Mô phỏng hệ thống lạnh bảo quản thực phẩm trên Simscape của Matlab & Simulink

ISSN: 1859-2171 TNU Journal of Science and Technology 195(02): 61 - 67 
 Email: jst@tnu.edu.vn 61 
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG LẠNH BẢO QUẢN THỰC PHẨM 
TRÊN SIMSCAPE CỦA MATLAB & SIMULINK 
Dương Chính Cương1*, Nguyễn Đức Trung2 
1Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông – ĐH Thái Nguyên, 
2Đại học Bách khoa Hà Nội 
TÓM TẮT 
Hệ thống lạnh được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực với quy mô khác nhau. Đối với hệ 
thống dân dụng cũng như công nghiệp, ứng dụng nổi bật của hệ thống lạnh chính là thực hiện 
nhiệm vụ bảo quản thực phẩm. Nhằm tối ưu hoạt động hệ thống, nhiệm vụ tính toán và phân tích 
sự biến thiên theo thời gian thông số trạng thái của các phần tử cần bảo đảm sự chính xác cao. Sử 
dụng ngôn ngữ tựa BondGraph, hoạt động của hệ thống lạnh bảo quản thực phẩm được mô phỏng 
thông qua bộ công cụ Simscape của gói phần mềm Matlab & Simulink. Các điểm làm việc của 
từng phần tử thay đổi theo thời gian được biểu diễn một cách liên tục trên nền đồ thị logp-i, vốn rất 
quen thuộc với các kỹ sư nhiệt. 
Từ khóa: Bảo quản thực phẩm, Simscape, chu trình lạnh, mô phỏng, đồ thị logp-i 
Ngày nhận bài: 02/01/2019; Ngày hoàn thiện: 20/02/2019; Ngày duyệt đăng: 28/02/2019 
SIMULATION THE FOOD COLD STORAGE 
USING A BOND GRAPH MODEL LIBRARY IMPLEMENTED IN SIMSCAPE 
Duong Chinh Cuong
1*
, Nguyen Duc Trung
2 
1University of Information and Communication Technology – TNU, 
2Hanoi University of Science and Technology 
ABSTRACT 
Refrigeration system is widely used in multi domain under different scales. For household and 
industrial system, the typical application of refrigeration system is food preservation. In order to 
optimize system performance, it is necessary to compute and analyze exactly the time – variance 
of state variable of elements. Using pseudo – BondGraph language, the operation of refrigeration 
system for food preservation is simulated via Simscape toolbox of Matlab & Simulink. The 
variation due to time of operational point of each element is described continously in logp-i 
diagram which is very acquainted with thermal engineers. 
Keyword: Food storage, Simscape, refrigeration cycle, simulation, logp-i diagram 
Received: 02/01/2019; Revised: 20/02/2019; Approved: 28/02/2019 
* Corresponding author: Email: dccuong@ictu.edu.vn 
Dương Chính Cương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 61 - 67 
 Email: jst@tnu.edu.vn 62 
GIỚI THIỆU 
Một chu trình lạnh bao gồm các thiết bị chính 
sau: dàn bay hơi (còn gọi là dàn lạnh), máy 
nén, dàn ngưng tụ (còn gọi là dàn nóng) và 
van tiết lưu nối với nhau thành một vòng kín 
gọi là chu trình lạnh được mô tả trên Hình 1 
dưới đây. 
Hình 1. Các phần tử cơ bản và đồ thị Log p – i 
của một chu trình lạnh 
Một luồng chất lưu dễ bay hơi (lưu chất vận 
động hay môi chất lạnh) được luân chuyển 
trong chu trình lạnh với nhiệm vụ vận chuyển 
