二氧化碳列车空调仿真方法与流程

本发明涉及制冷和数值计算领域，具体地，涉及一种可以不断迭代优化的二氧化碳列车空调仿真方法。

背景技术：

由于传统的列车空调系统中使用具有高gwp(globalwarmingpotential)值的制冷剂，会加剧全球变暖，所以采用具有低gwp值的制冷剂势在必行。二氧化碳作为一种自然工质制冷剂，具有gwp值低(gwp＝1)，无毒无害不可燃，成本低等优点，是当前列车空调制冷剂替代的主要选择。然而二氧化碳空调系统的运行模式和使用传统制冷剂的系统存在较大差异：大部分情况下，二氧化碳空调系统在跨临界模式下运行，而使用传统制冷剂的系统通常在亚临界模式下运行。由于这个特性，在二氧化碳空调系统中没有过冷度，而且其排气压力也可在一个较大的范围内变化，导致针对二氧化碳空调系统的仿真区别于使用传统制冷剂的系统。

由于传统制冷系统仿真方法与二氧化碳系统不匹配，因此需要针对二氧化碳列车空调系统的特性单独开发出一套仿真方法，用于探究二氧化碳列车空调系统内部的运行情况，并用于优化系统设计。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出一种二氧化碳列车空调仿真方法，可以辅助优化设计二氧化碳系统及其零部件，在实验之前对系统运行状态进行预测，并可优化系统运行时的参数设定，使得系统在不同工况下实现性能的最优化。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明的第一方面，提供一种二氧化碳活塞式压缩机的状态预测方法，可根据压缩机的进出口压力信息，结合经验公式，获取压缩机的等熵效率，机械效率以及容积效率，并结合运行情况与尺寸参数计算出压缩机的出口状态，能耗及流量信息。

优选地，计算压缩机效率的公式采用多项式和对数结合的形式。

优选地，使用已有的实验数据对压缩机效率计算公式进行拟合，并使用方差作为拟合过程中的损失函数。

优选地，在计算出压缩机几种效率后，采用流量->出口焓值->出口温度->压缩机耗功这样的计算顺序来实现压缩机状态预测。

本发明的第二方面，提供一种二氧化碳管翅式换热器的性能计算方法，将二氧化碳管翅式换热器拆分成较小的传热单元，沿着制冷剂以及空气侧流动顺序依次计算传热单元的换热量及出口状态，最后获得总换热量和出口状态。

优选地，一段二氧化碳管翅式换热器的传热单元长度应不超过1cm，来保证计算精度。

优选地，将传热单元的进出口状态平均值当作传热单元的整体状态。

优选地，计算传热单元的换热量状态时，需要先对传热单元的状态进行判断(主要是是否为超临界，是否为两相的判断)。

优选地，将超临界的二氧化碳近似为单相流体去进行压降和传热公式的计算。

优选地，在气冷器的计算过程中将空气近似为干空气进行计算；而在蒸发器的计算过程中需要首先根据蒸发温度和空气湿度，区分传热单元是处于是干状态(无析湿)还是湿状态(有析湿)，再进行计算。

优选地，在传热单元的迭代计算过程中，采用牛顿迭代法进行优化，以提高计算效率。

本发明的第三方面，提供一种二氧化碳列车空调系统的稳态预测方法，在给定外界环境工况和系统运行参数时，可计算出系统整体能耗以及各零部件的运行状态。

优选地，将系统的排气压力以及过热度作为设定好的系统运行参数。

优选地，将系统的吸气压力作为假设值输入系统进行计算，并在后期的迭代过程中不断调整。

优选地，根据室内温度，对系统的吸气压力进行初值设定。

优选地，将蒸发器入口焓值和气冷器出口焓值的偏差作为计算是否收敛的判断依据。

优选地，在二氧化碳列车空调系统的稳态计算过程中，采用牛顿迭代法进行优化，以提高计算效率。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果为：本发明可以辅助优化设计二氧化碳系统及其零部件，在实验之前对系统运行状态进行预测，并可优化系统运行时的参数设定，使得系统在不同工况下实现性能的最优化。

