制冷剂在全封闭压缩机内的流动特点

　　制冷系统仿真技术从20世纪70年代末提出，至今已有30余年的历史，这期间随着制冷技术及计算机技术的高速发展，制冷系统仿真技术也逐步形成并在实用中进一步完善，同时随着理论上诸多基本问题的解决，如今的制冷系统仿真技术正在逐步向着实用化转化。

　　上海交通大学制冷与低温工程研究所从20世纪80年代初期开始从事制冷系统的数字化仿真。经过近20年的发展，上海交通大学逐步建立了大中小型制冷装置的动态、稳态仿真平台，如与春兰集团合作开发的“房间空调器智能仿真”

　　软件已经通过上海市科委鉴定，受美国UTC公司（美国联合技术公司）委托开发的“大型螺杆机组性能仿真”软件也已经通过UTC公司的验收。

　　冰箱工作的目的是为了使箱内的温度达到所希望的值。其控制方式是通过设定冷藏室温度上下限，来控制压缩机开停。冰箱系统由两部分构成，即制冷模块与热负荷模块。制冷模块（主要为压缩机、冷凝器、毛细管、蒸发器）产生冷量。但对于一定的制冷量，箱内温度如何变化还取决于箱体的热负荷。图2给出了制冷模块与箱体的相互耦合关系。为了求得制冷模块的动态制冷量，需要知道箱内的空气温度，而箱内空气温度的确定又必须以制冷量作为输入值。

　　因此冰箱的动态仿真，要在分别对此两部分建立动态模型后，再根据上述的耦合关系，组合成系统模型。

　　冰箱系统仿真应该能对冰箱一般工况和国标试验（冷却速度试验、冷冻能力试验、耗电量试验、负载温度回升试验、储藏温度试验、制冰能力试验）进行预测。需关心的参数包括：箱内空气温度、试验包温度、冷凝压力、蒸发压力、压缩机流量、毛细管流量，压缩机开机率、耗电量、冷冻能力、制冰能力、负载温度回升时间等。

　　建模思想及模块划分。压缩机模型建模思想小型制冷装置大多采用全封闭式压缩机，构造较复杂。

　　系统仿真学报1压缩机2冷凝器3干燥过滤器4毛细管5冷冻蒸发器6冷冻室7冷藏蒸发器8冷藏室9吸气管制冷系统箱体蒸发器制冷量冷凝器散热量压缩机散热量箱内空气温度环境温度与结构参数环境温度与结构参数负荷模块箱内空气温度制冷仿真对压缩机进行研究的目的并非对其本身结构进行优化，而是从满足系统仿真优化角度出发，主要需较准确地知道其进出口参数，模型的建立应保证一定的精度，同时尽可能缩短计算时间。因此，压缩机排气量、功率、排气温度或焓是冰箱系统仿真关心的参量。

　　根据制冷剂在全封闭压缩机内的流动特点，压缩机模型可分成气缸压缩环节和壳侧换热环节两部分。由于压缩机频率约为50HZ，相对于所要关心的箱内空气温度变化要快得多，因此可以认为流量对于压缩机边界条件的影响是即时的，可以采用稳态形式的方程来描述压缩机特性。而对于壳侧（包括壳体、制冷剂和油）的换热环节，壳体的温度变化与箱内温度的变化相当，因此需要采用动态模型。

　　冷凝器模型建模思想在冰箱系统仿真中，冷凝器的动态特性主要反映在装置的开、停机过程中。冷凝器中的制冷剂在压缩机开停过程中变化相当大。在长时间停机时，冷凝器中的制冷剂为过热气体，当装置启动后，压缩机将大量制冷剂过热气体排入冷凝器，冷凝器压力迅速上升，当压力升高到当地温度对应的饱和压力时，冷凝器中开始有制冷剂液体凝结，随后出现过冷液体区。在冷凝器工作的大部分时间中，其内制冷剂包含过热、两相、过冷三部分。压缩机刚停机时，冷凝器中的制冷剂继续通过毛细管流向蒸发器，冷凝器压力逐渐下降，冷凝器与蒸发器压力很快达到平衡。冷凝器的出口状态也随之从过冷变化到两相并逐渐成为过热气体。而且，由于冷凝器内制冷剂多、流速慢，故其出口状态对进口扰动的响应时间较长，通常大于冰箱动态仿真的时间步长。由上述分析可知，在冰箱系统动态仿真中，冷凝器宜采用动态模型，而且在构件冷凝器部件模块时宜把冷凝器的工作状况区分成四个阶段（开机完全过热气体阶段、开机有液体冷凝阶段、停机有液体冷凝阶段和停机完全过热气体阶段）分别建模。

　　冷凝器动态模型可划分为三种：集中参数模型、分布参数模型和分相集中参数模型。集中参数模型难以区分不同状态下的换热，模型误差较大。从理论上讲，分布参数模型的精度最高。但模型的精度还与换热系数的准确度有关，目前换热器局部换热系数公式误差较大，因此，分布参数模型的高精度难以得到保证。同时，分布参数模型计算量大、计算的稳定性也不好。由于系统仿真既要求有一定的精度，又要求程序的稳定性和运行速度，因此目前采用分相集中参数模型是比较合适的。

