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 phương 
trình (4) với đặc trưng hệ số trao đổi nhiệt đối 
lưu phụ thuộc vào chế độ của dòng chảy bên 
trong ống được xác định qua các chuẩn số Re, 
Nu, Pr kết hợp với tương quan Halland với 
chi tiết trong [5], [11], [12]. 
Chu trình lạnh tuần hoàn kín môi chất lạnh có 
hai cặp (ngưng tụ hơi – bay hơi lỏng; nén hơi 
– tiết lưu lỏng) hiện tượng vật lý diễn ra 
ngược nhau tại các cụm phần tử khác nhau 
được kết nối bằng hệ thống đường ống có yêu 
cầu bảo ôn đặc biệt tại các đoạn ống kết nối 
với dàn bay hơi hay còn được gọi là dàn lạnh 
(đặt phía trong môi trường cần làm lạnh). 
Việc khởi động hay dừng máy nén thường 
dựa trên sự so sánh của tín hiệu nhiệt độ 
mong muốn của môi trường với nhiệt độ thực 
tế của môi trường. 
Mô tả toán học cơ bản của máy nén với công 
nén W đưa áp suất của khối lượng hơi G từ P1 
lên P2 được thể hiện qua phương trình sau đây: 
  ( ) -
2 1 2 2 1 1
2 2
_2 _1
( ) - ( )
2 2 2 1 1 1
2 2
W G E E G I K I K
V V
EL EL
G u p v u p v
 (5) 
Phương trình trên dựa trên định luật bảo toàn 
năng lượng với công nén tương ứng với phần 
tổng năng lượng tăng thêm. Tổng năng lượng 
(E) của dòng hơi được xác định bằng tổng 
entanpi (I: được xác định bằng tổng nội năng 
u và phần năng lượng pv được tạo ra do áp 
suất p trong một thể tích v) và động năng (K). 
Quá trình nén hơi thực hiện theo nguyên tắc 
đoạn nhiệt (đẳng entropi: S2=S1). Đặc trưng 
cho việc tính toán máy nén dựa vào tỉ số nén 
(K= P23/P41) yêu cầu phụ thuộc vào chính giá 
trị nhiệt độ mong muốn của môi trường cần 
lạnh. Việc làm lạnh sâu đòi hỏi nhiều cấp nén 
hơn. Tùy theo môi chất lạnh mà giới hạn tỷ số 
nén đối với một cấp nén được xác định. Đối 
với môi chất lạnh R22 trong nghiên cứu này, 
tỉ số tới hạn được xác định là 8. 
Ngược lại với quá trình nén hơi là quá trình 
tiết lưu lỏng thực hiện tại van tiết lưu là quá 
trình hạ áp suất đẳng entanpi (không thực 
hiện sự trao đổi nhiệt với môi trường: I4=I3). 
Về mặt lý thuyết, van tiết lưu được bảo ôn 
tuyệt đối. Tuy nhiên với các thiết bị lạnh công 
suất nhỏ, van tiết lưu thường được thay bằng 
ống mao dẫn có đường kính nhỏ, đồng thời 
việc bảo ôn không nhất thiết bắt buộc phải 
thực hiện quá nghiêm ngặt. Trong trạng thái 
hoạt động xác lập của hệ thống, van tiết lưu hạ 
áp suất của dòng môi chất lạnh ở trạng thái 
lỏng từ P23 về P41; trạng thái của môi chất lạnh 
tại các điểm 1, điểm 2, điểm 3 và điểm 4 lần 
lượt ở hơi bão hòa khô, hơi quá nhiệt; lỏng và 
hơi bão hòa ẩm như thể hiện trênHình 1. 
Mô tả trường hợp mô phỏng: bảo quản táo 
trong kho lạnh của siêu thị 
Sau thu hoạch, táo thương được bảo quản 
trong kho lạnh để trước khi đưa ra bán tại siêu 
thị. Nhiệt độ bảo quản tối thiểu là 10oC. 
Trong nghiên cứu này, mô phỏng thực hiện 
với điều kiện bảo quản ở 4oC cho kho chứa 
Dương Chính Cương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 61 - 67 
 Email: jst@tnu.edu.vn 64 
250 kg táo có kích thước (m): 2x3x2. Việc 
trao đổi nhiệt với môi trường cần làm lạnh 
được hỗ trợ bởi quạt gió ở vận tốc gió là 0,2 
m/s. Kho lạnh được bảo ôn bằng bông thủy 
tinh có độ dày 100 mm với lớp bao ngoài là 
tường gạch dầy 120mm, lớp bao trong khoang 
lạnh là Inox 304 (bảo đảm hợp chuẩn an toàn vệ 
sinh thực phẩm) có độ dày 2 mm. Môi chất lạnh 
R22 được sử dụng trong nghiên cứu có thông số 
chi tiết [12] được đưa vào chương trình mô 
phỏng trên Simscape dưới dạng bảng. 
MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN 
Gói công cụ Simscape của Matlab & 
Simulink [6,7,8] được phát triển dựa trên việc 
mô tả thiết bị, phần tử trong các hệ thống 
thông qua ngôn ngữ tựa BondGraph. 
Simscape được phân chia thàn các gói tiện ích 
nhỏ phục vụ mô phỏng trong các lĩnh vực 
khác nhau như: kỹ thuật điện – điện tử, kỹ 
thuật thủy lực, kỹ thuật khí nén, kỹ thuật nhiệt 
cũng như các quá trình lai đối với các hệ 
thống phức tạp. Vận dụng các phần tử có sẵn 
thông qua cài đặt các tham số cho phép kết 
nối giữa các thiết bị, các chương trình mô 
phỏng được thực hiện với cấu trúc module 
như Hình 3 dưới đây: 
Hình 3. Quá trình nén môi chất trong máy nén 
Hình 4. Quá trình biến đổi áp suất tại van tiết lưu 
Hình 5. Quá trình trao đổi nhiệt cấp lạnh cho 
phòng qua dàn bay hơi 
Hình 6. Quá trình trao đổi nhiệt với môi trường 
(làm mát dàn ngưng tụ) 
Kết quả mô phỏng được biểu diễn qua từ 
Hình 7 đến Hình 10 dưới đây cho các điểm 
làm việc trên chu trình lạnh ở các thời điểm 
đặc trưng khác nhau tương ứng với giai đoạn 
khởi động hệ thống (chu trình lạnh có môi 
chất đồng nhất tại các vị trí), bật máy nén và 
tắt máy nén. Hệ thống bảo quản lạnh hoạt 
động với nhiệt độ đặt: 4oC và nhiệt độ môi 
trường bên ngoài khoang bảo quản: 25oC. 
Dung sai điều khiển là 2oC. 
Hình 7. Sự biến thiên thông số trạng thái hệ thống và hoạt động của thiết bị 
Dương Chính Cương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 61 - 67 
 Email: jst@tnu.edu.vn 65 
Hình 8. Sự biến thiên hệ 3 R22 ở các điểm của chu trình lạnh 
Hình 9.a. Chu trình lạnh trên đồ thị logp-i với t=1395 s 
Hình 9.b. Chu trình lạnh trên đồ thị logp-i với t=1395 s 
Dương Chính Cương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 61 - 67 
 Email: jst@tnu.edu.vn 66 
Hình 10. Nhiệt độ đặt (4oC tương ứng 277K) và 
nhiệt độ thực của phòng 
Các hình trên thể hiện kết quả mô phỏng của 
hệ thống bảo quản lạnh hoạt động với nhiệt 
độ đặt 4oC và nhiệt độ môi trường bên ngoài 
khoang bảo quản 25oC. Đặc tính điều khiển 
kiểu on/off tạo ra chu kỳ dao động nhiệt độ 
thực của khoang bảo quản là 1065 (s). Tính 
chất chu kỳ thể hiện không chỉ ở trên Hình 10 
với đáp ứng của nhiệt độ môi trường bảo 
quản mà còn thể hiện ở trong hoạt động của 
chu trình lạnh của toàn bộ hệ thống với biểu 
diễn thông qua đồ thị logp-i tại các thời điểm 
t=291s và t=1395s ứng với Hình 9.a và Hình 
9.b. Trạng thái 4 điểm hoạt động của 4 phần 
tử chính trong chu trình lạnh được biểu diễn 
tại các vị trí có tọa độ gần giống nhau. 
Trên Hình 8, các trạng thái của 4 điểm hoạt 
động của 4 phần tử chính được biểu hiện có vị 
trí rất gần nhau ở thời điểm ngay sau khi khởi 
động hệ thống thể hiện sự thay đổi trạng thái 
có quán tính của môi chất lạnh trong đường 
ống (vẫn đang ở trạng thái bão hòa ẩm). Sự 
biến đổi diễn ra ở trạng thái hoạt động ổn 
định có tính chu kỳ. Trong mỗi chu kỳ, tính 
chất biến thiên quá độ trạng thái hơi môi chất 
lạnh liên tục diễn ra. Hình 8 cũng như Hình 
9.a và Hình 9.b có tính chất mô tả diễn tiến 
quá trình, thông số cụ thể các phần tử được 
thể hiện ở Hình 7. 
