典型渔船制冷的建模与系统仿真研究

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摘要：本文首先介绍了当前应用广泛的典型渔船制冷系统的组成，建立了压缩机、冷凝器、蒸发器、热力膨胀阀、蒸发压力调节阀等的数学模型。在此基础上，利用Visual BASIC6.0进行了典型渔船制冷系统仿真可视化界面的设计和仿真软件的开发，并介绍了该仿真软件的开发思路。

关键词：渔船制冷系统；仿真建模；可视化界面

1 引言

海洋污染以及近海渔业资源的萎缩，使得渔民不得不进行更长距离的航程去捕鱼。此外，人民生活水平提高、健康意识增强、对水产品的质量要求提升，这些都对渔船保鲜提出了更高的要求，当前绝大多数从业渔民普遍技术素质偏低，操作过程中往往造成制冷机组不能正常运转或制冷效果达不到保鲜要求，致使渔获物品质大大降低，并且造成能源的浪费及有害排放的增加，如何培养出适应现代渔业要求的高水平船员成了当前亟待解决的问题。传统的培训模式比较死板，缺乏灵活性，对学员的设备操作技能及业务素质提高很有限且成本较高。渔船制冷系统仿真可以模拟渔船制冷系统的各项操作，同时可以设置多种系统运行中可能出现的故障，以训练学员的实际操作能力和应急处理能力。系统仿真软件给船员的培训、实操训练和评估所带来的实用性和便利性。大大降低了船员的培训成本，并且通过仿真系统的培训，船员的实际操作能力及综合业务水平有很大的提高。渔船制冷系统仿真能够快速有效地提高渔船从业人员的设备操作技能及综合业务水平，规范渔船的管理，改善渔船的节能减排状况。研究开发渔船制冷系统仿真软件成为一个相当紧迫的课题，对我国渔船的规范管理及整个渔业的发展有着重大的现实意义。

2 典型渔船制冷系统简介

渔船制冷系统主要是指渔船上专为渔获物保鲜而设置的制冷系统。随着人们对渔获物鲜度要求的越来越高，作为一个直接关系到渔获物质量的关键系统单元，渔船制冷系统受到了人们极大的关注。根据渔获物的种类、储存时间、质量的要求不同，渔获物在船上应用的冷处理条件和方法也不相同。目前应用较多的是冷海水喷淋保鲜、微冻保鲜、冻结保鲜等，相应的制冷系统也就不同。

目前应用广泛典型的渔船制冷系统是冻结保鲜制冷系统，其主要设备包括JC2-6 FS10制冷压缩机两台、冷凝器两台、平板冻结器（无泵直接供液）两台、中间冷却器、气液分离器、冻藏鱼舱、冰鲜鱼舱等。冻结器共有九块，但没有液泵作循环动力。为了保证各块平板都能获得足够的液态冷剂，在系统中将液管分成三路并联供液。在系统的回气、融霜、排液管路上，都装有电磁阀和电磁恒压主阀，以保证系统功能正常工作。

平板冻结器和鱼舱在系统中作为蒸发器，与压缩机、冷凝器、中间冷却器、热力膨胀阀一起组成制冷系统。根据冻结板、各个鱼舱温度要求的不同，通过阀组控制制冷剂的蒸发量来满足温度的要求。8160型渔船制冷系统组成如图1所示。

3 渔船制冷系统主要部件数学建模

渔船制冷系统仿真数学模型主要有压缩机模型、冷凝器模型、蒸发器模型、热力膨胀阀模型、蒸发压力调节阀等。通过整体考虑系统的热力性能，对部件的模型建模如下：

3.1 压缩机模型

典型渔船制冷系统压缩机的热力性能可以分为两个部分，一是制冷剂（R22）气体的压缩运输，主要确定压缩机的单位制冷量、质量流量、输入功率、排气温度和排气压力；二是压缩机与环境的换热，主要确定压缩机的机壳温度。为简化起见，将压缩机的换热部分转化为压缩机制冷剂的运输部分，由此造成的误差可以通过压缩机的输气系数、多变指数和电效率来补偿，其基本的数学表达式为[ 2-4] ：

式中：Q 表示压缩机的制冷量；m 表示压缩机质量流量； V 表示容积输气量；υ表示压缩机吸气比容； P表示输入功率； T和p 分别表示压缩机绝对温度和压力； λg表示压缩机的气密系数；R 表示通用气体常数； D ， i ， s ， n 分别是压缩机的缸径、气缸数、活塞行程和转速； k 表示压缩行程的多变指数；λ和η分别是压缩机的输气系数和电效率；下标h 和com 分别表示压缩机的理论值和实际值；下标s 和d 分别表示吸气和排气状态。

