制冷装置仿真与优化 97-2003

讲授：胡益雄副教授Tell:13308403578能源科学与工程学院参考教材[1]丁国良制冷空调装置仿真与优化科学出版社2001年[2]丁国良制冷空调装置智能仿真科学出版社2002年[3]刘忠宝空调制冷装置与系统仿真机械工业出版社2010年11月[4]陈之久制冷系统热动力学机械工业出版社1998年第一讲制冷空调系统热仿真与优化研究的内容1.1制冷系统组成及工作过程以系统观点认识制冷系统，突出系统高低压两侧特性和四大件的自适应调节和耦合特性。1.2制冷系统的稳态（静态）工况及稳态设计方法制冷系统部件在稳态工况下静态（稳态）特性匹配图如图所示：在做系统稳态设计时可根据上述特性曲线分析制冷系统各部件间的参数关系稳态设计方法：基于集中参数分析。如：本科所学制冷系统设计方法稳态设计方法包括以下步骤：（1）确定装置的类型和结构；（2）确定设计工况和负荷；（3）制冷系统各部件设计计算；（4）非设计工况下的性能校核----即为计算机仿真。1.3静态分析法的优缺点缺点：不考虑系统中参数的时变性，系统非稳态效应及参数分布特点。只研究了制冷系统中实际过程集中的一个子集。不能完整反映制冷系统内部的传热，传质变化过程，无法定量了解系统中各参数间的内在联系（藕合关系）（P2）。优点：是制冷系统研究的基本方法。1.4动态分析研究方法制冷系统中所进行的过程是一个融合传热、传质流动的复杂过程。它是一个动态过程，每一时刻的参数（如温度、压力、焓等）都不同于另一时刻的参数。而每一时刻不同空间位置的参数也不同，故它又是一个是有分布参数性质的过程（动态+分布参数）制冷系统的稳态（静态）工况是整个运行工况中的特殊工况，不稳定工况（动态过程）才是一般的常见工况。制冷系统动态分析研究方法：涉及制冷原理、自控、传热学、流体软科学等学科；是以“动态分布参数、参数间定量藕合”的观点建立对象特性（制冷数学模型），借助计算机动态仿真计算与优化技术，研究制冷系统的新方法，有利于制冷系统节能、节材和新型制冷自控元件的研究开发；制冷系统动态分析时，常常借用系统工程和自控原理中常用的信号分析方法。被调参数干扰参数调节参数涉及参数动态分析方法的核心研究内容：①制冷系统的动态仿真，②优化；具体而言，研究内容包括：•系统传热和流动机理的理论、试验研究•部件动态特性研究，建立数学模型•仿真•优化•控制应用；研究的数学手段：微分方程，传递函数、频率特性分析法、差分数值分析法等。1.5制冷空调系统仿真1系统仿真与过程仿真系统仿真就是利用一个能代表所研究对象的模型对真实系统或假想系统进行某种试验研究，以前常称为模拟。如果建立的是物理模型，如水利工程中的水坝模型、风洞试验中的飞机模型等，则建模及分析的过程称为物理仿真，也称为实物仿真。如果通过将原型抽象成数学模型，通常是一组微分方程或差分方程，然后利用计算机求解方程的方式进行研究分析的过程称为数字仿真，也称为计算机仿真。数字仿真建立在数学模型的基础上，利用计算机速度快、容量大的优点，可以模拟各种苛刻的试验条件，可以在短时间内获得结果，可以研究包含几十甚至几百个变量的问题，相对于物理仿真表现出极大的优越性。把物理模型、数学模型，甚至是实物联合在一起进行试验研究分析的过程称为数字-物理仿真，又称为半物理仿真。如用于培训的仿真机大多数就是把实物和数学模型相结合的物理仿真系统，如锅炉及其它发电设备系统则是被数学模型所取代的数字仿真，二者结合构成了半物理仿真系统。计算机仿真已成为科学研究的第三只翅膀，与实验和理论一起构成了完整的三维坐标系，能做到理论和实验难以做到的事情，为人们提供了一个认识客观世界运动规律的新途径。系统仿真是一门综合性新技术学科，围绕该技术出现大量跟电子信息技术有关的技术问题，例如计算速度和并行处理技术、建模方法和仿真算法、网络通信、仿真图像生成、仿真支持软件等，并逐渐发展成为一门独立的但又是学科交叉的边缘学科。