制冷空调系统仿真中工质热物性计算模块设计

    1 概述

    在制冷空调系统的仿真研究中,必须首先计算制冷剂的热力性质,计算中制冷剂热力性质计算模块将被成千上万次的调用,因此其计算效果—精度、速度和稳定性,将直接影响仿真计算的效果。

    制冷剂的热力性质计算方法,可以分为图表法、状态方程法和拟合关联式法3种。目前在我国工程实践中用得最多的仍是图表法,因为这种方法简单,对专业知识和 计算条件的要求低。但是,这种方法的效率很低,尤其在大批量连续计算时,故不适合系统仿真。拟合关联式法由于简单、实用、计算量小[1],得到了系统仿真 研究者的青睐,但是,目前的多项式类拟合函数在系统仿真中应用时也有其明显的缺点。一是在较大的拟合范围内对不同的热力性质,难以获得一致的令人满意的拟 合精度;二是在一定的精度要求下,对不同的热力性质难以采用一致的拟合函数形式;三是一般的简化拟合函数都是显函数形式,在热力性质计算中的因变量和自变 量发生转换时,通常要进行迭代计算。迭代计算不仅造成计算效率低下,而且容易引起计算的不稳定。状态方程法,是制冷剂热力性质计算的核心方法,因为状态方 程和辅助方程的建立是基于严格的理论和实验研究,这类方法具有精度高、适用范围广的优点。但是,这类方法用于系统仿真研究时,其编程难度和计算量偏大,计 算的稳定性也不够完善。

    笔者以状态方程法建立了制冷剂热力性质计算模块,状态方程采用在制冷领域中得到广泛应用的马丁-侯(Martin-Hou)方程,并用VC++6.0进行 了实用化的编程。利用该模块,文中对R134a、R12、R22进行了计算,并将计算结果与制冷剂热物性标准数据图表进行了比较,其精度令人满意,且程序 运行速度极快,能满足制冷空调系统仿真研究的需要。

    2 制冷剂热力学状态参数模型

    制冷剂热力学状态参数模型主要包括过冷液体状态参数模型、饱和区状态参数模型和过热气体区状态参数模型等3部分。

    过冷液体热力性质计算方程

    饱和气体压力方程

    饱和液体密度方程

    饱和液体焓方程

    饱和液体熵方程

    蒸汽状态方程

    气体焓方程

    气体熵方程

    在以上各式中,h为比焓(kJ/kg);p为压力(kPa);T为热力学温度(K);s为比熵(kJ/kg.K);υ为比容(m3/kg);ρ为密度(kg/m3);下标1液体,2为气体,c为临界状态,s为饱和状态,其余为常数,取值参见文献[2-4]。