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三洋制冰机系统的优化与实验研究
作者：三洋售后 发布时间：2022-01-22 22:22点击：
1三洋制冷系统优化的数学模型
制冰机的制冷系统与其它制冷系统的区别 在于：制冰机中蒸发器的作用不仅是与被冷却物 进行热交换，它同时还是制冰的冰模，即需要承 担制造冰块和将冰块送至贮冰室的任务，本文所 论述的小型制冰机是一种冰模可翻转的新型制 冰机，其工作过程如建立制冷系统优化的目标函数及约束方程， 需首先建立制冰系统的热力学模型。小型制冰机 制冷系统热力学模型实际上是由压缩机、冷凝 器、冰模蒸发器和毛细管组成的。制冷系统的优 化不能仅从节能角度，即提高制冷系数和效率， 而应将制冷系统年总费用最低作为系统优化的 目标函数，即采用全面优化的经济准则，按制冰 机制冷系统的组成，取每种设备年折旧费的百分 比a相等可得：
制冰机的制冷系统与其它制冷系统的区别 在于：制冰机中蒸发器的作用不仅是与被冷却物 进行热交换，它同时还是制冰的冰模，即需要承 担制造冰块和将冰块送至贮冰室的任务，本文所 论述的小型制冰机是一种冰模可翻转的新型制 冰机，其工作过程如建立制冷系统优化的目标函数及约束方程， 需首先建立制冰系统的热力学模型。小型制冰机 制冷系统热力学模型实际上是由压缩机、冷凝 器、冰模蒸发器和毛细管组成的。制冷系统的优 化不能仅从节能角度，即提高制冷系数和效率， 而应将制冷系统年总费用最低作为系统优化的 目标函数，即采用全面优化的经济准则，按制冰 机制冷系统的组成，取每种设备年折旧费的百分 比a相等可得：
E=«(Z1+Z2+Z3)+zC,(F,/1 + Fr,2) (1)
式中乙、乙、23——压缩机、冷凝器和蒸发器的 初投资
C,——电价
E、t——制冷系统的年总费用、工作时数
P<K、P.0―压缩机、冷凝器功率
由此式可知，制冷系统的年总费用E与£有 关，而决定£的重要指标是制冷（冰）能力。将它 与一起考虑便是效率，它说明制冷系 数、效率对E构成的影响。显然，制冷系数、效率 的提高可使电耗降低，但不一定使年总费用降 低，这是设备投资较大时的必然结果。只有将一 次投资与经常运转费用综合分析才能得到最优 的选择。由于毛细管的设备费用很少，这里不予 考虑。
压缩机的功率应以电功率作为其全面的表 示，即：
式中 V,——压缩机的理论输气量
入，、人, 容积输气系数、压力输气系数
R、P。——冷凝、蒸发压力
k——制冷剂的绝热指数
Z'i、Z'z 实际气体在吸气、排气状态
下的压缩因子
诳—电效率
制冷压缩机、空气强迫对流冷凝器、冰模蒸 发器的设备费用分别为：
Z1 = 2.50P"i+240.57 （元） （3）
Zz = 89.29R + 45.75 （元） （4）
Z3 = 145.33 + 1333.33F2 （元） （5）
式中旳——冷凝器的冷凝面积
F2—— 蒸发器与水的接触面积
冷凝器的功率指其风扇配用电机功率。按厂 家的空冷式冷凝器配用电机功率的情况可表示 为：
R〃 = 6.87 + 12.5Fi （W） （6）
将式（2）-（6）代入式（1）可得以设计参数表 示的系数优化目标函数。制冷系统的优化就是在 给定外部条件下适当选择目标函数之中各量，以 使其年总费用最小。但目标函数中各量不是独立 的，存在着一定的内在联系，这将在目标函数的 约束方程中得到体现。制冷系统的约束方程是由 压缩机、冷凝器和冰模蒸发器的约束方程组成。 概括地说，该优化问题主要由以下等式约束组 成：
Qi = Qo + Prn
Fi = （Q° + Pq/［26（Wp）as&„J
. ［（4 一t;）~~ （4—Ho）］
