（制冷及低温工程专业论文）热液除霜制冷系统的优化设计和实验研究.pdf

摘要 低温低湿恒温恒湿的制冷系统在运行时必然会遇到结霜的问题，如何合理地 除霜，以保证控制室的温、湿度恒定是一个亟待解决的问题。针对这一问题，本 文提出了一种新颖的除霜方法热液除霜方法。即在结霜工况下，制冷系统的 两台换热器分别用作蒸发器和冷凝器，交替进行制冷和融霜。本文详细论述了热 液除霜制冷系统的研究情况：首先利用计算机程序对该制冷系统在不同工况下的 热力性能进行了计算，并与普通的制冷系统进行了比较；接着应用m a t l a b 语 言，对热液除霜制冷系统进行了寻优计算；在优化的基础上设计、选配了合适的 制冷设备和系统；最后对该系统进行了实验研究，并分析讨论了各种因素对制冷 系统优化设计的影响。 研究结果表明，热液除霜制冷方式能满足低温低湿恒温恒湿的要求，是一种 新颖的、有效地除霜方法，并且可以提高装置的性能。此外，文中所提供的制冷 系统的优化方法具有较高的可信度和准确度，为设计者提供了制冷系统优化设计 的快捷方法。 关键词：蒸发器；热液除霜：优化设计；目标函数；约束方程 t h e o p t i m i z a t i o nd e s i g na n de x p e r i m e n t a ls t u d y o n h o t - l i q u i dd e f r o s t i n gr e f r i g e r a t i o ns y s t e m a b s t r a c t t h ep r o b l e mo f f r o s t i n gi si n e v i t a b l ew h e n t h er e f r i g e r a t i o ns y s t e mw o f k su n d e r l o w t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yc o n d i t i o n h o w e v e lh o w t od e f r o s te f f e c t i v e l yt ok e e p t h e t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yc o n s t a n ti s ap r o b l e m t h i sp a p e rp r e s e n t san e w m e t h o do f d e f r o s t i n g h o t l i q u i dd e f r o s t i n g t h a ti st os a y , t w oh e a te x c h a n g e r so f r e f r i g e r a t i o ns y s t e mw o r ka se v a p o r a t o ra n dc o n d e n s e rr e s p e c t i v e l yu n d e rf r o s t i n g c o n d i t i o n s ，g ot h e yc a nr e f r i g e r a t ea n dd e f r o s ta l t e r n a t e l y ，t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h e n e wm e t h o di nd e t a i l f i r s t l y , t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o nu n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n so f t h eh o t l i q u i dd e f r o s t i n gr e f r i g e r a t i o ns y s t e mw a sm a d eb yc o m p u t e r s e c o n d l y , t h e o p t i m i z a t i o n m a t h e m a t i c sm o d e lw a ss e t u p w i t h e c o n o m i c ( t e c h n i c a l e c o n o m i c ) o p t i m i z a t i o nc r i t e r i o n a n dt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rt h er e f r i g e r a t i o ns y s t e mw a s c a r r i e do nw i t hm a t l a b c o m p u t e rl a n g u a g e t h e n b a s e do nt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n t h er e f r i g