随着数字电子计算机软硬件技术的快速发展，以仿真机为工具，用数字模型代替过程系统进行试验和研究的过程系统数字仿真技术（简称过程仿真）成为系统仿真领域一个重要的分支和发展研究方向。2基本概念（1）过程对原料进行某些物理或化学变换，使得性能发生预期的变化，从而增加了附加的价值，这种操作或处理称为过程。过程是一个广义的概念，包括热能动力过程、冶金过程，化工过程及核能过程等。（2）系统为了某种目标，由共同的物流或能流或信息流联系在一起的单元组合而成的整体称为系统。由定义可知，系统的特性不仅与各组成单元的特性有关，而且与这种联结作用有关。（3）过程与系统的关系为了实现给定的目的，系统中必有过程进行；反过来，过程亦必发生在相应的系统中。（4）次级系统（子系统）系统的特性之一是可分性。为研究方便，可以把一个系统分解为几个次级系统（称为子系统），而每一个子系统又可分为若干更低一级的子系统。一个生产工厂可以由若干生产过程子系统所组成，而每个生产过程又可以分解为若干单元操作子系统。（5）过程系统使原料进行物理的乃至化学的变化，从而由低价值的原料变成高价值的产品的系统称为过程系统。显然，炼油厂、化工厂、冶金厂、造纸厂、水泥厂等均属于过程系统。而以加工传递信息为目的的信息系统，或以机械工具（如机床）按适当加工顺序来加工处理各种元件的“生产系统”，则不属于此类。过程系统又可定义为：过程系统={过程单元}+{单元间联结关系}。（6）参数代表过程或其环境的某种性质，且可被赋予一定数值的量称为参数。这是一个较为广泛的笼统名称，其中也包括方程式中的常数或系数。（7）状况变量及决策变量状况变量是描述系统所处的状态（温度、压力、浓度等）的变量。这类变量的值往往是不能自由设定的自由变量。决策变量是指那些数值可以由设计者给定的变量。3系统仿真的三要素系统仿真的三要素为系统、数学模型和仿真机。这三个部分由两个关系沟通：其一，系统与数学模型之间的关系，称建模：其二，数学模型和仿真机之间的关系，称仿真，如图所示。系统仿真的三要素和两个关系研究对象：系统仿真机是以现代高速电子计算机、网络设备、多媒体设备为基础，由人工建造的模拟实际控制或现场装置环境的机器，同时也是数字模型软件实时运行的硬件环境。一般科学问题由通用数字计算就可以满足计算要求，但过程系统仿真通常需要具备特殊的仿真机、实时操作系统及专用软件环境，已便更加逼真地模拟动态过程现象。数字模型是依据过程系统数据由人工建立的对系统特性的数学描述。这种数学描述能够产生与过程系统相似的行为数据，且一般应该是经过一定简化后的系统描述，常用代数方程方程、微分方程或状态方程等描述。建模的过程就是对过程进行抽象、简化、进而建立数字模型的过程。仿真就是利用仿真机使数学模型运转起来，进而转化为被关注变量（温度、压力、流量、物位或组成）对时间的行为数据源，达到模拟过程系统的目的。仿真与数学模型的关系是：仿真是实现模型描述对象的手段和方法，数学模型是实现仿真方法和手段的依据。模型为仿真提供规则、算法、数据及其他信息，仿真为实现模型所描述的对象提供程序和技巧，最终提供信息。系统仿真能否达到预期效果，数学模型起着关键作用。换言之，数学模型若不能有效充分地表示过程系统特性，仿真实验将无法取得成果。建立准确的数学模型是仿真工作的基础。4系统仿真的一般步骤利用计算机仿真技术进行建模仿真研究是一项复杂的系统过程，必须遵循正确的研究步骤。（1）仿真系统描述，定义仿真目标，选择相应仿真研究方法首先要分析清楚仿真研究对象、范围及精度要求，然后根据已有技术条件确定仿真研究目标，并选择合适的仿真平台及仿真研究手段或方式，制定详细的研究方案。（2）系统抽象数学模型的建立系统抽象数学模型的建立要充分考虑到仿真研究的目标、准确要求，其中单个设备仿真模型的复杂程度依赖于其对整个系统仿真模型的影响程度。（3）系统仿真模型的建立将系统抽象的数学模型转换成计算机能够处理的仿真模型，可以以仿真语言自己编写，也可以按照仿真软件平台要求建立。