单系统冰箱仿真软件研制与冷冻仓温度不均匀化优化.docVIP

　　单系统冰箱仿真软件研制与冷冻仓温度不均匀化优化 1绪论 1.1课题背景 能源问题正成为对人类发展的严峻考验。对于中国这样一个人口众多，耗能巨大，能源利用效率却很低的国家，这将是更大的挑战。家电行业的节能减排这些年已经引起社会的广泛关注。如何设计出更节能、更环保的产品是现在和将来家电行业最重要的目标之一。这就要求我们运用现代化工具，做出更优秀的设计。近年来计算机运算速度不断提高，单台个人计算机的运算速度已经达到百亿次每秒，这为我们运用计算机进行复杂系统设计分析提供了基础。据记载，1748年格拉斯哥大学的William Cullen蒸馈出乙酸，从而验证了人类发明制冷系统的可行性。1834年，雅可比?桕金斯发明了世界上首台采用蒸汽压缩循环系统的制冷机。但直到本世纪20年代，电冰箱才开始规模化生产，并逐渐成为人们生活的必需品。根据国家统计局数据，在过去十年中，中国家用冰箱的年产量大幅度增加，从2000年的1279万台增长到2010年的6000万台以上。与空调、洗衣机等其他家用电器相比，冰箱一般每天24小时运行，因而耗电量大。当前的冰箱产量和能耗水平，在这些冰箱的寿命期内，预计在今后的十年里将消耗6010亿度电能，相当于年平均6000万吨额外的CU排放。现阶段，我国冰箱正朝向大容积化的方向发展，高端对幵门冰箱产品正在走进城市家庭的生活中。大容积冰箱带来的高能耗将进一步加剧我国的能源负担，造成更多的C02排放。低效率运行将造成巨大的环境与经济代价，故中国政府与企业非常重视提高家用冰箱的能效。近几年，特别是中国加入WTO后，冰箱的进出口贸易在大大增加。冰箱的出口额已成为国家外汇收入的重要部分。由于欧美发达国家对进口家电产品的耗电量和安全性有着更严格的要求，因此，提高冰箱的节能性和安全性对提高冰箱出口量、增强我国冰箱在国外市场的竞争力具有重要的意义。 冰箱的设计传统上主要依据经验进行。为了了解冰箱性能如能耗、开机率、船室降温曲线等参数，企业一般通过繁复的样机测试来进行，这样不仅工作周期长，而且代价较大。对制冷系统中各部件之间的影响关系，各部件对制冷系统的影响情况都只能依靠经验来判断。在设计过程中，任意部件的细小改动对系统性能的影响都是不可预计的，只能进行测试。这使冰箱研制过程复杂，要求极高的经验性。在激烈的市场竞争下，冰箱设计对食品的营养保鲜、节能环保等方面提出了更高要求。冰箱中食品的储存质量很大程度上决定于箱内温度场和流场。然而由于结构所限及设计的不合理性，不少市售冰箱存在储存室内温差较大的现象。一方面这是由于箱内自然对流的流动机理所致，另一方面蒸发器结构、箱体结构、保温层厚度分布的不合理设计亦会加剧这种现象。此外门封条处热阻较小，漏冷现象严重，因此在冰箱靠近门处的区域容易形成高温区。在夏季高温季节，内外温差大的情况下，门封处的漏冷现象更加严重，进一步加剧了温度场分布不均勻程度。温度不均不利于食品或物品的储存，也同时增加能耗，所以冰箱室内均匀的温度场就成了冰箱设计者和使用者所关心的问题。本文课题即是在上述背景下提出的，一方面拟研发一个动态仿真软件用于评估冰箱性能，另一方面借助于计算流体力学（CFD)工具分析冰箱内温度场，为减小温度不均匀性提供设计方案。 1.2冰箱仿真研究进展 随着计算机的发展，仿真技术越来越受到世界各国的重视。计算机仿真技术在热菜和制冷空调系统中运用较早，国内外一些学者都对制冷装置各部件的数学模型开展了很多研究工作，因而发展较成熟。对冰箱系统的研究工作也在近年来不断推进，国内外大量研究人员广泛参与，取得了丰硕的成果。基于制冷系统仿真的设计方法，将逐步取代传统的繁复的样机实验设计方法。国际上，制冷装置的计算机仿真研究始于上世纪70年代[2气Stoecker(1979)[4代参数，其研究目的是为了获得在不同环境参数下系统达到稳定的平衡点。Chi和Didion (1982) [6]对热泵系统的七个部件分别建立了动态集总参数模型，在各部件数学模型的基础上研制了热粟系统的计算机仿真软件TRPUMP。单相和多相的传热方程、质量方程和动量方程的差分格式均采用一阶差分格式。仿真结果与NBS实验室获得的测试数据进行了对比，吻合较好。MacArthur和Grald (1989) 建立了蒸汽压缩式热栗的动态仿真模型，对压缩机建立了集总参数模型，对制冷剂在管内的质量分布采用了孔隙率模型，并且将开式压缩机的水-水热栗和闭式压缩机的空气-空气热栗的仿真结果与实验进行了对比。对家用冰箱的动态仿真，发展于八十年代对CFC-12逐步淘汰的研究。Jansen等(1988) [9]、Lunardi (1991) _对以CFC-12为工质的冰箱系统的启动过程进行了仿真，换热器均釆用了集总参数模型。Vidmar等（1991) 对换热器采用了分