—Z,）/（Zt—/<>）］
"03（Gr9）°'5］+（B/1. 16）｝
式中Qq——冷凝器热负荷、制冷量
W.p——空气的流速、重度
△M——对数平均传热温差
E——冷凝器进、出风温度
d—管径
Gx、q——制冷剂流量、热流束
B—冰块大端断面短边长
厶、益 冷凝、蒸发温度
优化程序框图
2 割波加割公寂绯臨伴少
由目标函数和约束方程可知该优化问题属 等式约束条件下多变量函数的寻优问题。其目标 函数和约束方程复杂，且约束方程的数量较多， 采用间接法求导困难，加之独立变量的允许范围 有限，采用直接法不会增加过大的计算量。计算 的程序框图见图2。
优化计算中取制冰时间心、制冰能力G、t,、 C,、a、t为可调变量;t°,h为优化的独立变量。输 入一定的可调变量可求出与之对应的而、功及系 统在此条件下的最优配置。
制冰机制冷系统的优化有其特殊性，尤其突 出的是制冰时间弓单值性地决定蒸发温度的 高低，在G、ti、C,、a、t不变的情况下,r.-Zo关系 如图3所示上越大to越高，当rt无限大时,0 = 0C。冷凝温度4与年总费用E有明显的变化关 系，在 玲=25min、G= lkg/h^r, = 30'C、C, = 0. 4 元/kW • h、a=10%、£ = 3600h/a 以及 t0=— 14. 99 C的优化条件下山=41. 50 C时有最小 值，如图4所示，极小值所对应的6随 K、C.、 a、Z而变。前三个。均随自变量的增加而增加且 为曲线关系。G的变化对,。、益无影响，当G增大 时，压缩机功率、冷凝器的冷凝面积、冰模蒸发器 的冰杯数量增大。当G不变，延长制冰时间 明显升高而4仅有微小的变化。此时压缩机的 Q°、p«q均有较大幅度的下降。
制冰时间与蒸发温度的关系
3三洋制冰机的实验研究
为了验证优化结果的准确性，对于按上述条 件所得优化结果试制的样机进行了整机的性能 测试。标志制冰机整机性能优劣的主要指标有： 制冰能力、功率消耗、耗水量、运转电流、供水压 头和贮冰量，这些指标反映了制冰机的热力性能 和电力性能。再通过制、脱冰时间和温度变化的 测试，可对优化结果和装置的性能有一个综合的 评价.
冷凝温度与年总费用的关系
对制冰机的性能测试和数据处理是根据文 献［1］进行的，采用的实验装置如图5所示。制冰 机的测试是在室温20+1.0C,供水温度15 + 1. 0 C,单相电压220V/50Hz的条件下进行的， 在90min内的测试数据分别为：被抽样品重量 1. 52kg；用水量 0. 00181m3；输入功率 0. 294kW • h；运转电流L3~L 9A；最小供水压头为表 压 100kPa„
制冰机的制冰能力受环境温度和供水温度 的影响。在恒温试验室内通过改变室温和供水温 度，测试了在上述单个量变化情况下制冰能力的 变化，如图6所示，其计算值与测试值吻合较好。 在上述同样的条件下，测量了完整制、脱冰周期 内冰模蒸发器制冷剂出口的温度和制冰过程 中冰杯中心温度爲，其变化规律如图7所示。若 粗略地认为tr为爲，则在整个制冰过程中与h保 持近10C的温差。由于传热面积固定，通过观察 又发现，除制冰最初的3min左右，冰杯内为单 相物质存在，其余时间都是液、固两相界面由杯 边向中心推进的过程，由此可认为传热系数在大 部分时间里是相近的，传热基本均匀。水的冻结
式中乙、乙、23——压缩机、冷凝器和蒸发器的 初投资
C,——电价
E、t——制冷系统的年总费用、工作时数
P<K、P.0―压缩机、冷凝器功率
由此式可知，制冷系统的年总费用E与£有 关，而决定£的重要指标是制冷（冰）能力。将它 与一起考虑便是效率，它说明制冷系 数、效率对E构成的影响。显然，制冷系数、效率 的提高可使电耗降低，但不一定使年总费用降 低，这是设备投资较大时的必然结果。只有将一 次投资与经常运转费用综合分析才能得到最优 的选择。由于毛细管的设备费用很少，这里不予 考虑。
