Simulink环境下的风机盘管仿真实验研究-安徽暖通空

1Simulink环境下的风机盘管仿真实验研究李晓琪沈致和（合肥工业大学，安徽合肥230009；合肥工业大学，安徽合肥230009）1摘要Matlab/Simulink动态建模仿真环境是空调系统模拟一种重要辅助手段，本文应用Simulink建立了某型号风机盘管特性仿真模型，模拟仿真数据与实际样本基本吻合，证明应用Simulink进行风机盘管特性实验的可行性。Simulink仿真实验环境可以作为风机盘管结构参数实验的一种可靠的计算机模拟途径，可以为风机盘管的设计与研究提供有效帮助，节省人力、物力与实验周期，且实验结果基本可靠。关键词：Matlab/Simulink风机盘管仿真AbstractMatlab/Simulinkmodelingandsimulationenvironmentisanimportantsupplementarymeansofair-conditioningsystemsimulation，thispaperestablishedafan-coilSimulinksimulationmodel,simulationresultsofthebasicagreementwiththeactualsamples，todemonstratethefeasibilityofSimulinkapplicationinexperimentoffan-coilcharacteristics。Simulinksimulationenvironmentcanbeusedasareliablemeansofcomputersimulationinexperimentoffan-coilstructure，andcanprovideeffectivehelpinFan-coildesignandresearch，savingsinmanpower,materialandexperimentalcycle,andreliableexperimentalresults。Keywords：Matlab/Simulinkfan-coilunitsimulation1.MATLAB/Simulink简介MATLAB是目前世界上应用最广泛的科学计算软件,它提供了强大的数值运算和符号运算功能,并提供了面向用户的可视化操作功能,而其最吸引用户的功能是它的动态仿真集成环境Simulink。Simulink在MATLAB强大的数值计算功能基础上,提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），Simulink中包含许多不同功能的模块库，如Sources（输入源模块库）、Sink（输出模块库）、MathOperations（数学模块库）及各种组件模块库等，用户也可以自定义和创建自己的模块。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，近些年来，已被院校和工程领域中的广大师生与研究人员广泛应用于系统建模与动态仿真。2.风机盘管模型2.1风机盘管传热原理传热过程是一个复杂过程，不同环境下有不同的传热原理。热传递过程通常分为几种基本方式，即热传导、热对流及热辐射，现实情况下的热传递过程往往是这几种基本传热方式的组合叠加。风机盘管表冷器的热传递是一个复杂的换热过程：冷热流体分别在盘管内、外流过，热量通过对流换热和热辐射的形式从热流体传递给管壁，经过壁面导热，再以对流换热和热辐射的形式传递给冷流体，从而实现盘管内冷热水与盘管外的空气的热量交换。2.2风机盘管数学模型作者简介：李晓琪（1985-），男，合肥工业大学硕士研究生，，安徽合肥工业大学南区661信箱。邮编：230009联系电话：[phone]，Email：[e-mail]2本文中采用综合风机盘管水侧和风侧最小换热计量法的简化模型，)(Qmina-wwinainTTC[3](1)其中Qw-a——风机盘管换热量ε——简化的风机盘管（叉流）换热器效率；ε=1-exp{(1/ω)(NTU)0.22[exp[-ω·(NTU)0.78]-1]}(2)其中ω——热熔比，ω=Cmin/Cmax；Cmin=min（Cw，Ca），Cmax=max（Cw，Ca），W/K；(3)Cw，Ca——流经风机盘管的冷冻水和空气热容，W/K,Cw=Mwcpw；Ca=Macpe；NTU——传热单元数，NTU=KAe/Cmin；(4)KAe——风机盘管有效热导，ppeeccKAKA；(5)其中pc——空气比热,J/(kg·K)；KA——总热导，为了简化模型，本文中将风机盘管传热系数与传热面积的乘积定为总热导；风机盘管的散热面积nLBA88.21，m2(6)迎风面积LBAy,m2(7)n——管排数，mB40——有效宽度（m），L——有效长度（m），m——表面管根数；风机盘管换热器的传热系数:111nwpmaNvMvK[4](8)其中va，vw——流经换热器的空气流速和冷冻水流速m/s；M,N,m，p，n均是可以通过实验测得的系数；pec——空气有效比热,J/(kg·K)，aoutainoutinpeTThhc(9)其中hin———回风空气的焓值,J/kg；hout———送风空气的焓值,J/kg；Tain———回风温度,K；Taout———送风温度,K；对于标准大气压下，空气温度在3℃-30℃之间时，空气焓值h=9362.5+1786.1t+11.35t2+0.98855t3，J/kg；(10)对于)(Qmina-wwinainTTC根据能量守恒原理有：)(Qa-waoutainaTTC；(11))(Qa-wwinwoutwTTC(12)33.SIMULINK仿真模型验证3.1根据上述数学模型建立SIMULINK仿真模型如下：图3.1仿真模型3.2仿真模拟实例分析依据某空调设备厂家的风机盘管，其设定条件为，进风温度为：干球温度27℃/湿球温度19.5℃（相对湿度55%）。