双蒸发器制冷系统的优化设计

　　0 引言

　　制冷系统的优化设计不能仅从节能角度,即提高制冷系数来考虑,而应把制冷系统年总费用最低作为系统设计的优化目标函数,即采用全面优化的经济准则[1]。本研究拟对双蒸发器制冷系统,建立数学模型,确定目标函数和约束方程,并利用matlab语言计算出在一定的参数条件下,系统最优的配置,并为进一步分析各种影响因素及其相互关系打下基础。

　　1 双蒸发器制冷系统简介

　　本研究拟对双蒸发器制冷系统进行优化设计。该制冷系统原理如图1所示。

　　由图可见,系统采用两组蒸发器交替制冷和除霜,具体工作过程为:当电磁阀打开,电磁阀关闭时,从压缩机排出的高温气体首先经过I号换热器,然后进入室外冷凝器,再经过储液器、干燥过滤器以及膨胀阀4以后,变为低温低压两相流体,然后进入II号换热器,最后回到压缩机回气口。

　　此时I号换热器起到冷凝器的作用,Ò号换热器起到蒸发器作用。当II号换热器表面结霜到一定程度以后,电磁阀关闭,电磁阀打开,上述工作过程则反向进行。如此轮换,可以实现对房间恒温恒湿的控制[2]。

　　2 模型建立

　　对于一个完整的制冷系统,热力学模型实际上不仅应包括压缩机、冷凝器、双蒸发器和膨胀阀,还应包括用于压缩机的电机和冷凝器的风机。对于图1所示的双蒸发器制冷系统,若取每种设备的年折旧费的百分比近似相等为a,则有[3]:

式中:E--制冷系统年总费用,元/年;Z1、Z2、Z3)压缩机、冷凝器和蒸发器的初投资,元;

　　a--每种设备的年折旧费百分比(接近相等);

　　t--制冷系统每年工作的小时数, h/年;

　　Ce--电价,元/kWh;

　　W1、W2--压缩机、冷凝器的电功率, kW。

　　从(1)式可以看出:制冷系数、火用效率的提高可使电耗降低,但如果设备投资较大,则不一定会使年总费用降低,反之亦然。制冷系统的优化设计应综合考虑各种因素,适当选择设计参数,使年总费用最小。只有把一次投资与经常运转费用综合分析才能得到最优的选择。

　　2.1 压缩机功率W1及其设备费用Z1

　　压缩机功率可用下式表示[25]:

式中:M--制冷剂的制冷流量, kg/s;

　　K--制冷剂的绝热指数;

　　R--制冷剂的气体常数, kJ/kg.K ;

　　T1、T1c--压缩机进、出口温度;

　　C1、C2--压缩机进、出口工质的压缩因子;

　　Ga、Gm--压缩机的电机效率和机械效率。

　　假定压缩机的设备费随功率的增加而增加,根据国内产品系列,采用Z1=c1W1+c2的线性函数来拟合,得到:

（4）

　　2.2 冷凝器设备费用Z2