e r a t i o ns y s t e mw a sb u i l tu p l a s t l y , t h ee x p e r i m e n tw a sd o n e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h en e ws y s t e mi sp r a c t i c a b l e i tc a ns a t i s f yt h en e e d so f c o n s t a n tt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y m o r e o v e r , i tc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h e r e f r i g e r a t i o ns y n e m t h eo p t i m i z a t i o nm e t h o du s e di nt h ep r o j e c ti so fh i e , h l yd e g r e e o fa c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y ，w h i c hp r o v i d e sd e s i g n e r sw i t hac o n v e n i e n tm e t h o do f o p t i m i z a t i o nd e s i g n k e yw o r d s ：e v a p o r a t o r ；h o t l i q u i dd e f r o s t i n g ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ； o b j e c t i v ef u n c t i o n ；r e s t r i c te q u a t i o n j 堡堂堕兰 1 1 研究背景 第一章前言 当空气露点温度高于蒸发器翅片表面温度，翅片表面结露：当翅片表面温度 低于o 。c 时，翅片表面就会结霜。蒸发器翅片表面是否结霜，霜层的发展速度以 及对蒸发器性能的影响程度与空气的温度、湿度等空气参数有关，也与蒸发器结 构及翅片形式有关。霜是由冰晶构成的多孔型松散物质，其热阻视厚度不同约是 钢管的9 0 4 5 0 倍。随着制冷的进行霜层厚度逐渐增加，增加了导热热阻，降 低了蒸发器的传热系数，加大了空气通过翅片管蒸发器的阻力，降低了空气流量， 严重影响了换热器的换热效果。近年来得到广泛应用的低温低湿恒温恒湿空调一 个亟待解决的问题就是由于蒸发器结霜造成的恒温恒湿装置降温和除湿功能恶 化以及除霜时造成的室内温、湿度波动。因此可以预见对结霜工况下低温低湿恒 温恒湿系统除霜方式的研究是一项有前景、有意义的工作。 1 2 研究现状及文献综述 1 2 1恒温- 匾湿空调的应用场合 随着工业的发展和人民生活水平的提高，在人们的日常生活和工业生产中对 于环境的要求越来越苛刻，有越来越多的场合需要用到低温低湿且恒温恒湿的空 调环境。空气的温度和湿度是与人们生产、生活密切相关的重要环境参数。空气 的温、湿度过高，会引起金属锈蚀，机器损坏，粮食、种籽、茶叶、食品、药品、 胶片和书刊等变质和霉烂，电气部件的绝缘性能降级，给国民经济造成重大损失。 在精密机械、计量仪器、电子、纺织和化工等工业生产过程中，如不对温、湿度 进行控制，会严重影响产品质量。化学工业方面，原料气体( 乙烯、丙稀、丁二 烯) 的生产反应中，水分会使催化剂失效，为此必须将气体脱湿至极低的程度： 在生物医学方诼，维生素和抗菌素等药品的生产包装，也离不开温度湿度的控制； 在造纸、药厂车间、胶片生产和存储等行业，对温、湿度亦有着严格的要求。高 湿度会导致设备表面结露，纸张发粘，低湿度可能会发生静电效应。玻璃合片室、 生物制品、库房等，要求室内温度2 0 。c ，相对湿度低于2 5 ，甚至要求达到1 5 ，允许波动范围不超过2 。这些都要用到低温低湿恒温恒湿技术，以满足工 、l e z 垃产的需要。 1 】 一一塑二兰堑壹 1 2 2 恒温恒湿空调简介 用恒温恒湿空调器处理空气时，不仅可以降温、降湿或者升温、加湿，而且 可以使被调房间的温度、湿度自动控制在一定的范围，所以多为生产工艺性空气 调节所采t j 。 恒温恒湿空调器一般是将制冷系统的蒸发器( 翅片管式) ，装在被处理空气 的通道中，利用制冷剂的直接蒸发来冷却空气。当空气流过蒸发器的外表面时， 在被冷却的同时，含湿量也降低。为了保证被调节房间所要求的相对湿度，在空 调器中设有加湿器。加湿器是一个盛有水的小容器，内有电极加热器，使水受热 气化成水蒸气，以增加所处理空气的含湿量。此外，在空调器中还装有电加热器， 可对空气进行干式加热，用以改变空气的湿度，或者在冬季用来供热。恒温恒湿 空调器的适用范围是：温度( 2 0 2 5 ) l ，相对湿度( 5 0 7 0 ) 1 0 ，它 的制冷量大小不等，一般在7 1 6 k w 左右，风量在1 0 0 0 1 7 0 0 0 m 3 h ，均采用自 动控制。 