本文來源：製冷空調換熱器技術聯盟 作者：楊叢彥，趙丹，胡海濤等；
多溫區冰箱中採用並聯雙蒸發器可以有效地提高各間室的溫度控制精度和冰箱能效。但關於冰箱蒸發器研究主要是針對單蒸發器和串聯雙蒸發器，到目前為止，關於並聯雙蒸發器計算機動態性能仿真的研究非常匱乏。並聯雙蒸發器相較單蒸發器和串聯雙蒸發器運行模式更加複雜，同時在實際運行過程中，不同運行模式還需要相互切換，因此現有的用於單蒸發器和串聯雙蒸發器的動態計算方法不能直接用於計算並聯雙蒸發器複雜的動態性能。
並聯雙蒸發器動態仿真方法主要有以下難點。
1） 製冷劑狀態的確定：
在並聯雙蒸發器仿真過程中，製冷劑的動態變化主要發生在運行模式切換的過程中，因此描述所有運行模式下蒸發器中製冷劑的狀態存在難點。
2） 保證運行模式切換中蒸發器數學模型光滑轉換：
動態性能仿真計算方法需要描述製冷劑不同分佈狀態下的數學模型，在 11 種模式切換方式中， 數學模型間的光滑連接是保證系統仿真穩定性的關鍵。
3） 保證蒸發器動態仿真結果穩定的算法：
在並聯雙蒸發器不同的運行過程中，兩個蒸發器之間有質量和能量的傳遞，傳遞過程複雜，計算方法需要保證質量和能量的嚴格守恆，這就給雙蒸發器算 法的開發帶來困難。
本文為解決以上難點，開發了冰箱並聯雙蒸發器動態性能計算方法，從而保證快速、精確地實現 並聯雙蒸發器冰箱系統的動態性能的仿真計算。
1、開發動態性能計算方法
並聯雙蒸發器冰箱系統包含冷藏循環制冷迴路（如圖 1 中 a-b-c-d-e-a）和冷凍循環制冷迴路（如圖1中 a-b-c-g-f-a），系統控制策略通過三通電磁閥 控制製冷劑的流向，實現了兩製冷迴路的交替運行。
並聯雙蒸發器的運行模式包括：
1） 冷凍開機冷藏停機：
壓縮機開機，三通電磁閥的出口 1 關閉，製冷劑的流向為 a-b-c-g-f-a， 冰箱給冷凍室進行製冷；
2） 冷藏開機冷凍停機：
壓縮機開機，三通電磁閥的出口 2 關閉，製冷劑的流向為 a-b-c-d-e-a， 冰箱給冷藏室進行製冷；
3） 兩蒸發器抽真空：
壓縮機保持開機，三通 電磁閥的兩出口均關閉，製冷劑通過壓縮機，從兩個蒸發器進入冷凝器；
4） 兩蒸發器停機：
壓縮機關機。動態性能計算方法就是要快速、穩定地計算這四種運行模式循環切換下蒸發器的動態性能。
1.1 計算思路
為了能夠快速、精確地計算兩蒸發器中製冷劑 的狀態參數，本文針對並聯雙蒸發器的運行特點提 出如下計算思路。
1）明確並聯雙蒸發器在所有運行模式下製冷 劑的分佈狀態。總結並聯雙蒸發器所有的運行模式以及運行模式切換過程，並分析製冷劑在蒸發器所有運行模式轉換前、後的分佈狀態。
2）建立並聯雙蒸發器在所有分佈狀態下的計 算模型。開發並聯雙蒸發器中製冷劑不同分佈狀態下具體的計算公式，實現所有分佈狀態下製冷劑狀 態參數計算。
3）建立並聯雙蒸發器不同運行模式光滑轉換 判斷準則。根據製冷劑各分佈狀態的計算模型計算得到的製冷劑的狀態參數應滿足光滑轉換判斷準 則，從而保證並聯雙蒸發器仿真計算過程中各運行 模式光滑轉換。
4）開發實現不同運行模式下並聯雙蒸發器質 量和能量嚴格守恆的算法，穩定地計算製冷劑在並聯雙蒸發器不同運行模式切換過程的質量、能量及其他狀態參數，保證仿真計算過程收斂。
1.2 明確製冷劑分佈狀態
在並聯雙蒸發器不同運行模式下，蒸發器中制 冷劑分佈狀態有 4 種基本狀態，包括 SH（全過熱）、 SH+TP（過熱和兩相共存）、TP1（進出口均為兩相） 和TP2（進口兩相/出口飽和），如圖 2 所示。
在冰箱實際運行過程中，通過控制 4 種運行模 式相互切換，即任意一種運行模式切換至其他3種運行模式，實現給兩箱室製冷的目的。
為了避免冷藏蒸發器開機過程中冷凍蒸發器內還殘存製冷劑 的問題，冷凍循環結束之後要通過抽真空過程實現製冷劑的再分配而不能直接切換至冷藏循環，因此4種運行模式相互轉換的共有11種可能情況。在不同運行模式切換過程中，兩蒸發器中製冷劑的分佈 狀態會發生改變，下面將分別列出11種模式轉換 方式下並聯雙蒸發器轉換前後的運行模式，以及模式轉換前後兩蒸發器中製冷劑的分佈狀態，如表 1 所示。
1.3 建立製冷劑不同分佈狀態下質量、能量及其它 狀態參數的計算公式
在並聯雙蒸發器實際運行過程中，2 個蒸發器 之間有質量和能量的傳遞，為保證計算算法質量和能量的嚴格守恆，將兩蒸發器的總質量和總能量作 為狀態參數，這樣質量和能量守恆方程就作為基本 控制方程，如公式(1)和公式(2)所示。