（4）仿真模型的确认和验证仿真模型的确认和验证是仿真研究的重要过程，应贯穿在整个建模过程，一般包括专家咨询、历史数据比较及进行试验验证三个阶段。其中，仿真模型的验证试验需要经过认真合理的设计，才能在达到验证目的的同时，节约试验费用。（5）仿真实验分析该部分主要指利用仿真模型对系统进行仿真试验，并对仿真计算结果进行分析和处理，使仿真技术最终服务与实际需求。仿真试验数据需要以简单明了的表格、曲线图或报表的形式给出，以方便仿真结果与实际试验数据间的对比及对系统进行分析。5仿真技术的应用1）对不同流程方案进行探讨和分析，以达到性能最优化设计。2）了解、评价系统动态特性，即检查它是否会给运行和控制带来特殊困难，是否具有有效的控制手段及足够的控制裕度；分析改变及满足设备结构参数对动态特性的要求，从而提出从结构设计上改善系统动态特性的根本途径。3）设计合适的控制系统，选择最优的系统工作参数或状态。4）模拟实际运行全过程，对操作人员进行一定的指导和培训，进而对过程系统的辅助训练、辅助设计、辅助生产、辅助研究等方面发挥重要作用。1.6优化的含义优化就是根据人们期望的目标，使装置的性能达到最佳。制冷空调的装置优化首先要使装置设计最佳，其次要保证系统能够工作在最优的工作状态下，因此制冷空调装置的优化包括最优设计与最优控制。制冷装置优化设计，首先要建立研究对象的目标函数f(x),使它在一组设计变量（x1、x2、…、xn）时达到最大值maxf（x），比如制冷装置的效率；或达到最小值minf（x），比如制冷装置的能耗。由于对于函数最大值的求解可以转化对于函数最小值的求解，如maxf（x）即相当于max[-f（x）],因此优化中一般统一归结为函数最大值的求取。目标函数f（x）中的设计变量（x1、x2、…、xn）是不能任意选取的，满足一定的关系和要求，描述这些关系和要求的方程称为约束方程。这些方程可以为等式，也可以为不等式。采用小于号的不等式，通过两边加上负号，可以转化为采用大于号的不等式，因此不等式约束统一采用大于号的不等式。上面讨论数学问题总是可以采用如下的数学形式来描述：目标函数maxf（x）约束条件hi（x）=0i=1,2,…，mgi（x）≥0i=1,2,…，n上面方程是通过数学模型的建立而得到的，按照要求不同，可以采用简易程度不同、形式相差很大的方程。如对于制冷装置动态过程性能进行综合优化，就需要建立系统仿真模型，这时f（x）实际上是一组很复杂的微分方程。约束条件有时也不能用简单的代数方程写出。这些需在具体的对象研究中确定。优化过程就是在上面这些方程确定后，通过合适的优化算法，求得目标函数最小值，以及此时的设计变量值。1.7制冷装置计算机辅助设计的内容一个完整的制冷装置计算机辅助设计系统包括从初步规划到最后图纸输出，大致可以分为:结构规划、系统初步计算、仿真与优化、自动图纸绘制这样四个部分。1）结构规划：这是工程或产品设计的第一步，不是单纯的机械设计或制冷设计，而是以机械设计为主体，涉及到电子学、制冷、工艺学、材料学、美学等多学科的综合设计技术。如在冷库中，首先要考虑的是如何布置承重结构、围护结构，如何防潮，如何尽可能减少冷桥等。在家用冰箱设计中，事先根据市场的要求确定冰箱的大致规格，并初步确定结构，制冷系统与其他必要的配件容易布置等。2）系统初步分析计算：按照基本的传热传质关系进行初步的设计计算。把所用的方法编成计算机程序。而这样做的好处是明显的：首先计算机的高速度可以大大提高工作效率，减少计算时间；第二，通过把原来各人所用的方法，编成互相之间可以很方便地共同享用的程序，有利于方法的累积、交流与完善。通过初步的设计分析计算，可以大致确定装置的基本结构尺寸。如对于冷库，通过估计冷库的负荷，可以初步确定压缩机、蒸发器、冷凝器、分油器、高压储液器等各种部件的尺寸及布置方式。对于家用冰箱来讲，通过热负荷的估算，可初定供最后选用的几种压缩机，确定可能的蒸发器的布置方式与尺寸、冷凝器的类型与尺寸等。3）仿真与优化：系统初步分析计算是装置设计中的一个重要环节，而不应