2 、4 1 通常把温度控制在1 4 、相对湿度控制在4 0 以上的恒温恒湿机称为普通 型，在其以下的称为低温低湿恒温恒湿机。低温低湿的空调装置大多用在工艺性 空调中。恒温恒湿系统的温、湿度控制要求是根据室内人员的需要和科研、工艺 的不同而确定的【5 】。一些特殊的工业厂房及公共建筑要求低温低湿空调环境见表 1 。 表1要求低温低湿空调环境举例 室内参数 建筑物名称特殊要求 温度( )相对湿度( ) 军工炸药生产车间 1 23 0 除尘、防爆 炸药、弹药库 1 23 0 4 0 除尘、防爆 制药厂制粉及包装车间1 22 0 3 0洁净、无菌 制片及涂层车间 1 43 0洁净、无菌 针剂及灌装车间 1 43 0 4 0洁净、无菌 精密仪器、电子厂房 1 44 0 洁净、恒温 胶布、磁带厂房 1 44 0洁净、防火 档案、收藏博物馆 t 44 0防火 音像制品库 1 2 1 43 0 4 0 洁净、防火 第一帛前占 1 2 3 文献综述 6 0 年代初，在国家科委十年规划中，将恒温恒湿技术列入国家重点攻关课 题。由中国建筑科学院空调所负责，组成了空调设备、恒温恒湿指标、气流组织、 自动控制等专题组进行研究，于1 9 6 5 年获得整套科研成果，包括高精密恒温( 2 0 0 5 。c 、- t - 0 2 0 - c 、0 1 e c ) 和一般精度恒温( 2 0 1 o 坌c ) 等技术设计计算方法， 控制技术和设备选用方法；同时又组织对全国典型工程进行恒温普查和实测总 结，于6 0 年代提出了适合我国国情的恒温工程整套设计方法。从围护结构、送 风温差换气次数、气流组织方式与计算、设备选型以及注意事项都有了明确规定， 这些编入了空气调节设计手册，广泛应用于实际工程，至今亦在使用。 关于结霜现象研究的发展，文献【6 】已经论述得很清楚，这里不再赘述。 相对于结霜现象，有关除霜方法及控制方法的文献较少。其中一部分是有关结霜、 除霜工况下系统的动态特性，如d l o h e a l 等对除霜工况下一台空气热泵的动 态特性进行了实验研究。对制冷剂的温度、压力、流量、压缩机和风机的功耗进 行了观测。w - a m i l l e r 等对一台空气热泵进行了观测，对影响热泵运行的因素进 行了分析。并对结霜和除霜的损失进行了计算。这部分主要是关于热泵结霜或 除霜工况下的运行情况。另一部分可以查到的文献便是对热气除霜的建模及实验 验证。由于热气除霜过程中的相变极其非线性，使得很难得出精确的数学模型。 s a s h e r i f 等人在前人的基础上对热气除霜的数学模型进行了改进，根据模型预 测的结果同试验较为吻合。k l k r a k o w 建立了一个理想化的数学模型，试验结 果表明该模型可以很好的对热气除霜过程进行模拟。e k u w a h a r a 等人发表了一 篇有关减少除霜时间的论文，提出了减少除霜时间的方法。s t o e e k e r 等人对除霜 过程中的能量使用、损耗情况进行了分析，提出了改进方法。国内对除霜方法及 控制方法研究的较少，主要的论文有童军茂对冷风机自动除霜方法的研究，赵育 川关于冷风机热气除霜节能的文章。近年来黄虎对热泵除霜进行了系统的研究， 对台分体式气一气热泵进行了两年的现场监测，得到了相当丰富的结霜、除霜 工况下机组运行数据，他对除霜控制方法进行了分析。史剑春针对热力膨胀阀的 丌度难以适应除霜循环对制冷剂流量的要求，提出了双热力膨胀阀系统。p 1 l | 1 3 低温低湿空调常用的减湿方法与除霜方法 1 3 1 减湿方法 降低空气含湿量的处理过程称为减湿处理。在空调中常用的减湿方法有四 种：通风减湿、冷却除湿( 露点法) 、吸收减湿及吸附除湿。1 2 j 第一章前言 ( 一) 通风减湿 当室外空气的含湿量低于室内空气的含湿量时，可以通过自然通风或机械通 风的方法，将室外新风送入室内，同时将室内空气排至室外，达到减湿之目的， 这就是通风减湿法。通风减湿所能够降低的室内空气含湿量是很有限的。 ( 二) 冷却减湿 原理是将湿空气被一次冷却到露点温度以下，除去冷凝水之后再进行加热， 因此也可以称为露点法。冷却除湿又可以分为空气喷水室方式和冷却盘管方式。 冷却盘管方式又可以分为直接蒸发盘管的冷却除湿、用冷水( 不冻液) 盘管的冷 却除湿以及冷部盘管的低露点除湿。 冷却盘管的低露点除湿方法是指盘管表面温度低于结霜临界值，即空气的露 点温度低于o o c ，它是一种带除霜装置的冷却除湿装置。当冷却盘管中没有任何 除霜装置时，一旦露点低于0 。c ，霜便会在盘管表面不断地增长，最终堵塞空气 通道，妨碍传热，丢失除湿功能，因此设备不能连续运转。在允许结霜的冷却除 湿法中，有连续运行和闯歇运行两种方法。前者沿空气流动方向平行放置两个冷 却盘管，用切换的方法处理霜的增长。这时，采用某种方法除去暂停工作的冷却 盘管上的冰霜。没有备用冷却盘管的冷却除湿机，肋片表面的霜会不断增长，如 需要达到某种程度时还不至于阻塞空气通道，妨碍传热，则在设计时就必须使冷 却盘管的肋间距，传热面积和肋片的阻力等留有充分的余地。而此类冷却除湿装 置除霜的过程中，又必须中止它的工作，因此除了特殊用途以外，一般都不使用 它。 ( 三) 吸收减湿 吸收减湿又叫液体吸湿剂减湿。