1.3.1 製冷劑為過熱狀態（SH）
1.3.2 製冷劑為兩相和過熱共存狀態（SH+TP）
1.3.3 製冷劑為進出口均為兩相（TP1）狀態或製冷劑為進口兩相/出口飽和（TP2）狀態
各模式的判斷準則保證了各模式之間的光滑 轉換。根據焓值線性分佈假設，具體的各模式的判 斷準則如表 2 所示。
1.4 算法實現
確定兩蒸發器在不同運行模式下狀態參數的 計算方法如下：
1) 首先輸入邊界條件製冷劑進口質量流量min、 出口質量流量 mout、進口焓 hin、出口焓 hout以及製冷劑側換熱量Q；
2) 根據式(1)~式(2)積分計算第i時刻製冷劑的 總質量Mi和總能量Ei ；
3) 輸入製冷劑的總質量Mi、總能量Ei ；
4) 並聯雙蒸發器運行模式切換共分為11 種， 不同切換過程，兩蒸發器中製冷劑的狀態參數確定 流程不同，如果切換模式為模式 1~3 中的 1 種，轉到步驟 5）；如果切換模式為模式 4~8 中的 1 種，比 較冷藏、冷凍蒸發器內壓力，當冷藏蒸發壓力大於冷凍蒸發壓力轉到步驟 6）；否則轉到步驟 5）；如 果切換模式為模式 9~10 中的1種，比較冷藏、冷 凍蒸發器內壓力，當冷凍蒸發壓力大於冷藏蒸發壓力轉到步驟 6）；否則轉到步驟
8）；如果切換模式 為模式 11，轉到步驟 8）；
5) 假定壓力，分別計算冷藏蒸發器和冷凍蒸 發器中製冷劑的狀態參數，如果計算的兩蒸發器內製冷劑的總質量（總能量）和實際總質量（總能量） 相等時，計算收斂，轉到步驟 10）；否則調整壓力假定值，重新計算；
6) 假設蒸發器內壓力，計算冷凍蒸發器中制 冷劑狀態參數，如果計算的總能量與實際總能量相等時，計算收斂，轉到步驟 7），否則調整壓力假定值，重新計算；
7) 假設蒸發器內壓力，計算冷藏蒸發器中制 冷劑狀態參數，如果計算的總質量與實際總質量相等時，計算收斂，轉到步驟 10）；否則調整壓力假 定值，重新計算；
8) 假設壓力，計算冷凍蒸發器中製冷劑的狀 態參數，如果計算的冷凍蒸發器內製冷劑的總能量與其實際總能量相等時，計算收斂，轉到步驟 9）；否則調整壓力假定值，重新計算；
9) 假設蒸發器內壓力，計算冷藏蒸發器中制 冷劑狀態參數，如果計算的總能量與實際總能量相等時，計算收斂，轉到步驟 10），否則調整壓力假 定值，重新計算；
10) 輸出蒸發器中製冷劑的狀態參數，計算 i+1 時刻製冷劑的狀態參數。具體算法如圖 3 所示。
2、算法驗證
為了證明計算方法的有效性，本文將提出的計 算方法嵌入到成熟的冰箱系統仿真軟件[文獻：楊叢彥, 趙丹, 丁國良, 等. 多類型冰箱部件及系統仿 真軟件開發[C]// 中國家用電器技術大會論文集. 北京: 《電器》雜誌社, 2015: 37-46.]中，仿真軟件在個人電腦（Intel Pentium D CPU 2.66 GHz；1024 MB RAM）模擬測試冰箱實際運行 24 小時的 動態性能，仿真所花費的時間在 300 秒以內，並將仿真結果中蒸發器中製冷劑的狀態參數與實驗測試結果[文獻：趙丹. 面向製冷空調裝置快速穩定仿真的部件模型拓 展及系統仿真平臺開發[D].上海: 上海交通大學, 2014.]進行比較，其中溫度測量精度為±0.3ºC， 製冷劑壓力測量精度為±0.2%。用於測試的蒸發器 參數如表 3 所示。
採用本文提出的並聯雙蒸發器計算方法仿真 冰箱蒸發器正常工作時的性能，仿真結果和實驗結果吻合很好，結果顯示仿真值相對於實驗值的相對偏差在均在10%以內，如圖 5 所示。
3、結論
1）通過將製冷劑的分佈狀態劃分為 SH（全過熱）、SH+TP（兩相和過熱共存）、TP1（進出口均 為兩相）以及 TP2（進口兩相/出口飽和）4 種分佈狀態，給出製冷劑四種分佈狀態下質量、能量及其 他狀態參數的計算公式，可以實現並聯雙蒸發器所 有運行模式下動態性能計算；
2）依據焓值線性分佈假設，將製冷劑的密度Pcal和空泡係數Ycal作為判定參數，可以實現製冷劑各分佈狀態計算模型光滑轉換，從而保證了並聯雙 蒸發器動態性能仿真計算方法穩定性。
3）提出了基於質量和能量守恆的並聯雙蒸
發器動態性能算法，計算蒸發器正常工作時的動態 性能與實驗結果吻合良好，結果顯示仿真值和實驗 值的相對偏差在均在 10%以內。在個人電腦仿真 24 h 性能所花費的時間仿真小於 300 s，滿足設計要求。