附图说明

图1为本发明的结构及功能示意图；

图2为本发明的压缩机状态计算流程图；

图3为本发明的二氧化碳管翅式换热器的传热单元迭代计算流程图；

图4为本发明的二氧化碳管翅式换热器的整体计算流程图；

图5为本发明的二氧化碳列车空调系统的稳态迭代计算流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

具体实施例图1至图5所示。

图1为本发明的结构及功能示意图。将外界环境工况、系统零部件尺寸参数和系统运行参数作为本仿真方法的输入，经过对二氧化碳压缩机状态以及二氧化碳管翅式换热器(包括气冷器和蒸发器)的性能计算，可获得二氧化碳列车空调稳态系统整体的运行状态。将不同的换热器尺寸参数输入系统，可获得换热器在不同尺寸参数下的性能，以此选出最优的尺寸参数；将不同的系统运行参数输入系统(包括系统排气压力以及过热度)，可获得系统在不同运行参数下的性能，以此选出最优的系统运行参数。图1位系统功能的总和，图2-图5为其具体的实现方法。

图2为压缩机状态的计算流程。首先根据压缩机的进出口压力，结合经验公式，可计算出压缩机的等熵效率，机械效率以及容积效率。其中，压缩机效率的经验公式可根据压缩机实验数据，使用多项式和自然对数，以最小方差为目标，进行拟合。容积效率计算完成后，结合压缩机容积和转速可计算出压缩机流量，供后续换热器计算时使用；等熵效率计算完成后，可计算出压缩机出口的焓值，结合压缩机出口压力，可获得压缩机出口温度；最后可根据机械效率，压缩机流量和压缩机出口焓值，计算出压缩机的实际耗功。

图3为二氧化碳管翅式换热器一个传热单元的迭代计算流程图。给定传热单元的入口状态后(制冷剂侧和空气侧)，首先假定制冷剂侧的出口焓值，并根据焓值和制冷剂的压力判断在这个单元内二氧化碳是否处于两相区；根据流量和出口焓值，可显式的计算制冷剂侧的理论换热量，并根据能量守恒原则，计算出空气侧的出口状态。值得注意的是，当二氧化碳在传热单元中处于超临界状态时，可将其当作单向流体处理。基于传热单元内制冷剂和空气的状态近似不变的假设，用入口和出口状态的均值作为整个传热单元的状态，可根据制冷剂侧和空气侧的传热经验公式，显式的计算出空气侧和制冷剂侧的传热系数，并基于传热系数计算换热单元所能达到的实际换热量。通过理论换热量和实际换热量的偏差，可判断计算是否收敛。利用牛顿迭代法不断修正制冷剂侧的出口焓值，可加快收敛速度。

图4为二氧化碳管翅式换热器整体的计算流程图。以一个四流程的单排换热器为例，每个流程被分为五个小单元。制冷剂从换热器的入口进入，流经五个传热单元后，走完了第一流程，并进入下一流程；重复此过程，直至从换热器出口流出。值得注意的是，一个单元实际上只是一根扁管的一小段，而一个流程中可能包括不止一根扁管。但是因为一个流程中各个扁管具有等价性，所以只需计算一个传热单元的换热量，便可获知一个流程中和此传热单元平行的其他所有传热单元的换热量。

图5为二氧化碳列车空调系统的稳态迭代计算流程图。设定好系统排气压力和过热度后，假定压缩机吸气压力，可计算出压缩机出口状态以及压缩机流量；利用流量信息和上述二氧化碳管翅式换热器的计算方法，可分别计算气冷器的出口状态和蒸发器的入口状态，通过蒸发器入口焓值和气冷器出口焓值的偏差判断计算是否收敛。利用牛顿迭代法不断修正压缩机吸气压力，可加快收敛速度。收敛后即可获得系统整体的能耗及各个零部件的运行信息。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。