因素对压缩机工作性能的影响,使其更接近压缩机的实际工作过程。文献[2]给予详细的叙述。

  2.4制冷系统的模拟

  

  制冷系统模拟计算框图,是以质量流量及系统充灌量作为计算收敛的判据,与文献[3]比较,其优点是选取的初值对收敛速度及计算精度的影响较小,并且顾及了充灌量的影响。

  3.制冷系统最佳匹配

  作者在实验验证了制冷系统模拟计算与实验结果吻合较好的基础上,建立了制冷系统几大部件间的最佳匹配优化模型,经过优化后的制冷系统实现了节能目的。

  3.1优化参数

  (1)目标函数及设计变量

  本文的目标函数取:

  Fx=1/COP

  COP值为能效比。

  设计变量如下:制冷剂充灌量M

  冷凝器的翅片间ec;管外径doc;单根管长lc;迎面风速uc;

  蒸发器的翅片间距ee;管外径doe;单根管长le;迎面风速ue;

  毛细管长Lcap。

  这里暂且没考虑压缩机的优化,并取毛细管内径为定值。

  (2)约束条件

  显性约束如下:

  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。

  为了计算的方便,将上述约束作无量纲处理。

  另外对材料消耗及噪声指标提出限制,冷凝器和蒸发器优化后的重量应不大于样机重量,噪声的控制是通过限制空气流过蒸发器时流动阻力来实现的。

  3.2优化方法

  因为空调器制冷系统工作过程的模拟计算量很大,目标函数、约束条件和设计变量间存在着复杂的线性或非线性或非线性关系,故本文采用可变容差优化方法。该方法的特占领是初始多面体的顶点不要求为可行点,无需计算梯度,因而运行简便。同那些要求严格满足可行性的优化方法比较,大大节省计算时间,另外,还可以利用公差准则数作为搜索结束的准则。

  需要指出的是,在房间空调器制冷系统的优化计算中,由于目标函数、约束条件和设计变量之间是较为复杂的隐含非线性关系,故所行优化结果是局部最优解,是与初始点位置有关的。另外,设计变量的最优值与国家规定的系列标准值并有相符,需对优化值进行圆整或标准化。为此,需要利用“子空间优化”方法,对某些设计娈量圆整或标准化。然后再通过比较多个局部最优解,得出最终的优化设计。

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