3.2.1风量变化对制冷量的影响设定高、中、低三种风速，对风机盘管制冷量进行模拟，其模拟结果见下表：表一风机盘管技术性能模拟比较三排管水量L/h302转速高中低模拟冷量（W）182616051285样本冷量（W）188816611321偏差%3.2843.3712.7250500100015002000250012345供水温度冷量W供水温度℃模拟冷量（W）样本冷量（W）图3.2变风速冷量比较mincminmaxcmaxSubtract5Subtract4Subtract3Subtract2Subtract1SubtractProduct6Product5Product4Product3Product2Product1euMathFunction3uvMathFunction2uvMathFunction1euMathFunction-C-KA-1Gainf(u)Fcn1f(u)FcnDivide4Divide3Divide2Divide1Divide0Display-C-Cpw-C-Cp-C-Constant6-C-Constant51Constant31Constant20.78Constant10.22ConstantAdd15twin4tain3taout2Ma1Mw143.2.2不同供水温度下的风机盘管制冷量对于进风温度为：干球温度27℃/湿球温度19.5℃（相对湿度55%）FC-200/FC-34风机盘管冷量技术性能见下表：表二固定冷冻水量下，不同供水温度下的制冷量（水量350L/h）供水温度℃56789模拟冷量（W）20391947185417611669样本冷量（W）22992160197918431707偏差%11.30939.86116.31634.44932.22610500100015002000250056789供水温度冷量W供水温度℃模拟冷量（W）样本冷量（W）图3.3变供水温度冷量比较3.2.3冷冻水量对制冷量的影响变冷冻水量模拟分析：冷冻水量l/h150250350450模拟冷量（W）1617178418541924样本冷量（W）1412175519792160偏差%14.5181.6526.31610.9205001000150020002500150250350450冷水量冷量W水量l/h模拟冷量（W）样本冷量（W）图3.4变水量冷量比较通过对该风机盘管样本的仿真模拟结果进行比较分析，可见仿真结果与实际样本参数误差在15%以内，造成误差的原因可能是由于模型中的一些参数采用了简化模型，设定不够精确，在一定程度上影响了仿真精度，但仿真过程与结果基本达到预期效果，实际应用中可以使用更精确的结构实验数据使得模型中的一些参数更加准确，进一步提高仿真结果的精确5性。4．基于风机盘管的结构参数的仿真实验环境建立4.1风机盘管结构参数及其仿真实验模型4.1.1风机盘管基本结构参数风机盘管基本结构参数有固定参数和自由参数两部分，其中固定参数在盘管型号确定后就已确定，而自由参数可根据用户需要进行选择。固定参数固定参数包括盘管内径、盘管外径、翅片厚度、翅片片距、盘管排间距、盘管管间距。自由参数有表面管根数、管排数、有效长度、进出水管直径、进出水管中心距、法兰高度。4.1.2风机盘管结构参数及其相互关系散热面积nLBA88.21，单位m2，迎风面积LBAy，单位m，式中:21.88表示每排管，单位面积上的散热面积是21.88m2；n——管排数；L——风机盘管的有效长度，单位m；B=40×m，单位m,B表示风机盘管换热器的有效宽度，40是片高基数，m是表面管根数；单管内截面积4/2mwudA，单位m2，通水面积4/2mwdmA，单位m2，dm——风机盘管换热器水管内径，单位m；某厂三排管综合传热系数18.0262.0)468.2021321.461(163.1wavvK[4]（此处只考虑干工况）va，vw——流经换热器的空气流速和冷冻水流速，单位m/s；4.2建立simulink仿真实验环境：-C-rn-C-pi-C-dmmincminmaxcmaxSubtract6Subtract5Subtract4Subtract3Subtract2Subtract1SubtractProduct9Product8Product7Product6Product5Product4Product3Product2Product11Product10Product1uvMathFunction7uvMathFunction6uvMathFunction5uvMathFunction4euMathFunction3uvMathFunction2uvMathFunction1euMathFunction0K-1Gainf(u)Fcn1f(u)FcnDivide7Divide6Divide5Divide4Divide3Divide2Divide1Divide0Display-C-Cpw-C-Cp-1Constant5-C-Constant41Constant31Constant2-1Constant120.78Constant10.22Constant-C-AyAdd10A-C-46.321-C-273.16-C-202.468-C-1.1630.80.8-C-0.2624u25twin4tain3taout2Ma1Mw1图4.1风机盘管仿真实验模型4.2管内冷剂侧换热系数实验模型62.08.0mwmdvBfa，4.04.0023.0wffvaBf；ma——管内侧冷剂换热系数，KmW2/；f——流体导热系数（KmW/）；fB——流体物性参数，（KmsJ6.22.0/）；md——管内径（m）；wv——流体流速（m/s）；fa——热扩散率；建立simulink仿真模型如下（图4.2）：3.14piamProduct2Product1ProductuvMathFunction6uvMa