压缩机的功率应以电功率作为其全面的表 示，即：
式中 V,——压缩机的理论输气量
入，、人, 容积输气系数、压力输气系数
R、P。——冷凝、蒸发压力
k——制冷剂的绝热指数
Z'i、Z'z 实际气体在吸气、排气状态
下的压缩因子
诳—电效率
制冷压缩机、空气强迫对流冷凝器、冰模蒸 发器的设备费用分别为：
Z1 = 2.50P"i+240.57 （元） （3）
Zz = 89.29R + 45.75 （元） （4）
Z3 = 145.33 + 1333.33F2 （元） （5）
式中旳——冷凝器的冷凝面积
F2—— 蒸发器与水的接触面积
冷凝器的功率指其风扇配用电机功率。按厂 家的空冷式冷凝器配用电机功率的情况可表示 为：
R〃 = 6.87 + 12.5Fi （W） （6）
将式（2）-（6）代入式（1）可得以设计参数表 示的系数优化目标函数。制冷系统的优化就是在 给定外部条件下适当选择目标函数之中各量，以 使其年总费用最小。但目标函数中各量不是独立 的，存在着一定的内在联系，这将在目标函数的 约束方程中得到体现。制冷系统的约束方程是由 压缩机、冷凝器和冰模蒸发器的约束方程组成。 概括地说，该优化问题主要由以下等式约束组 成：
Qi = Qo + Prn
Fi = （Q° + Pq/［26（Wp）as&„J
. ［（4 一t;）~~ （4—Ho）］
—Z,）/（Zt—/<>）］
"03（Gr9）°'5］+（B/1. 16）｝
式中Qq——冷凝器热负荷、制冷量
W.p——空气的流速、重度
△M——对数平均传热温差
E——冷凝器进、出风温度
d—管径
Gx、q——制冷剂流量、热流束
B—冰块大端断面短边长
厶、益 冷凝、蒸发温度
优化程序框图
2 割波加割公寂绯臨伴少
由目标函数和约束方程可知该优化问题属 等式约束条件下多变量函数的寻优问题。其目标 函数和约束方程复杂，且约束方程的数量较多， 采用间接法求导困难，加之独立变量的允许范围 有限，采用直接法不会增加过大的计算量。计算 的程序框图见图2。
优化计算中取制冰时间心、制冰能力G、t,、 C,、a、t为可调变量;t°,h为优化的独立变量。输 入一定的可调变量可求出与之对应的而、功及系 统在此条件下的最优配置。
制冰机制冷系统的优化有其特殊性，尤其突 出的是制冰时间弓单值性地决定蒸发温度的 高低，在G、ti、C,、a、t不变的情况下,r.-Zo关系 如图3所示上越大to越高，当rt无限大时,0 = 0C。冷凝温度4与年总费用E有明显的变化关 系，在 玲=25min、G= lkg/h^r, = 30'C、C, = 0. 4 元/kW • h、a=10%、£ = 3600h/a 以及 t0=— 14. 99 C的优化条件下山=41. 50 C时有最小 值，如图4所示，极小值所对应的6随 K、C.、 a、Z而变。前三个。均随自变量的增加而增加且 为曲线关系。G的变化对,。、益无影响，当G增大 时，压缩机功率、冷凝器的冷凝面积、冰模蒸发器 的冰杯数量增大。当G不变，延长制冰时间 明显升高而4仅有微小的变化。此时压缩机的 Q°、p«q均有较大幅度的下降。
制冰时间与蒸发温度的关系
3三洋制冰机的实验研究
为了验证优化结果的准确性，对于按上述条 件所得优化结果试制的样机进行了整机的性能 测试。标志制冰机整机性能优劣的主要指标有： 制冰能力、功率消耗、耗水量、运转电流、供水压 头和贮冰量，这些指标反映了制冰机的热力性能 和电力性能。再通过制、脱冰时间和温度变化的 测试，可对优化结果和装置的性能有一个综合的 评价.