其减湿的原理与吸收式制冷机中吸收器的工 作原理相同，即利用某些盐类的水溶液所具有的对水蒸气的吸收能力，对空气进 行减湿处理。常用的盐类有氯化钙、氯化锂等。由于结构上的限制，不能获得低 露点的干空气。优点是操作简单连续，节能安全，在任何条件下都能进行除湿。 近几年来发展很快。 ( 四) 吸附减湿 用固体吸湿剂减湿的方法称之为吸附减湿。靠吸湿剂与水蒸气问的纯分子唰 吸引力减湿的过程，称之为物理吸附。吸湿前后吸湿剂分子结构发生变化时，称 之为化学吸附。常用的固体吸湿剂是硅胶、氯化钙和分子筛。硅胶的置换和再生 比较困难，硅胶的吸湿量随着使用时间波动变化，引起室内温度和相对湿度也波 列i 变化。 第一章前言 1 3 2 常用的除霜方法及比较 根据资料显示，国内外对低温低湿的研究进展，大都采用盘管表面温度在结 霜临界温度以上的除湿方法。如果要进一步降低温、湿度，需要采取冷却盘管低 露点除湿法，即盘管表面结霜进行除湿的方法。采用冷却盘管低露点除湿，会涉 及到冷却盘管的除霜问题。因此，为使蒸发器保持良好的传热性能，系统高效运 行，必须很好地了解霜的形成机理及融霜特性，适时地进行除霜，准确地控制换 热器运行和除霜循环中融霜的时间和次数，是低温低湿恒定装置的关键。除霜效 果的优劣亦是充分发挥制冷设备能力，减少维修费用，节约用电和保证温、湿度 要求的关键。目前对于盘管表面除霜方法主要有以下几种：1 1 2 1 6 l ( 一) 淋水除霜方式 这种方式是在冷却盘管、肋片表面淋水以加热管道。即使对于大容量盘管也 能在很短的时间内把霜除去，并且系统简单价格便宜。但是如果淋水后不能及时 把余水除净，反而会在下一除霜进程中加快结霜的速度。当淋水温度过高时，淋 水时产生的热蒸汽会在用冷单元的表面上结露或结冰，增大冷单元表面的传热热 阻。合适的淋水温度应在1 8 2 0 。c 之间。融霜水经回收，加热后可反复使用。 ( - - ) 电热除霜方式 电加热除霜是用电加热提供化霜热，多用在翅片管式冷风机上，适合于小型 制冷装置或单个库房。电加热元件附在翅片管上，为了防止融化后的霜水在排出 库房之前再次结冰，还必须在接水盘和排水管上缠绕带状加热器，融化后的霜水 应及时排至库外。电加热除霜具有系统简单、除霜完全、实现控制简单的优点， 在小型装置上广泛采用，但缺点是耗电多，不宜在大型装置上采用。 ( 三) 热气除霜 这种除霜方式，要室内的供暖或制冷仍在进行。这种除霜方式是将压缩机出 口的高温高压冷媒气体直接送至冷却盘管，升高盘管温度进行除霜。与基本制冷 系统相比在压缩机排气端与室内换热器的出口之间连结一根旁通管，并由电磁阀 控制其通断。与其它方式相比其差异是直接从冷却盘管内向外传出热量，因此能 够快速除霜。 ( 刚) 四通阀换向的除霜方式 在普通的制冷系统中，冷暖切换由四通阀完成。除霜开始后，四通阀由制冷 时的位置换成制热时的位置，压缩机排出的高温高压气体经过室内换热器放热除 霜，同时，为了减少与室外空气的热交换，停止室外风机。为了防止热风吹入室 内，室内风机也停止。结束除霜后，换向阀再换向，恢复制冷运行。这种除霜方 法需中止制冷循环会造室内温度升高。 第一章前占 综上所述，前两种除霜方法都是从冷却管外加热除霜，效率低，能耗大。而 热气除霜最大的优点在于对霜层的加热是在翅片管内进行的，霜容易从冷却表面 脱落，所以实际上融霜的热量比理论值小得多。同时，翅片管上霜层的融化由内 向外，在融霜的初期，无水蒸汽向蒸发器外溢，只有当霜层融化脱落后，翅片管 上的热量才会向外辐射，但此时已处于除霜的结束阶段，因此是一种节能的除霜 方式。有关的实验数据表明，在相同的除霜工况下，热气除霜所需的能耗只是电 加热方法及水喷淋法所需能耗的1 3 。很显然，热气除霜是众多方法中最节能 的。所以，虽然热气除霜操作复杂，且只适用于制冷剂直接蒸发冷却系统，但从 节能的角度考虑，还是应该大力推广与应用。 但这种方式也存在三个问题，一是进入压缩机吸气口的制冷剂中含有液体， 易使压缩机造成液击，缩短其使用寿命。二是吸气压力提高，使压缩机压缩比降 低，压缩机吸气侧制冷剂的比容减少，制冷循环量增加，使压缩机的运转电流和 噪音增大。三是装置相对复杂，管理也比较麻烦。 热气除霜在我国小型制冷装置中应用得较少，其原因除上述几方面还有：现 有冷风机水盘需加装电加热器；压缩机排气管需设装有电磁阀的旁路、回气管安 装恒压阀、控制系统加装除霜发讯等自动控制元件，这些元件在我国开发得比较 晚，因此应用得不广泛。 1 4 双蒸发器热液除霜方式简介 总结上述可以看到，对结霜工况蒸发器的除霜问题，目前的除霜方式都存在 一些弊端。通常的制冷系统蒸发器采用电热和热气除霜，采用电热除霜虽然也可 以得到良好的除霜效果却带来较大的能量消耗，热气除霜则需要控制除霜速度以 防止大量的制冷剂液体返回制冷压缩机，若设置除霜排液系统会使系统复杂，增 加操作难度，不适用于小型系统。尤其对于恒温恒湿系统，最关键的就是保证降 温和除湿过程的连续性。如何对现存低温低湿恒温恒湿空调装置避行优化设计， 成为一个急需解决的问题。 因此，面对这一问题，本研究课题针对低温低湿恒温恒湿空调的特点，设计 了双蒸发器的热液除霜系统。蒸发器采用热液除霜的方案适合于个系统有两组 蒸发器且交替制冷的情况，当管路进行特殊设i 十之后就可实现。