nhiệt lượng từ môi trường tiếp nhận ra môi 
trường bên ngoài để mục đích hạ nhiệt độ của 
môi trường bên ngoài xuống nhiệt độ theo 
yêu cầu [1]. Việc điều chỉnh năng suất lạnh 
tương ứng với công suất máy nén theo 
nguyên tắc vô cấp thông qua biến tần hoặc 
đơn giản hơn với nguyên lý ON/OFF nhằm 
bảo đảm ổn định nhiệt độ trong một dải cho 
phép do tính chất quán tính nhiệt như trong 
Hình 2 mô tả hệ thống lạnh đối với một 
phòng bảo quản thực phẩm. Ở các hệ thống 
nhiệt nhỏ, tích hợp đầu đo và cơ cấu điều 
khiển trên một thiết bị tạo ra các rơ le nhiệt đi 
kèm hệ thống mao dẫn chứa hơi có đặc tính 
áp – nhiệt với độ nhạy cao nhằm thực hiện 
nguyên tắc chuyển đổi đồng thời giữa các quá 
trình: nhiệt học – cơ học – điện từ [2]. Nhiệt 
độ đặt cho phòng bảo quản được điều chỉnh 
cụ thể đối với từng loại thực phẩm khác nhau. 
Hình 2. Sơ đồ điều khiển một hệ thống lạnh theo 
nguyên tắc đơn giản 
Đối tượng nghiên cứu có đặc tính phi tuyến 
và đa biến [3], [4], [5] được mô hình trên 
ngôn ngữ giả lập Bond Graph và mô phỏng 
trên Simscape của Matlab & Simulink [6], [7], 
[8], [9], [10] với kết quả biểu diễn trên đồ thị 
logp-i giúp cho không chỉ kỹ sư điều khiển đánh 
giá được tính chất biến thiên động theo thời 
gian của từng phần tử trong hệ thống mà còn 
cho phép các kỹ sư nhiệt đánh giá và hiệu chỉnh 
nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống. 
MÔ TẢ TOÁN HỌC CHU TRÌNH LẠNH 
Đối với chu trình lạnh có mô hình toán học 
chi tiết rất phức tạp [3, 4, 5]. Nghiên cứu sẽ 
tóm lược một số phương trình chính. Mô tả 
toán học của dàn ngưng tụ và bay hơi có dạng 
tương tự nhau. Với các thông số của dàn 
ngưng tụ (con: condensator): h (400 W/mK), 
δ (10 mm), d (15 mm) và l (15000 mm) đặc 
trưng cho hệ số dẫn nhiệt, đồ dầy, đường kính 
và chiều dài của dàn; nhiệt lượng Qcon do môi 
chất bị ngưng tụ chuyển qua ra môi trường 
không khí làm thay đổi nhiệt độ vào và nhiệt 
độ ra khỏi dàn ngưng của không khí theo (1) 
và (4): 
- _23
-_ _
Q m C T Tcon con con con in
h A T Tcon con con out con in
con
 (1) 
m V Acon con con concon con con  (2) 
A d lcon con con  (3) 
Entanpi (i) 
Log 
p 
Q: Công suất lạnh thu về 
W: Công của máy nén 
Dương Chính Cương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 61 - 67 
 Email: jst@tnu.edu.vn 63 
2 1
2ln
1
- ; - __2 23 1 23
1( - );
1 4 1 1
1 2
(Re, , Pr, )
2
4
- _23
( - )
1 4 1 1
1 2
t t
Q G h kAconcon t
t
t T T t T Tcon outcon in
h I I k
f Nu fi i Halland
d lcon conG V
MC MC MC
T TA con iconG I I
con
con

 

  

 
 
-
23 _
ln
-
23 _
n
T T
con in
T T
con out
(4) 
Thiết diện bề mặt dẫn nhiệt Acon và khối 
lượng mcon lần lượt được tính toán qua (2) và 
(3). Quá trình đẳng áp, đẳng nhiệt diễn ra ở 
dàn ngưng với nhiệt độ T23 có hiện tượng 
ngưng tụ của môi chất khiến cho nhiệt độ môi 
trường bị tăng lên (Tcon_out>Tcon_in), ngược lại 
với quá trình bay hơi đẳng áp, đẳng nhiệt 
(T14) ở dàn bay hơi được đặt tiếp xúc với môi 
trường cần được làm lạnh. Quá trình trao đổi 
nhiệt được mô tả cụ thể hơn trong phươn