　 蒸发器模型建模思想与冷凝器一样，蒸发器也采用动态分相集中参数模型。

　　冰箱长期停机时，蒸发器内制冷剂为过热气体。开机后，随着压缩机不断从蒸发器抽吸制冷剂，蒸发器压力迅速下降。随着毛细管两相制冷剂的充入，蒸发器出现两相区。在蒸发器工作的大部分时间中，其内制冷剂包括两相、过热两部分。压缩机停机时，冷凝器中的制冷剂继续通过毛细管流向蒸发器，蒸发压力逐渐上升，并和迅速下降的冷凝压力达到平衡。当压缩机再次开机时，蒸发器尚处于气液两相状态，与初次开机不同。

　　针对上述蒸发器的不同工作状况，蒸发器可按初次开机阶段、停机阶段和再次开机阶段分别建模。节流模块建模思想冰箱通常采用毛细管作为节流元件。由于毛细管内制冷剂少、流速高，故毛细管出口状态对进口扰动的响应时间很短，远小于蒸发器和冷凝器的时间常数，因此毛细管可采用稳态模型。另外，毛细管通常部分焊接在回气管上，毛细管与回气管进行换热，这使得毛细管模型变得相当复杂。简单起见，可将毛细管模型分成换热环节和绝热环节两部分，并把毛细管的换热量当量成毛细管进口的“有效焓差”，实现两个环节解耦。

　　当冰箱运行于稳定工况时，毛细管进口制冷剂一般为过冷液体。制冷剂进入毛细管后，伴随流动摩擦产生的压降，依次经历了液相流动区和气液两相流动区（忽略亚稳态区）。

　　在液相流动区，可认为制冷剂是不可压缩的，热力性能与压力无关，对于绝热毛细管，液相区可以看作是等焓节流过程，因此制冷剂温度不变。在气液两相流动区，制冷剂压力迅速下降，制冷剂流速迅速上升，可以接近甚至达到当地音速，从而引发壅塞流动现象；这时，毛细管出口处的制冷剂压力丁国良，等：家用冰箱部件模型的分析与建模思想将大于或等于毛细管背压（毛细管背压就是蒸发器的进口压力），制冷剂流量也将不再受到毛细管背压的影响。因此在毛细管建模时要考虑壅塞的情况。

　　负荷模块建模思想冰箱热负荷可分为冷藏室热负荷和冷冻室热负荷，主要包括：环境、保温层、箱内空气、冷冻室货物和冷藏室补偿电加热器，热量传递关系见图3.如图所示，保温层是箱体与环境、箱体与制冷部件间热量传递的枢纽，而箱内空气温度是负荷模块的输出。

　　冷冻室保温层冷冻室空气冷藏室保温层冷藏室空气冷藏室冷冻室图中是冷冻室蒸发器的冷量；是冷藏室蒸发器的冷量；是环境温度；是冷凝器的散热量；是冷冻室内壁面传给冷冻室空气的冷量；是冷藏室内壁面传给冷藏室空气的冷量；是压缩机周边空气温度；分别是冷冻室、冷藏室箱内空气温度。

　　保温层的特点是其物性参数和内外侧换热系数近似定常，外侧环境温度基本恒定，而内侧边界条件相当复杂，不但要考虑复杂的几何结构，还要考虑内热源、门缝漏热等影响。针对保温层的这些特点，可采用基于现代控制理论的状态空间模型，将不同形式的边界条件和内热源用统一的形式表达，物理意义明确。但该种模型的缺点是计算量大、存贮量大，且多个输入、输出相关的传热环节之间难以通过状态空间模型进行合成，因此这种模型适宜做初始模型。将状态空间模型再转化为传递函数模型，就可基本解决状态空间模型的上述缺点。另外，由于保温层包括多个墙面，故直接得到的保温层模型包含多个传递函数，形式上仍较复杂，通过相应的合并，就可得到形式简单的合成传递函数模型。

　　箱内空气和保温层一样，物性近似为定常，也可采用传递函数模型，并且能与保温层的传递函数合成在一起。

　　箱内货物和保温层不同，在冷冻时会发生相变，具有典型的非线性特征，故货物模型不宜采用传递函数模型。冰箱内货物的热量传递是个边界条件不对称、有相变、三维、非稳态的导热问题，而且还受到货物摆放位置和货物种类的影响。考虑到货物模型的精度受到对货物的换热边界条件和热物性参数了解不准确的限制，以及货物模型的计算速度，本文采用文献<13>的简化模型。

　　环境和电加热器由于基本保持不变，故可简单地处理成一个输入。冰箱内部还有些次要的热负荷，如搁物架、热电偶引线等，由于这些物体热容较小，对箱内空气温度影响不大，故把它们都包含在箱内空气模型中。负荷模块包括箱内空气模型、保温层模型和货物模型三部分。

　　制冷剂充注量计算制冷剂充注量与制冷装置的工作特性紧密相关。制冷剂在制冷系统有三种状态，即汽态、液态及二相共存。其中较难计算的是二相区制冷剂的质量。因此，对二相区选择合适的空泡系数模型至关重要。现有的研究表明，Premoli空泡系数模型对于家用冰箱的准确度较好。因此，采用Premoli空泡系数模型计算二相区制冷剂质量。