通过阎门的启闭 可实现两组蒸发器的制冷和除霜的交膂。其工作原理简单如下：压缩机排出的高 温高压气体首先进入冷凝器，从冷凝器出来的高压液体经储液器、干燥过滤器后 进入结霜蒸发器。由于热液温度远高于o ：c ，便蒸发器表面温度升高，表面霜层 第一章前言 被管壁加热而迅速融化。由被融霜蒸发器排出的液体制冷剂经节流阀节流降压后 进入制冷蒸发器中，最后饱和气体被压缩机吸入。当制冷蒸发器结霜厚度达某一 极限时，电磁阀换向，使融霜蒸发器和制冷蒸发器调换，重复以上循环。也就是， 当蒸发器a 制冷时蒸发器b 处于热液除霜状态，当蒸发器b 制冷时蒸发器a 处于 热液除霜状态。当一台蒸发器除霜时，另一台蒸发器继续维持制冷运行，从而减 少了除霜对用冷单元温度所造成的波动影响。双蒸发器热液除霜系统主要有以下 特点： 1 交替工作的换热器可保持降温和除湿过程的连续性，确保恒温恒湿环境的 温、湿度恒定； 2 热液除霜方式除霜彻底、安全、可靠，不消耗外加能源，除霜所用的氟利 昂液体温度适中，可避免对换热器性能的影响： 3 从换热器内加热对管壁有清洗作用，特别是可冲刷掉其中积有的润滑油、 杂质，净化管路，改善传热效果； 4 由于除霜过程和制冷过程同时进行，换热器表面的霜层被用来冷却由冷凝 器排出的饱和液体，使高压液体过冷，可提高整个装置的性能系数，节能 效果显著； 5 在高压系统中冰霜冷量的利用也会降低冷凝温度，可使风冷式装置在较恶 劣的环境下有较稳定的性能和较高的能效比。 1 5 课题研究的意义 如前所述，目前国内对于采用两台换热器交替使用的热液除霜制冷系统还未 曾作过研究。本课题为低温低湿恒温恒湿系统的研究提供了一种新的思路和方 法，因其比一般的恒温恒湿制冷系统更节能、节材，因此能更好地满足工业生产 的需要。同时也能够顺应形势的发展，提高能源利用效率，加强环境保护a 若能 实验成功，可将该技术应用于实际，具有工程实用性。从以上观点来看，本课题 的研究与生产生活有着密切的关系，具有很强的实际意义。 1 6 本课题的主要目的和任务 本研究课题试图从理论和实验两个方面对双蒸发器热液除霜制冷系统进行 优化设计，根据优化结果搭建实验台并通过实验来验证理论分析的正确性，以期 为目前的恒温恒湿空调除霜系统开发出一条新思路。 对双蒸发器热液除霜系统的研究按以下的内容和步骤进行： 第一章前言 1 选择双蒸发器热液除霜系统的结构形式、工作原理； 2 根据工作原理建立相应的优化设计的理论和数学模型，并用m a t i a b 语言对 制冷系统进行优化设计； 3 按优化结果确定双蒸发器热液除霜系统的配置； 4 对系统进行调试和实验研究； 5 对所获数据进行处理，归纳成不同的数据表格或特性曲线，并与理论计算进 行对比； 6 总结和撰写论文。 第二章热液除霜制玲系统的工作原理发热力计算 第二章热液除霜制冷系统的工作原理及热力计算 2 1 热液除霜制冷系统的工作原理 蒸发器采用热液除霜的方案适合于一个系统有两组蒸发器且交替制冷的情 形。通常的制冷系统蒸发器采用电热或热气除霜。电热除霜虽然可以得到良好的 除霜效果却有较大的能量消耗，热气除霜则需要控制除霜速度以防止大量的液体 返回制冷压缩机，若设置除霜排液系统会使系统复杂，增加操作难度，不适用于 小型系统。热液除霜可在除霜的同时使高压液体过冷，提高制冷装置的性能系数。 从简化系统，节约能量方面考虑，设置两组换热器，两组换热器互为制冷系统的 蒸发器和冷凝器，在两者交换后便可实现制冷和融霜过程的交换。 为了说明本系统与普通制冷系统的区别，将两种系统的工作原理图对比如 下： 换 换热器i 图2 1 普通制冷系统原理图 图2 2 本系统热液除霜制冷系统原理图 与普通制冷系统相比，新系统增加了两个三通电磁阀、和阿个两通阀 ( 1 ) 、( 2 ) 。通过四个电磁阀的启闭可以实现两组蒸发器制冷和除霜的交替。当 第一_ 二章热被除霜制冷系统的工作原璀发热力计算 换热器i 用作融霜，换热器i i 用作制冷时，电磁阀( 1 ) 接通，( 2 ) 关闭，电磁 阀的a 、c 接通，b 口关闭；电磁阀的a 、c 接通，b 口关闭。具体工作过程 为：制冷压缩机的排气首先进入冷凝器，经降温之后的高压液体进入储液器，再 经干燥过滤器后由电磁阀进入换热器i 。在换热器i 中得到过冷的高压冷凝液 再经电磁阀( 1 ) 后由热力膨胀阀1 i 节流降压后送入换热器i i ，在其内部吸热蒸 发之后自回气管经电磁阀回到压缩机。此时，换热器i 起到冷凝器的作用，换 热器i i 起到蒸发器的作用。 当换热器i i 表面结霜到一定程度以后，两个三通电磁阀同时换向工作，同时 将电磁阀( 1 ) 关闭，( 2 ) 接通。这时压缩机排气首先经过冷凝器后，经储液器、 干燥过滤器后由电磁阀进入换热器i i 进行热液除霜，然后经电磁阀( 2 ) ，再经 热力膨胀阀i 后进入换热器i ，最后由换热器i 出来的饱和气体经电磁阀被压 缩机吸入。此时换热器i 起到蒸发器的作用，换热器i i 起到冷凝器的作用。以上 过程在换热器i 、i i 之间反复交替进行，来实现对房间的低温低湿恒温恒湿的控 制。 新系统用四只电磁阀分配制冷剂的供液、吸气和排气。