基于bp的空氣源熱泵機(jī)組建模與仿真

基于bp的空氣源熱泵機(jī)組建模與仿真

1機(jī)組特性分析隨著asph語言發(fā)生器（asph）的應(yīng)用范圍的逐漸擴(kuò)大，其設(shè)計(jì)和運(yùn)營結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化。新工況下,機(jī)組穩(wěn)態(tài)工作特性、各部件參數(shù)及容量相互匹配,對(duì)機(jī)組特性的敏感性分析,新型替代工質(zhì)的應(yīng)用,以及制冷劑充注量等問題需要借助系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真來解決。因此,本文以實(shí)現(xiàn)ASHP機(jī)組優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)為目標(biāo),建立詳細(xì)的ASHP機(jī)組穩(wěn)態(tài)仿真模型,通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所建模型的可靠性與通用性。2ashp機(jī)組數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建和求解2.1優(yōu)化數(shù)學(xué)模型在熱泵制冷裝置仿真中,壓縮機(jī)環(huán)節(jié)由于其時(shí)間常數(shù)(慣性)較短,多被處理成穩(wěn)態(tài)集中參數(shù)模型,傳統(tǒng)建模方法主要有效率法、圖形法、多變壓縮指數(shù)法、多控制容積法。這些建模方法或者需要應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式,或者需要建立非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型,又由于壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且影響其工作性能的因素較多,因此該類模型精度較低、通用性差。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性特征和學(xué)習(xí)與預(yù)測(cè)功能可以很好地解決傳統(tǒng)模型存在的問題。利用BP網(wǎng)絡(luò)對(duì)半封閉往復(fù)式壓縮機(jī)建立性能預(yù)測(cè)模型,詳細(xì)建模過程見文獻(xiàn)。2.2要控制方程采用如圖1所示的分區(qū)集中參數(shù)模型對(duì)干式殼管式冷凝器建模,制冷劑由兩側(cè)分別進(jìn)入冷凝器內(nèi),制冷劑管內(nèi)流動(dòng)。建模中的假設(shè)條件為:1)制冷劑一維流動(dòng),即只考慮軸向運(yùn)動(dòng),忽略徑向運(yùn)動(dòng);2)因管壁較薄,忽略熱阻;3)氣相和液相處于熱力平衡狀態(tài),即氣相和液相有相同的飽和壓力和溫度,不存在亞穩(wěn)態(tài);4)忽略壓降的影響,認(rèn)為冷凝壓力及冷凝溫度沿管長保持不變;5)水平管中不計(jì)制冷劑重力的影響;6)制冷劑在垂直于流動(dòng)方向的截面上各點(diǎn)的物性參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)一致,氣相和液相充分混合。主要控制方程(公式編號(hào)中a、b和c分別代表冷凝器過熱區(qū)、兩相區(qū)和過冷區(qū)):(1)制冷劑質(zhì)量守恒方程mci-mcv=0(1a)mcv-mcl=0(1b)mcl-mco=0(1c)(2)制冷劑能量守恒方程mcihci-mcvhcv+αcsπDciLcs(Tcws-Tcs)=0(2a)mcvhcv-mclhcl+αctπDciLct(Tcwt-Tct)=0(2b)mclhcl-mcohco+αclπDciLcl(Tcwl-Tcl)=0(2c)(3)管壁能量方程αcsπDciLcs(Tcs-Tcws)+αcoπDcoLcs(Thws-Tcws)=0(3a)αctπDciLct(Tct-Tcwt)+αcoπDcoLct(Thwt-Tcwt)=0(3b)αclπDciLcl(Tcl-Tcwl)+αcoπDcoLcl(Thwl-Tcwl)=0(3c)(4)管外水側(cè)能量方程˙Μhwcp,hw(Τhwo-Τhwsi)=αcoπDcoLcs(Τcws-Τhws)M˙hwcp,hw(Thwo?Thwsi)=αcoπDcoLcs(Tcws?Thws)(4a)˙Μhwcp,hw(Τhwsi-Τhwti)=αcoπDcoLct(Τcwt-Τhwt)M˙hwcp,hw(Thwsi?Thwti)=αcoπDcoLct(Tcwt?Thwt)(4b)˙Μhwcp,hw(Τhwti-Τhwi)=αcoπDcoLcl(Τcwl-Τhwl)M˙hwcp,hw(Thwti?Thwi)=αcoπDcoLcl(Tcwl?Thwl)(4c)2.3熱力膨脹閥開啟度計(jì)算感溫包內(nèi)溫度壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系式如下:pb=4.7583+1.208