蒸发器-压缩机联合调节特性与控制策略

1.引言

在本文（一）（二）的基础上，运用数值模拟的方法分析VRV空调系统在热泵模式下压缩机频率、室外温度、室外机风量、蒸发温度、冷凝温度等对室外冷凝器换热的影响，得出了室外机的调节特性，从而归纳出了制冷模式下对室外机机更合理的控制策略──压缩机频率控制制冷剂流量，室外机风量控制过冷度。　　　　
2.调节特性

2.1 压缩机频率-流量特性

如图1所示，当空调系统制剂过热度Tsu＝5℃，冷凝温度Tc＝50℃时，在不同蒸发温度Te下的压缩机流量特性曲线。在相同入口状态下，制冷剂质量流量随压缩机频率的上升而增加；随着蒸发温度的升高，压缩机的压缩比逐渐变小，压缩机入口制冷剂比容减小，其流量特性曲线的斜率逐渐增加。　　
2.2 风量-风温联合调节特性
在冷凝温度Tc=40℃，过冷度Tsb＝5℃，蒸发温度Te=-10℃，制冷剂流量Gr=0.015kg/s情况下，蒸发器换热量Q与风量Gα、风温Tα的关系曲线如图2所示。

在某一固定风温下，如Tα＝0℃，当风量很小时，蒸发器出口制冷剂为两相状态，随着风量的增加，增大了管外空气侧的换热系数，还使空气侧的换热能力增加，蒸发器出口制冷剂焓值逐渐增大，换热量也逐渐上升。当风量增大到使蒸发器出口过热以后，风量的增加对换热量的影响很小。在蒸发温度不变时，风温的上升，使得蒸发器内外侧换热温差逐渐增大，因此使蒸发器出口过热所对应的风量也随风温的上升而逐渐减小，如Tα＝15℃曲线所示，在风量Gα＝300m3/h时，蒸发器出口制冷剂就已经过热。　　
2.3 风温-频率联合调节特性
在Tc=40℃,Tsb＝5℃，Te＝-10℃，Gα＝1200m3/h情况下，冷凝换热量Q与压缩机频率Fz、风温Tα的关系曲线如图3所示。

在某一确定的风温下，如Tα＝-6℃，当压缩机频率很小时，制冷剂流量也很小，在能够使蒸发器出口保持过热时，蒸发器换热量热量随压缩机频率的增加而逐渐增加，当流量增加到蒸发器出口回液后，表明蒸发器空气侧换热已经接近极限，制冷剂流量的增加会改善制冷剂侧的换热系数，蒸发器换热量随压缩机频率上升的速度明显降低。在蒸发温度不变时，风温的上升，使得蒸发器内外侧换热温差逐渐增大，因此使蒸发器出口过热所对应的压缩机频率也随风温的上升而逐渐上升。如Tα＝-9℃曲线所示，在频率Fz=30Hz时，蒸发器出口就已经回液，而Tα＝-4℃与Tα＝10℃时，Fz＝120Hz，蒸发器出口制冷剂仍为过热。　　
2.4 蒸发温度的影响
在Tc=40℃、Tsb=5℃、Tα=10℃、Gα=1200m3/h情况下，蒸发器换热量与压缩机频率Fz、蒸发温度Te的关系曲线如图4所示。

蒸发温度不仅影响到压缩机的制冷剂流量还影响到蒸发器内外侧的换热温差，从图4中可以看出，在某一蒸发温度下，随着压缩机频率的增加，通过蒸发器的制冷剂流量也增加，蒸发器的换热量一直增大；当蒸发器出口制冷剂回液时，换热量随压缩机频率增加的速度明显下降。随着蒸发温度的下降，蒸发器内外侧换热温差增大；蒸发器出口出现回液时，所对应的压缩机频率逐渐增加大，蒸发器的换热量也随蒸发温度的下降而逐渐上升，如图4中的Te＝2～8℃所示的各条曲线，当蒸发温度下降到蒸发器出口不回液后，蒸发温度的下降所引起的制冷剂流量下降是影响蒸发器换热的主要因素，所以换热量随蒸发温度的下降而下降，如图4中的Te＝1～-10℃的各条曲线。从以上分析可以看出，对于固定的支路，蒸发温度有一个最优值，使得蒸发器在保证出口过热的情况下换热量达到最大。　　
2.5 风量-频率联合调节特性
当Tc=40℃,Tsb=5℃,Te=0℃,Tα=10℃时，蒸发器换热量Q与压缩机频率Fz、风量Gα的关系曲线如图5所示。

在某一固定风量和压缩机频率很小的情况下，制冷剂流量很小，蒸发器出口制冷剂为过热冷状态；随着频率的增加，制冷剂流量增大，换热量逐渐增大；当流量增大到一定程度后，蒸发器出口制冷剂为两相状态，流量的增加只能增加管内侧的换热系数，但管外侧空气换热已接近极限，换热量只有少量增加。当压缩机频率不变即制冷剂流量不变的情况下，当风量很小时，蒸发器出口制冷剂为两相状态；当风量增加后，蒸发器出口制冷剂的干度和焓值逐渐增大，换热量逐渐增大；当风量增大到蒸发器出口制冷剂过热后，尽管风量的增加会进一步加大蒸发器出口制冷剂的过热度从而增加换热量，但由于过冷制冷剂与空气只进行显热交换、换热量增加缓慢。因此在蒸发器出口过热的情况下，风量的增加对蒸发器换热量影响很小，但随着风量的增加，蒸发器出口出现回液时所对应的压缩机频率逐渐增大，而在回液后的换热量仍会随着风量的增大而略有增大。　　 　　
3.控制策略

在SVRV空调系统中，为满足室内蒸发器热负荷的需要，要求室外机提供一定状态和流量的制冷剂，为了满足系统的稳定运行，在室外蒸发器出口有一定的过热度要求；在热回收型MVRV空调系统中，多个室内机可能同时制冷和制热，需要室外机提供一定的制冷剂，并且室外机的换热量要和室内总负荷相匹配，都需要对室外机出口的制冷剂状态和流量进行控制。本文着重研究了在室外换热器为蒸发器时的调节特性与控制策略。
以上对影响蒸发器换热的多个参数分别进行了分析，这些参数中蒸发温度是表征制冷系统运行的状态参数，风温由实际运行时的室外空气参数决定，因此上述参数中只有压缩机频率与蒸发器风量是调节参数，而用这两个参数要满足室内蒸发器侧负荷提出了的制冷剂流量和过热度要求。
蒸发器与压缩机联合工作状态方程为：

根据上述分析，在压缩机频率优先控制制冷剂流量的情况下，可以用风量独立调节过冷度，即B（t）为上三角矩阵，可以实现压缩机频率与室外机风量对系统制冷剂流量和冷凝器出口制冷剂过冷度的解耦控制。　　
4.结论

根据上述分析，在热泵模式下，室外换热器为蒸发器时，室外机（蒸发器－压缩机）要为整个VRV空调系统提供一定流量的制冷剂，而且为了保证压缩机正常工作，还要保证蒸发器出口有一定的过热度，在用压缩机频率和室外机风量两个调节参数来达到上述要求时，在压缩机频率优先控制制冷剂流量的情况下，可以用风量独立调节过冷度，可以实现压缩机频率与室外机风量对系统制冷剂流量和冷凝器出口制冷剂过冷度的解耦控制。