为了防止送入结霜蒸 发器中的热气温度过高，对蒸发器产生破坏作用，让压缩机的排气先进入冷凝器， 再进入到结霜蒸发器。同时冷凝器与换热器的组合，可使其放热量满足要求。电 磁阀根据蒸发器表面的结霜情况决定启闭，使两组换热器互为蒸发器和冷凝器。 通过系统原理的介绍，可以得到系统理论上的t - - s 图和l g p h 图如图2 - 3 所示： 2 a q o 二c l o ， 【 一c cba 。 曲t - - s 图 l g p 2 厶哑! q 0 一 w c 。 。一h b 1 l g p - - h 图 图2 3系统的t - - se - - i ；ml g p - - h 图( 融霜划1 日j ) 图2 - 3 表示了本系统的温熵图和压焓图。其【 ll 一2 3 4 5 1 为基本循 环，1 2 - 3 4 4 一5 一5 一l 为本系统的过冷循环。图中4 - 4 为制冷剂在结 第一争热渡艨茬划冷系统趵工作原堙发热，待算 霜蒸发器中的过冷过程，4 一5 为节流过程，其余过程与基本循环相同。 从图中可以看出，1 2 为制冷剂在压缩机中被压缩成高温高压的气体，2 3 4 为高温高压制冷剂气体在冷凝器中被冷凝为低温的高压液体，4 - - 4 为高压 液体在结霜蒸发器中得到过冷，4 一5 为高压液体节流降压，5 1 中制冷剂在 蒸发器中吸收外界热量而被蒸发成饱和气体，从而被压缩机吸入。 显然，与无过冷的循环1 2 3 4 5 一l 相比，过冷循环的单位制冷量增 加量为： a q o = h 4 - - h a ，2h s - - h 5 t 在图2 3 a 中，q o 以面积5 - - 5 - - b - - c - - 5 表示，在图2 - - 3 b 中a q o 以线 段5 ，一5 表示。因为两个循环的单位理论功w o 相同，所以新系统的制冷系数比 普通系统必将有所提高。 如华a 虻掣砘+ 兰 t c z l ， v ，i ，一尼，仃，一1 式中：c 一液态制冷剂的平均比热容：( j k g k ) t 过冷度；( k ) 由式( 2 - - 1 ) 可知。采用新循环，可以使循环的制冷系数提高。提高的数值 等于! s n a t 的乘积。因此，过冷度越大，循环的制冷系数提高得越多a h ，一h 在通常的工作温度范围内，对于r 2 2 丽言，每过冷l ，制冷系数增加的百分数 约为o 8 5 。i 2 2 热液除霜制冷系统的热力计算 为了研究热液除霜制冷系统的性能，在下列条件下进行了理论计算：冷凝温 度设定为4 0 c ，出冷凝器的高压液体温度等于冷凝温度：蒸发温度在一2 5 0 c 之州变化。 2 2 1 霜层参数的计算 1 温空气的饱和水蒸气分压力 t 。在( 一1 0 0 + c 0 c ) 范围时，其饱和压力由下式计算：【l l 1 2 ( 2 2 ) ( 2 3 ) l n q 瓦 + t c+ 疋q + l勺 + 吒 心佴 u q 1 = 7 ) 2 = 0 瓦h 堕三皇墅墅! ! 型堡墨竺堕! ：堡堕些丝垫塑生竺 式中：c 。：- 5 6 7 4 5 3 5 9 c 2 = 6 3 9 2 5 2 4 7 c 3 = 一0 9 6 7 7 8 4 3 x1 0 。2 c 。= 0 ，6 2 2 1 5 7 0 1 1 0 6 当t 。在( 0 - - 2 0 0 。c ) 范围时： l n ( 0 ) = c 8 l + c 9 + c 】u 疋+ c l 式中：c 。= 一5 8 0 0 2 2 0 6 c 。；1 3 9 1 4 9 9 3 c i o ；一0 0 4 8 6 0 2 3 9 2 空气的含湿量d 。s = o 2 0 7 4 7 8 2 5 1 0 “ 。6 = - 0 ，9 4 8 4 0 2 4 xl o 1 2 c ，= 4 1 6 3 5 0 1 9 1 瓦2 + c 。2 l 3 + c 1 3l n l( 2 4 ) 。“= 0 4 1 7 6 4 7 6 8 1 0 4 。1 2 = - 0 1 4 4 5 2 0 9 3 x1 0 1 。1 3 6 5 4 5 9 6 7 3 d ：o 6 2 2 堡l ( 啦g 干空气) (25)b 一妒p 。b 。 式中b 一空气压力，取b = i 0 1x1 0 2 k e a ： p q b - - 饱和水蒸气压力，p a 。 3 空气的焓h h = 1 0 1 t + a ( 2 5 0 0 + 1 8 4 t 、( k j k g ) 式中：t 一空气的温度： 4 露点温度的经验式： 当i = 6 0 0 时， t 一6 0 4 5 + 7 0 3 2 2 【1 n 幢) + 0 1 3 7 1 n 忆许 当t 1 = 0 7 0 。c 时， t 一3 5 9 5 7 1 8 7 2 n ( p ) 】+ t 1 6 8 9 i ( p ) 4 n , n c q ，。 = 等半 式中： v a - - 空气的比容；( m 3 k g ) 。按送、回风平均温度确定。 5 霜层密度 p = 3 4 0 1 t f r 5 + 2 5 w ， ( 蚓m 3 ) 式中：n 一冷表面温度，呵近似取为壁面温度 w f 一迎面风速( m s ) 6 析湿量w w = 0 。