(Tb+1.0429)+152.9477(Tb+1.0429)2+2.3116(Tb+1.0429)3-0.2258(Tb+1.0429)4(5)膨脹閥膜片上的受力情況如圖2所示,力的平衡關(guān)系滿足式(6):pb=pe+1Apm(F0+F1)pb=pe+1Apm(F0+F1)(6)F1=kΔy(7)由式(8)可知膨脹閥的開啟度為:Δy=1k(pbApm-peApm-F0)Δy=1k(pbApm?peApm?F0)(8)熱力膨脹閥流通如圖3所示,從中可以看出,在已知膨脹閥開啟度Δy和閥針錐頂角a后,制冷劑流通面積可根據(jù)公式(9)求出:Aexp=πΔysin(α/2)(d-0.5Δysinα)(9)在一定蒸發(fā)壓力、冷凝壓力和入口條件下,膨脹閥的制冷劑流量特性可由式(10)計(jì)算:mexp=447.2CDAexp[ρexp,in(Pc-Pe)]1/2(10)CD為流量系數(shù),可由式(11)計(jì)算:CD=0.02005(ρexp,in)1/2+0.634vexp,o(11)2.4相關(guān)參數(shù)估計(jì)蒸發(fā)器數(shù)學(xué)模型的建立與冷凝器相同,仍采用分區(qū)集中參數(shù)方法。通常情況下,制冷劑在蒸發(fā)器中依次進(jìn)入兩相區(qū)和過熱區(qū),蒸發(fā)器模型如圖4所示。主控制方程如下(公式編號(hào)中標(biāo)號(hào)a和b分別代表蒸發(fā)器兩相區(qū)和過熱區(qū)):(1)制冷劑質(zhì)量守恒方程mei-mev=0(12a)mev-meo=0(12b)(2)制冷劑能量守恒方程meihei-mevhev+αetπDeiLet(Tewt-Tet)=0(13a)mevhev-meoheo+αesπDeiLes(Tews-Tes)=0(13b)(3)管壁能量方程αetπDeiLet(Tet-Tewt)+αeoπDeoLet(Ta-Tewt)=0(14a)αesπDeiLes(Tes-Tews)+αeoπDeoLes(Ta-Tews)=0(14b)(4)管外空氣側(cè)能量方程˙Μacp,a(Τai-Τao)=αeoπDeoLet(Τewt-Τai)M˙acp,a(Tai?Tao)=αeoπDeoLet(Tewt?Tai)(15a)˙Μacp,a(Τai-Τao)=αeoπDeoLes(Τews-Τai)M˙acp,a(Tai?Tao)=αeoπDeoLes(Tews?Tai)(15b)2.5在換熱器中連接換熱的公式(1)表冷凝器過熱區(qū)、過冷區(qū)和蒸發(fā)器過熱區(qū)內(nèi)冷凝器與蒸發(fā)器單相區(qū)(過熱區(qū)、過冷區(qū))內(nèi),制冷劑工質(zhì)不發(fā)生集態(tài)改變,采用Dittus-Boeler換熱關(guān)聯(lián)式計(jì)算(公式編號(hào)中a、b和c分別代表冷凝器過熱區(qū)、過冷區(qū)和蒸發(fā)器過熱區(qū)內(nèi)):αcs=0.023λvcDciRecs0.8Ρrcs0.3αcs=0.023λvcDciRecs0.8Prcs0.3(16a)αcl=0.023λlcDciRecl0.8Ρrcl0.3αcl=0.023λlcDciRecl0.8Prcl0.3(16b)αes=0.023λveDeiRees0.8Ρres0.4αes=0.023λveDeiRees0.8Pres0.4(16c)(2)冷凝器溫度的表征在兩相區(qū)中,制冷劑冷凝時(shí)都是“膜層”冷凝,因此采用努謝爾特公式計(jì)算光管外表面的凝結(jié)換熱量:αct=0.725β(1(Τc-Τcwt)Dci)0.25αct=0.725β(1(Tc?Tcwt)Dci)0.25(17)式中β為物性集合系數(shù),主要受冷凝液膜的影響,而冷凝液膜溫度與冷凝溫度十分相近,因此本文將其擬合成冷凝溫度的關(guān)系式(18):β=1885.42-11.102Tc(18)制冷劑工質(zhì)在水平管內(nèi)沸騰時(shí),其換熱系數(shù)與熱流密度Ψ有關(guān),計(jì)算公式為:當(dāng)Ψ<4000W/m2時(shí):αet=2470uei0.47(19)當(dāng)Ψ>4000W/m2時(shí):αet=AΨ0.6(umDei)0.2(20)(3)橫向和縱向回流管簇在干式蒸發(fā)器中,為了提高液體橫向流過光管管簇時(shí)的流速,在沿殼體方向設(shè)有多塊圓缺形折流板,熱媒在殼體內(nèi)交替的橫向和縱向流過管簇。在這種情況下,采用換熱關(guān)聯(lián)式(21)計(jì)算熱媒的換熱系數(shù):αco=0.22Reco0.6Ρrco0.33(μhwμcw)0.14(21)式中定性溫度為流體的平均溫度,定型尺寸為換熱管外徑Dco,雷諾數(shù)中計(jì)算流速是區(qū)流體流過最靠近殼體中心線的一排管子橫截面的流速和流過折流板缺口截面流速的幾何平均值。(4)空氣側(cè)換熱系數(shù)由于室外側(cè)換熱器采用錯(cuò)排整體式肋片管束,因此用埋橋英夫的實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算空氣側(cè)換熱系數(shù):αeo=18[uas2e(s1-deo)(e-δf)]0.578(22)2.6系統(tǒng)開環(huán)算法將ASHP機(jī)組各部件模型相連,組成一個(gè)封閉的系統(tǒng),如圖5所示,按照閉環(huán)系統(tǒng)的計(jì)算方法,必須在某一個(gè)環(huán)節(jié)斷開,從估計(jì)反饋值開始進(jìn)行開環(huán)計(jì)算,本文從壓縮機(jī)進(jìn)口斷開。