制冷系統(tǒng)換熱器建模與仿真方法研究.pdf

1、制冷空調(diào)系統(tǒng)正在成為世界上消耗能量最多的耗能系統(tǒng)之一。制冷系統(tǒng)計算機(jī)仿真是實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、優(yōu)化控制和系統(tǒng)匹配的重要技術(shù)手段，也是制冷空調(diào)產(chǎn)品設(shè)計方法現(xiàn)代化的重要體現(xiàn)。蒸發(fā)器和冷凝器（本文統(tǒng)稱之為制冷系統(tǒng)換熱器）是蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其建模和仿真方法是制冷系統(tǒng)熱動力學(xué)及計算機(jī)仿真的重要內(nèi)容和難點(diǎn)所在。 本文在國內(nèi)外已有研究成果的基礎(chǔ)上，提出了制冷系統(tǒng)換熱器動態(tài)過程建模和仿真領(lǐng)域存在的幾個主要問題，并對其展開研究。

2、主要研究工作與結(jié)果包括以下五個方面。 基于馬丁—侯(Martin-Hou)狀態(tài)方程建立了制冷劑熱力參數(shù)計算模型，開發(fā)了相應(yīng)的仿真模塊。通過對R12、R22、R502和 R134a等四種制冷劑熱力參數(shù)計算，證明該模塊具有較高的計算精度，能夠滿足制冷空調(diào)系統(tǒng)仿真的需要。同時，為了進(jìn)一步提高熱物性模型的的運(yùn)算速度，拓展仿真系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，本文采用Levenberg—Marquardt優(yōu)化方法對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)，建立了基于改進(jìn)BP神

3、經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的制冷劑狀態(tài)參數(shù)模型。 提出了制冷系統(tǒng)換熱器的統(tǒng)一分布參數(shù)模型。在該統(tǒng)一分布參數(shù)模型框架下，制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器和冷凝器以及制冷劑各相區(qū)的熱力參數(shù)及其瞬態(tài)分布特性，可以方便地以統(tǒng)一的方式加以描述，避免了以往制冷系統(tǒng)動態(tài)過程仿真中必須進(jìn)行的各相區(qū)模型的反復(fù)切換，明顯提高了制冷系統(tǒng)換熱器仿真模型的整體性能和可用性；該統(tǒng)一分布參數(shù)模型既可用于制冷系統(tǒng)換熱器的動態(tài)過程仿真，亦可用于換熱器的穩(wěn)態(tài)特性分析。 基于制冷劑流體質(zhì)點(diǎn)追蹤計

4、算觀點(diǎn)，建立了適用于制冷換熱器各相區(qū)的通用數(shù)值仿真算法。該數(shù)值仿真算法有效地克服了已有仿真算法存在的數(shù)值穩(wěn)定性問題，成功地解決了動態(tài)過程制冷劑相變點(diǎn)瞬態(tài)位置的計算問題。在該數(shù)值仿真方法中，換熱系統(tǒng)的空間離散化是在制冷劑流動過程自動完成的。在實(shí)際的仿真計算過程中，調(diào)整積分時間步長的大小，可以滿足不同仿真目的對數(shù)值計算精度或仿真速度的需要。 利用所提出的制冷系統(tǒng)換熱器的統(tǒng)一分布參數(shù)模型和數(shù)值仿真算法，對制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器和冷凝器在分布參

5、數(shù)意義下的動、靜態(tài)性能進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)研究，分析比較了采用不同制冷劑時蒸發(fā)器和冷凝器主要熱力性能，證明了所提出的模型及數(shù)值仿真算法的有效性和通用性。 針對目前普遍應(yīng)用的兩類典型模糊規(guī)則模型存在的不足，提出了一種基于輸入空間熵聚類及局部區(qū)域線性化的非線性系統(tǒng)模糊辨識方法，并用于制冷系統(tǒng)換熱器的在線建模。所提出的在線建模方法有效地綜合了競爭算法的學(xué)習(xí)能力、模糊系統(tǒng)的推理能力以及遞推最小二乘法算法簡單等優(yōu)點(diǎn)，保證了系統(tǒng)模型辨識過程的快速

6、收斂能力和辨識結(jié)果的精確性。文中利用制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器動態(tài)過程仿真試驗(yàn)證實(shí)了所提出的模糊辨識模型的有效性，并討論了模糊規(guī)則輸入向量結(jié)構(gòu)及輸入空間聚類狀態(tài)對制冷系統(tǒng)換熱器動態(tài)過程模糊辨識結(jié)果的影響。 研究表明，當(dāng)制冷系統(tǒng)換熱器的運(yùn)行工況發(fā)生明顯變動時，所建立的模糊規(guī)則模型及辨識方法表現(xiàn)出了十分理想的在線跟蹤能力和在線建模精度；利用所建立的模糊辨識模型進(jìn)行制冷系統(tǒng)換熱器動態(tài)過程在線建模，一般只需要相對較少的模糊規(guī)則就能夠獲得比較理想的辨