3 6 0 0 ) 倒：一d ，) ( k g s ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 第二章热液除霜制冷系统的工作原理_ ；6 乏热力汁算 7 一个结霜周期的霜平均厚度 忡s ( 筹半) c m ， 式巾：w 一每秒析湿量；k g s r 一结霜周期；h f 。f 一蒸发器总的外表面积；m 2 8 一个工作周期的结霜量m m = w x 3 6 0 0 f ( k g ) 2 2 2 过冷度 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 制冷剂液体的温度低于同一压力下饱和状态的温度称为过冷，两者温度之差 称为过冷度。对于本系统而言，过冷度即为出冷凝器的制冷剂液体温度和出结霜 蒸发器的制冷剂液体的温度差。本系统的过冷度可以通过以下关系来求得。在融 霜期间，由能量守恒定律，结霜蒸发器内制冷剂温度降低所放出的热量等于蒸发 器表面冰霜融化成水所需的热量。 1 8 1 即：q r _ q i ( 2 - 1 4 ) 式中：q ，一制冷剂温度降低所放出的热量： ( k j ) q i 一将霜融化成水所需之热量； ( k j ) 而冰霜融化成为水所需的热量又包括两部分：一是冰霜由霜温( 负值) 升高 到0 c 时所需的热量；一是冰霜由0 。c 的冰变为0 。c 的水所需的热量。 即： q i = c j 肌出+ m y (kj)(2-15) 式中：c i 冰的比热；c 。= 2 1 5 ( k j k g k ) y ，一冰的融解热； = 3 3 4 ( k j k g ) t 一霜温与o 之差；( ) 而：o ，= c ，m ，7 i ，3 6 0 0 = c ，m ，6 r k r 。) f ，3 6 0 0 ( k j ) ( 2 - - 1 6 ) 式中：c ，一制冷剂的液态比热； ( k j k g k ) m ，制冷剂的质量流量；( k g s ) t k 冷凝温度i ( k ) t ，。一再冷后的温度； ( k ) t 过冷度：( k ) 第二章热澈除霜制冷系统的t 作原理技热力计算 f ，一融霜周期；h 将( 2 一l 5 ) 、( 2 1 6 ) 代入到( 2 - 1 4 ) 中，可得： c ，m ，( 瓦一r 。) t 3 6 0 0 = c j m a t + m y 。 ( 2 1 7 ) 2 2 3制冷系数 在图( 2 3 ) 中，基本循环以及再冷循环的制冷系数分别为 。：生二生 “h 2 一h 1 卢而h l - h 4r 眠如卷h - h 2 一 1 ” 21 在给定系统条件下，即在给定蒸发温度、冷凝温度、再冷温度、压缩机吸气 温度条件下，图中的1 、2 、4 、4 等几个点的焓值可以通过查氟利昂2 2 的压焓图 来获得【1 9 l 。如在设计工况为： 蒸发温度t o = 5 ， 过冷度t = 3 c ， 查图可得： 冷凝温度t k - - - - 4 0 ， 吸气温度t l = 1 0 6 c的情况下 h l = 4 1 4 k j k g h 2 = 4 5 0k l k gh a = h s = 2 5 0k j k g5 4 = h s = 2 4 5l 【j k g 因此，对于无过冷的循环： 单位工质制冷量： q o = h 一h 4 = 4 1 4 - - 2 5 0 = 1 6 4k j k g 单位质量工质的理论压缩功： w = h 2 一啊= 4 5 0 4 1 4 2 3 6l o k g 则，理论循环制冷系数： 。：堑：皇也：坐- - 4 5 6 “w h 2 一h 1 3 6 对于有过冷的循环： 单位工质制冷量： q i l = h l h 4 = 4 1 4 - - 2 4 5 = 1 5 9k j k g 单位质量工质的理论压缩功： w = h 2 一h l = 4 5 0 4 1 4 2 3 6k l k g 则，理论循环制冷系数： r ：鱼型：塑：4 6 9 h 2 一h l 3 6 笫1 二章热液除履制冷系统的工怍原理发热，j 计算 制冷系数增加百分比：塑：4 6 9 - 4 5 6 ：2 9 5 0 4 5 6 2 2 4 热力计算程序的编制 由于冷凝温度对制冷量的影响不如蒸发温度显著，因此本热力计算仅针对蒸 发温度对系统性能的影响进行研究。计算程序是用v i s u a lb a s i c6 0 编制的， 其框图如图4 所示。计算程序是在以下条件下编制的：空气入口温度为1 3 c 、 相对湿度为3 5 ；冷凝温度为4 0 c 恒定，蒸发温度在o 一2 5 之间变化；结霜 时间为5 小时，融霜时间为1 5 分钟。利用这一小程序得到了不同蒸发温度下的 过冷度阻及有、无过冷时系统的制冷量和制冷系数的数据，并利用这些数据绘制 了相应的曲线。 t k ：4 0 ；t o ：一2 51 l1。1。一j f 蚣产l 计算霜层参数、过冷度 i 一 瓜计算制冷量、制冷系数 l 1 i j 【t 0 i t = b + 1l h t ? 是 l ! 