仿真過程中忽略各部件連接管件的內(nèi)容積、換熱和壓降。系統(tǒng)中各部件間的相互關(guān)系可概括為:(1)各部件中的制冷劑質(zhì)量流量之和等于系統(tǒng)的充注量;(2)流動(dòng)節(jié)點(diǎn)處的制冷劑質(zhì)量流量相等。這兩點(diǎn)構(gòu)成了系統(tǒng)模型求解的迭代判據(jù),由于本課題中系統(tǒng)的制冷劑總充注量是未知的,補(bǔ)充蒸發(fā)器出口過熱度作為已知條件,由此系統(tǒng)仿真算法降低為兩重迭代,迭代變量選取為蒸發(fā)壓力和冷凝壓力。3實(shí)驗(yàn)過程及測(cè)點(diǎn)布置為驗(yàn)證ASHP機(jī)組穩(wěn)態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性,對(duì)一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的空氣源熱泵供暖系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究。圖6是系統(tǒng)的原理圖,其中空氣源熱泵機(jī)組由兩臺(tái)6F-50.2Y型活塞式壓縮機(jī)組成,單臺(tái)額定功率37kW,額定供熱量118kW,制冷劑為R22。冷凝器為E2GZR26型殼管式冷凝器,制冷劑由兩側(cè)分別進(jìn)入冷凝器內(nèi),每側(cè)各有42根管,單管長8.4m,制冷劑管內(nèi)流動(dòng),共4行程。換熱管材為紫銅管,管徑為12.7mm×0.7mm,總換熱面積26m2,殼徑400mm×8mm。蒸發(fā)器為翅片管式換熱器,共8組,其中每組換熱器分液路數(shù)為20,每路管長為18m,管材為紫銅管,管徑為10mm×0.5mm,管間距25.4mm,管排距22mm,翅片為波紋狀鋁翅片,片間距為2.0mm,片厚0.2mm。室外側(cè)換熱器總風(fēng)量126000m3/h,共12臺(tái)風(fēng)機(jī),單機(jī)額定功率為0.75kW。圖6同時(shí)給出部分測(cè)點(diǎn)的布置情況,末端環(huán)路循環(huán)水流量可由流量計(jì)F1測(cè)量,供回水溫度則由設(shè)置在分、集水缸處的兩根玻璃棒水銀溫度計(jì)T1、T2測(cè)量,ASHP機(jī)組循環(huán)水泵輸入功率則由PROVA6600型鉤式電力計(jì),采用三相四線不平衡功率測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試,ASHP機(jī)組的輸入功率測(cè)試結(jié)果包括室外風(fēng)機(jī)的功率。室外側(cè)換熱器進(jìn)、出口空氣溫度(T5、T6),采用HOBOH6型溫度數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)記錄,自計(jì)間隔設(shè)置為10min。ASHP機(jī)組的運(yùn)行參數(shù),如壓縮機(jī)排氣溫度,冷凝壓力與蒸發(fā)壓力,均由機(jī)組自帶測(cè)點(diǎn)測(cè)量,結(jié)果由機(jī)組控制屏讀取。4機(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性仿真結(jié)果根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理出的28個(gè)穩(wěn)態(tài)工況,將各工況下的室外空氣溫度、供水溫度和蒸發(fā)器過熱度作為模型的已知條件,輸入到ASHP機(jī)組穩(wěn)態(tài)仿真程序中,得到如圖7～11所示的仿真結(jié)果,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。其中機(jī)組冷凝壓力和蒸發(fā)壓力的仿真誤差均在±10%以內(nèi),壓縮機(jī)排汽壓力的仿真誤差可控制在±5%以內(nèi),輸入功率的仿真誤差也集中在±5%以內(nèi),只有個(gè)別工況下達(dá)到±8%左右,以上4個(gè)參數(shù)的仿真效果說明機(jī)組的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性可以通過仿真模型得以準(zhǔn)確描述。代表機(jī)組穩(wěn)態(tài)供暖特性的供熱量、能效比兩個(gè)參數(shù)中,絕大部分仿真誤差可控制在±10%以內(nèi),個(gè)別工況下誤差可達(dá)到±15%左右,其主要原因是機(jī)組在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行之初,水環(huán)路受熱慣性的影響,尚未達(dá)到完全的穩(wěn)定狀態(tài),由此在這些工況中產(chǎn)生了一