冷凝温度与年总费用的关系
对制冰机的性能测试和数据处理是根据文 献［1］进行的，采用的实验装置如图5所示。制冰 机的测试是在室温20+1.0C,供水温度15 + 1. 0 C,单相电压220V/50Hz的条件下进行的， 在90min内的测试数据分别为：被抽样品重量 1. 52kg；用水量 0. 00181m3；输入功率 0. 294kW • h；运转电流L3~L 9A；最小供水压头为表 压 100kPa„
制冰机的制冰能力受环境温度和供水温度 的影响。在恒温试验室内通过改变室温和供水温 度，测试了在上述单个量变化情况下制冰能力的 变化，如图6所示，其计算值与测试值吻合较好。 在上述同样的条件下，测量了完整制、脱冰周期 内冰模蒸发器制冷剂出口的温度和制冰过程 中冰杯中心温度爲，其变化规律如图7所示。若 粗略地认为tr为爲，则在整个制冰过程中与h保 持近10C的温差。由于传热面积固定，通过观察 又发现，除制冰最初的3min左右，冰杯内为单 相物质存在，其余时间都是液、固两相界面由杯 边向中心推进的过程，由此可认为传热系数在大 部分时间里是相近的，传热基本均匀。水的冻结
热负荷主要集中于相变过程0，—匸曲线的水平段充分揭示了这个规律。
实验装置
1.恒温室；2.电流表；3・电压表；4.电度表$5.水压调节阀；6.流量计；7.水泵；8.搅拌器；9.加热器；10.进水；11.
供水箱；12.溢流；13.压力计；14.蒸发器门5.蔽板；16.风机门7,温度计门8.制冰机；19.温度传感器；20.支架； 21.加热器；22.回热器司3.压缩冷凝机组
图6制冰能力G随环境温度"和水温的变化
-O- 测试值;一△— 计算值
-20
r (min)
图8电流I随时间r的变化
15 30
r(min)
图7温度L业随时间匸的变化
在每个完整的制、脱冰周期内，制冰机的工 作电流I也在周期性地波动，其规律如图8所
1.恒温室；2.电流表；3・电压表；4.电度表$5.水压调节阀；6.流量计；7.水泵；8.搅拌器；9.加热器；10.进水；11.
供水箱；12.溢流；13.压力计；14.蒸发器门5.蔽板；16.风机门7,温度计门8.制冰机；19.温度传感器；20.支架； 21.加热器；22.回热器司3.压缩冷凝机组
图6制冰能力G随环境温度"和水温的变化
-O- 测试值;一△— 计算值
-20
r (min)
图8电流I随时间r的变化
15 30
r(min)
图7温度L业随时间匸的变化
在每个完整的制、脱冰周期内，制冰机的工 作电流I也在周期性地波动，其规律如图8所
示。在厶不变的情况下，制冰初期r。较高，压缩 机的功率消耗是较大的，随着时间延长"。逐渐 降低，功率消耗也随之减小，电流的变化恰好反 映了这个规律。脱冰时的情况与之相反，由于热 气进入冰模式蒸发器，引起压缩机吸汽压力升 高，也就必然导致功率的消耗增大。
随着环境和能源问题的日趋严峻，越来越多 的人们开始关注太阳能的利用。太阳能空调，是 利用太阳能电池发电并用于驱动空气调节系统， 在炎热的夏季，阳光充足时，太阳能电力给空调 压缩机供电，多余的电能则回馈给电网，而在日 照不足时，则由蓄电池供电，由于太阳能电力为 直流电，太阳能电池又具有与常规电力不同的非 线性特性，因此必须设计专用的驱动电路。
太阳能空调专用驱动器主要由光伏阵列最 大功率跟踪器(MPPT),蓄电池防过充、防过放 保护电路，直流升压电路，变频电路以及220V 辅助输出五部分组成，系统总框图如图1所示。 太阳能电池发电经过最大功率跟踪后给蓄电池 充电，在日照充足时，蓄电池处于浮充状态，在夜
太阳能空调专用驱动器主要由光伏阵列最 大功率跟踪器(MPPT),蓄电池防过充、防过放 保护电路，直流升压电路，变频电路以及220V 辅助输出五部分组成，系统总框图如图1所示。 太阳能电池发电经过最大功率跟踪后给蓄电池 充电，在日照充足时，蓄电池处于浮充状态，在夜
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