结束 图2 4 热力计算程序框图 第一章热液除霜制冷系统的i 作原埋及热力汁算 2 2 5 计算结果及其分析 ( 1 ) 过冷度与蒸发温度关系 一2 52 01 5 1 05 蒸发温度( ) 图2 5 过冷度曲线 ( 2 ) 有、无过冷时制冷系数的比较 一2 52 0一1 5 1 05o 蒸发温度( ) 图2 6 制冷系数的变化 ( 3 ) 制冷系数增加百分比与蒸发温度关系 一2 j一2 0l j 。j n50 蒸发温度( ) 图2 7 制冷系数增加的百分比 1 6 i 3 2 凝聪佥幂 8 7 n：j 2 鬟一丑采口l|fr署瓤峨佥翼 第一幸热液除霜制冷系统的工作原理发热力计算 分析： 从冷凝器出来的液体制冷剂通过结霜蒸发器后的过冷温度如图2 5 ；有、 无过冷时制冷系数的比较如图2 6 ：制冷系数增加百分比与蒸发温度的关系如 图2 7 所示。由于蒸发器表面的霜层使高压液体过冷，导致系统的制冷系数比 普通系统增加5 左右。但计算结果表明，随蒸发温度不同，系统获得的过冷度 不同，制冷量、制冷系数提高的比例也不同。蒸发温度越低，系统可获得的过冷 度越大，制冷量、制冷系数提高的比例也越大。如：蒸发温度在o c 时，理论上 过冷度为2 6 9 。c ，制冷系数可提高2 3 ：而蒸发温度在一2 5 。c 时，过冷度为 5 1 ，制冷系数则可提高7 8 。 说明： 1 这里所说的蒸发温度对过冷度的影响，是指上一结霜周期系统的蒸发温度， 而不是同一周期的蒸发湿度。也就是说，上一个结霜周期蒸发温度越低，则下一 周期系统可获得的过冷度越大。 2 图2 - - 7 是制冷系数增加的比例随蒸发温度的降低而增大，而不是制冷系数 随蒸发温度的降低而增大。系统总的制冷量、制冷系数肯定是随蒸发温度的升高 而增大的。 3 以上图中所示系统性能的提高，其前提是系统在融霜的工况下。当融霜结束 后，系统性能提高比例的幅度减小，也就不再如图所示。 第三章制冷系统的优化方法 第三章热液除霜制冷系统的优化方法 优化是为了达到合理的技术设计而进行的数学和技术上的综合处理工作。通 常包括两种情况： a ) 使预定的代价( 能源、材料或总投资等) 得到最大的技术效果； b ) 用最小的代价得到预期的技术效果。 显然前者和后者是不同的，前者是在已知允许能耗量的情况下对系统进行优 化，以使其获得最大的技术效果；而后者是在已知渴望要达到的技术效果的前提 之下优化系统，使支出( 材料和能源方面) 为最小。对于新建系统来说以上两种 形式都可能采用，具体应用哪种形式，应由先决条件来决定，本文所讨论的恒温 恒湿系统优化问题属于后者。 从己建系统和新建系统作为优化前提，制冷系统的优化可分为两类问题：对 于已建系统是根据机器、设备的实际条件来优化热力学过程，即通过优化制冷机 的运行参数来达到节能的目的。对于新建系统则是用有关的优化准则来优化各个 部件及整个系统，一般所讲的优化设计或设计优化即属于该范畴，这类优化问题 的结果是要求预先确定一组设备的结构和运行参数的最优值。显然它同设计、制 造制冷压缩机和设备的技术理论及实践是密切相关的。【加l 优化可以是部分的，也可以是综合的。这里所涉及的是综合优化问题，不仅 包括制冷压缩机和热交换器的部分参数，而且要考虑部件组合到制冷循环和系统 中的参数。 3 1 制冷系统的优化准则 制冷系统的优化准则最常见的有三种：即热力学准则、结构设计准则和经济 准则。1 2 1 j ( 1 )热力学准则是从热力学的观点出发，在给定的条件下选择各种制冷参数， 使他们在制冷循环时损失最少，制冷系数最大。对丁已经运行的制冷系统，热力 学准则在确定其运行参数时具有指导意义，然而在改计一个新系统时，仅考虑这 一准则，将得出热交换器越大性能越好这一工程上无法接受的结论。 ( 2 )结构设计准则是从制冷制冷系统中的各种没备重量和尺寸出发，力求把 它设计成重量最轻，总尺寸最小的系统。这一准则+ 股用于设计特殊用途的换热 器，如空间飞行器上用的换热器要求尺寸最小或是莺鞋最轻等。应用这一准则， 通常须加一些约束条件，例如费用限制，否则全部使用贵重金属会导致成本无法 承受。 第三章制冷系统的优化方法 ( 3 ) 经济准则是一个比较全面的、合理的准则，它可用费用总额最低来表示。 它综合考虑了制冷系统的性能和结构，既考虑了运行费用，又考虑了初投资，提 出了所隋总成本的最小值。制冷系统的所有费用e 可表示为： ， r ，0 ) = e = 罗l i q i + ( 罗k j ) f ( 元年) ( 3 - - 1 ) 筒 式中：i i 一制冷系统某部件或设备的投资费用；( 元) q i 一每种设备的年折旧费百分比； ( ) r 一制冷系统的部件和设备总数； k ；一某部件或设备工作时动力等的费用；( 元1 1 ) t 一制冷系统每年工作的小时数。( h ，年) 经济准则就是在给定的条件下选择合适的参数，使目标函数e 值最小。e 值 的算式( 3 - - 1 ) 中由两部分组成。第一部分为制冷系统所有部件、设备投资费用 的每年偿还金额；第二部分为制冷系统中各设备和部件消耗电等费用的金额数总 和。显然，制冷系统年总费用e 与制冷系统中换热器的传热温差有关，如图( 3 - - 1 ) 所示。在制冷系统制冷量一定的前提下，增大换热器的传热温差t ，可减 少传热面积，这必然使换热器的体积缩小，重量减轻、设备投资费用减少，这一 点在大型系统中尤为突出。在大型制冷系统中，换热器的设备费用大于或等于制 毒 ，e 。p t