3.2 冷凝器模型

冷凝器作为制冷系统的高压侧换热器，是将系统产生和吸收的热量排放到环境中去。在装置稳定运行时，制冷剂以过热气体状态进入冷凝器，逐渐冷却到气液两相状态， 并进一步冷却至过冷液体状态后离开冷凝器进入储液器。对于制冷系统仿真用冷凝器模型， 其数学表达式为[ 2-4]

式中：Q1 表示冷凝器的传热量；G表示每小时制冷装置的冷剂循环量；h表示制冷循环的焓值； m 为质量流量； cp 为比定压热容； T 为流体温度； p 为压力；ΔTm 为对数平均温差； a1 、a2 、a3 分别为系数；下标1 和2 分别为流入和流出；下标h 和c 分别为热流体和冷流体；下标sat 为饱和状态。

3.3 蒸发器模型

蒸发器作为制冷系统的低压侧换热器从系统和冷库吸收热量，再通过冷凝器排放到环境中。在装置稳定运行时，制冷剂以低干度的气液两相状态进入蒸发器吸热蒸发， 最后以过热气体状态离开蒸发器，其数学模型为[ 2-4]：

制冷剂处于汽液两相区时：

式中： Q2为蒸发器中制冷剂吸热量；K为制冷剂蒸发时的传热系数；K′为蒸发器的传热系数；F为蒸发器的传热面积；Δtm为对数平均温差；A1为过热影响的修正系数； m 为质量流量； h 为焓值； D 为直径； T为温度； c 为比热容；βf 为空气侧换热倍率；下标w 为管壁； 下标r 为制冷剂； 下标a 为空气；下标i为内侧， o为外侧。

3.4 热力膨胀阀模型

在制冷系统中，热力膨胀阀装在电磁阀之后和蒸发器进口管路之间，其感温包紧紧包扎在蒸发器的出口管路上。它的功用是以蒸发器出口处的气态制冷剂过热度为信号，来自动地调节膨胀阀的开度以控制液态制冷剂进入蒸发器的流量，同时使液态制冷剂节流降压、降温。对于TX2 – 0.7型热力膨胀阀，其基本数学表达式为[ 2-4]：

3.5 蒸发压力调节阀模型

该类型渔船制冷系统中，平板冻结器、冰鲜鱼舱、冷藏鱼舱的库温各不相同，共用一台或两台压缩机。因此，需要在高温库的蒸发器出口管路上装设蒸发压力调节阀，以阀前的蒸发压力为反馈信号，自动地调节开度，将蒸发压力调节到所要求的数值。蒸发压力调节阀（KVP2）模型的数学表达式为[ 2-4]：

4 仿真系统的可视化界面设计

仿真软件界面设计的基本原则是使制冷仿真软件具有一个非常形象的可视化界面，为软件的使用提供方便。用户界面由对象，即窗体和控件组成，所有的控件都放在窗体上（1个窗体最多可容纳255个控件）。程序中的所有信息都要通过窗体显示出来，它是应用程序的最终用户界面。程序运行后，将在屏幕上显示由窗体和控件组成的用户界面。

建立程序的设计界面，操作步骤如下：

（1） 启动Visual BASIC 6.0，新建一个工程文件。

（2） 根据建立系统可视化界面的需要在工具栏添加相应的部件，然后添加需要的阀件、管路、表盘、泵、指示灯、冷却器等。

（3） 结合典型渔船制冷系统中的部件，在窗体的适当位置添加相应的控件，并按照系统的运行原理把管路连接起来。

（4） 保存创建的可视化设计界面，再按照前述的各部件数学模型进行计算机编程，使界面上的各控件能够按照物理模型的规律变化，并能响应用户的各种操作。主界面设计如图2所示。

5 结束语

本文针对典型渔船制冷系统，建立了一套操作仿真软件，并介绍了系统部件的数学模型和仿真建模方法，以及基于VUSUAL BASIC的仿真界面设计步骤。该软件可以根据实际的需要进行扩展升级，以解决目前渔船培训机构训练设备滞后于实船使用设备、所学知识落后于实用知识的状况。

参考文献：

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作者简介：

胡以怀，男，教授，1964年1月7日生，汉，江苏高邮市，研究方向：船舶动力装置 系统仿真及故障诊断。上海海事大学 轮机工程系。

李长熊，男，讲师，1982年5月10生，汉，河南邓州人，研究方向：船舶辅机工程及海洋防污染。上海海事大学 轮机工程系。