KẾT LUẬN 
Mô phỏng động lực học hệ thống bảo quản 
lạnh thực phẩm được thực hiện trong nghiên 
cứu cho phép xác định chính xác nhiệt độ môi 
trường bảo quản, trạng thái và chế độ hoạt 
động của từng phần tử trong chu trình lạnh 
(máy nén, dàn ngưng tụ, dàn bay hơi, van tiết 
lưu). Nghiên cứu đã thực hiện việc chuyển 
trạng thái động học của 4 điểm làm việc trên 
đồ thị logp – i cho 4 phần tử kể trên trong 50h 
làm việc liên tục tính từ khi đưa tải cần làm 
lạnh: 250 kg táo vào trong phòng lạnh có kích 
thước 12 m3. Tính lặp lại của trạng thái hệ 
thống được thể hiện rõ tùy theo đặc tính hoạt 
động của máy nén được chỉ ra cụ thể thông 
qua các biểu diễn trên đồ thị logp – i cũng 
như trên giản đồ thời gian thông số lưu lượng 
hơi của môi chất lạnh, tỷ số nén, áp suất vào 
và ra máy nén hay hệ số trạng thái (tỷ số hơi) 
của môi chất lạnh. 
Với kết quả mô phỏng trên, việc thiết kế hệ 
thống được bảo đảm độ chính xác cao hơn. 
Hơn thế nữa, mô phỏng động học còn cho 
phép đánh giá chất lượng của thực phẩm bảo 
quản theo thời gian từ đó có thể ước lượng 
được thời gian bảo quản tối đa trong hệ thống, 
đồng thời cho phép đánh giá năng lượng tiêu 
hao trong quá trình bảo quản với các phụ tải 
chính (máy nén và quạt thông gió). 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Granryd E. et al (2009), “Refrigerating 
engineering”, Royal Institute of Technology KTH 
– Stockholm Press, ISBN: 917415415X, 
9789174154153. 
2. Larsen F.S. (2006), “Model based control of 
refrigeration systems”, Ph.D. thesis, Aalborg 
University. 
3. He X. D., Liu S., Asada H. H., Itoh H. (1998), 
“Multivariable Control of Vapour Compression 
Systems”, Int. J. HVAC&R. Vol. 4, No. 3, pp. 
205-230. 
4. Nyers J. and Stoyan G. (1992), “A Dynamical 
Model Adequate for Controlling the Evaporator of 
a Heat Pump”, Int. J. Refrig. Vol. 17, pp. 101-108. 
5. Çengel Y.A., Boles M.A. (2003), 
“Thermodynamics: an engineering approach”, Mc-
Graw Hill, ISBN-13: 9780072884951, ISBN-10: 
0072884959. 
6. Mokhtari, Mohand, Martaj, Nadia (2012), 
“Electronique Appliquée, Electromécanique sous 
Simscape & SimPowerSystems 
(Matlab/Simulink)”, Springer Press, ISBN: 978-3-
642-24201-4. 
Dương Chính Cương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 61 - 67 
 Email: jst@tnu.edu.vn 67 
7. Mohammad Nuruzzaman (2005), “Modeling 
and Simulation In SIMULINK for Engineers and 
Scientists,” AuthorHouse Press, ISBN-13: 978-
1418493837, ISBN-10: 141849383X. 
8. Harold Klee, Randal Allen (2017), “Simulation 
of Dynamic Systems with MATLAB and 
Simulink, Second Edition”, CRC Press, ISBN-13: 
978-1439836736, ISBN-10: 1439836736. 
9. Agam Kumar Tyagi (2012), “Simulation of 
Dynamic Systems with MATLAB and Simulink, 
Third Edition”, Oxford University, ISBN: 
9780198072447. 
10. https://mathworks.com/help/physmod/simscap
e (truy cập 11h35’/20/11/2019) 
11. J. P. Holman (1997), “Heat Transfer”, McGraw-
Hill, ISBN: 9780070297234, pp. 289-311. 
Collier J. G., Thome J. R. (1996), “Convective 
Boiling and Condensation” Oxford University, 
ISBN-10: 0198562969; ISBN-13: 978-
0198562962.
  Email: jst@tnu.edu.vn 68