制冷量的理论计算.doc

无源降温系统计算报告根据能量守恒原理，为满足该降温系统制冷量的要求，需要计算出所有释放热量的因素，并据此计算所需的制冷量。对于永久硐室：释放热量的主要因素有两个：1）人体发热量；2）空气洗涤过程中产生的热量。制冷量的主要因素有三个：1）硐室内空气从16升至30的吸热量；2）通过壁面传导的热量；3）降温系统提供制冷量的总和。1 降温系统基本参数，1.1 硐室人数（n）：100人1.2 降温时间（t）：96小时1.3 硐室环境（to）：161.4 硐室材质：煤岩（煤层）硬度41.5 硐室空间：长宽高（lwh）：40米4.6米2.9米。2 总发热量计算（Wh）2.1 人体发热量计算（Wn）初始环境温度设为26，根据空气调节工程.郑爱平著 科学出版社 2002， P27、表2-3、表2-4，人体在28的环境温度下静坐时显热和潜热分别为Q01=53W、QPT=55W。每人总的发热量为Q1=Q0+QPT=108W。群集系数n=0.89。总的显热量：Q0= Q01nn =531000.89=4717W总的潜热量：QPT= QPT1nn =551000.89=4895W总的发热量：Qh= Q0 +QPT=4717W +4895W=9612W2.2 洗涤空气释放的热量（Wco2）鉴于缺乏相关吸附资料，仅将已知二氧化碳在洗涤过程中产生的热量进行计算。根据飞行器环境控制.寿荣中、何慧珊著 北京航空航天大学出版社 2004.7， P51，每人释放出来的二氧化碳量在1822L/h范围内变化，为计算方便，取平均值为：qv,n=20L/h/人。标准状况下二氧化碳密度= 1.977g/L。则100人106小时释放二氧化碳总量：qv= qv,n*n*t=20L/h/人1.977g/L100人3600=1.098g根据洗涤二氧化碳所提供的数据，二氧化碳在吸附过程中产生的热量为hc=1400kJ/kg。（此数据来源于2011-7-7电子邮件收到的救生舱及避难硐室里的生命保障系统）则洗涤二氧化碳释放的总热量为：Wco2= qvhc=1.098g1400J/g=1.537 kJ故吸附二氧化碳的发热量相当于1.537KW的发热量，2.3 总发热量（Wh）总发热量是人体产生的总热量Wn及洗涤空气产生的总热量Wco2之和：总发热量：Wh=Wn+ Wco2=9612+1537=11149W (偏大)3 总制冷量计算（Wl）3.1 硐室内空气升温过程吸收的热量（Wa）硐室内空气起始温度16，总量qa为硐室的体积v（40米4.6米2.9米）乘以空气密度a（1.293kg/m3）。空气总量为：qa=va =40m4.6m2.9m1.293kg/m3 =690kg则室内空气由16升至30，平均温度为23，查其物性参数得知，其比热Cpa=1.005kJ/(kg)。硐室内空气吸收的热量Wa:Wa=qaCpat =690kg1.005kJ/(kg.) （30-16) =8442Kj折合制冷量功率：PGAS=8842963600=26W3.2 硐室壁面吸收的热量（Ww）根据矿井通风与空气调节.赵以慧主编.中国矿业大学出版社.1990.12,P197中公式1 0-1-14进行等效计算。数据仅供参考。硐室空间为长宽高（lwh）：4 0米4.6米2.9米，其断面为Fd= wh=4.6m2.9m=13.34m2。设内部循环风量为Qx=1800m3/h，则室内空气平均速度=Qx/Fd=1800m3/h3600 s / h13.34m2=0.15m/s。断面周长U=2（w+h）=2（4.6m+2.9m）=15m。硐室壁面总面积F=2（lw + lh+ wh）=2（404.6 +402.9+4.62.9）=626.68m2则换热系数=0.426（U）0.8/F0.2=0.426（0.15 15）0.8/（13.34） 0.2=0.485W/(m2)硐室壁面吸收的热量Ww：Ww=tFt=0.485W/(m2)626.68m2（30-16） = 4688W3.3 其他制冷因素除了以上吸热的因素外，硐室内部的贮存气体、低温液体水、物体等的热容对室温提高是一种限制因素；贮存气体放气制冷；硐室与外界的物质交换如水分、空气交换等对硐室是一种制冷因素，这些因素因边界条件不明确，因此提供的制冷量不能准确确定，这里先按W综合1000W的制冷量进行估算。3.4 制冷设备需要提供的制冷量（Wcl）根据能量守恒原理Wl=Wh，该制冷系统需要的制冷量为：Wcl= Wh-(Wa+ Ww+W综合) =11149W（偏大）-(26W+4688W+1000（未定）)=5436W (偏大)4 二氧化碳在制冷系统中的用量初始二氧化碳瓶内温度和环境温度一致，可以取为16，饱和液态焓值hin=242kJ/kg。根据相关试验，该降温系统将初始的液态二氧化碳对舱内降温后，其出口温度低于室内温度（室内温度设为30）约2，为此最终的二氧化碳状态点设为28，压力为大气压0MPa，其焓值hout=515kJ/kg。为此，二氧化碳在制冷系统中焓差h=hout-hin=506kJ/kg -242kJ/kg=273kJ/kg。如果全部使用二氧化碳作为制冷剂，则需要的二氧化碳量为：MCo2= Wcl/h = 5436J/S / 273J/g = 19.91 g/S实际使用的二氧化碳瓶为70L装，每瓶充装42kg的二氧化碳，共计24瓶，总重量为1008kg。如果纯粹用二氧化碳为制冷剂进行制冷，按纯理论计算，能够使用时间为：T=1008*1000/19.91/3600=14.1h。根据本无源降温系统的前期试验结果，试验计算结果好于理论计算，这里既有理论计算的计算因素不全面的原因，也有测量结果不精确问题，按实际测试的数据，在系统流量为8m3/h的情况下，制冷量为1920w，如果按试验结果，则满足5436W的制冷量，需要流量为5436/1920*8=22.65m3/h，折合重量为：G=22.65*1.977=44.78kg/h按试验结果，当前的24瓶CO2气体可以满足单独制冷情况下使用时间为：T=1008/44.78=22.5h实际使用的系统在流量上做了限制，以防实际使用的时候操作者从舒适角度考虑而过多地增加二氧化碳的消耗量。系统最大工作流量限制在8m3/h，即15.816kg/h，因此配合其他制冷系统使用的情况下，本系统可以连续使用100815.816=63.7h。5 说明硐室内的制冷系统有多个，可以实现多原理的制冷；硐室的内有大量的热容、除了压风制冷外，风幕系统、供氧系统、压缩空气瓶等气体排放本身也有很大的制冷量；硐室与外界有水分、气体等物质交换，从而完成了一定的热交换；实际使用为满足人的生存需求，理论计算为满足舒适度给的条件，因此理论计算的制冷量需求偏大；避难时人在静坐或者静卧，人的发热量比预计低。综合以上因素，整个硐室的制冷量需求小于理论计算。根据已经了解的情况，单个系统的制冷量满足不了实际的需求，这与制冷的设计边界条件不完全清楚有关系。在单个系统制冷情况下制冷量不能充分流动到硐室各个位置，出现硐室部分区域温度过高，部分就区域温度过低的情况，即使整体制冷量达标，也会