蒸气压缩式制冷循环参数设计

1 蒸蒸气气压压缩缩式式制制冷冷循循环环参参数数设设计计 确定制冷循环的设计参数 实质上就是确定制冷循环中制冷剂的工作温度和工作压力 制冷剂的工作温度取决于冷却介质温度 被冷却介质温度 传热温差及设备配置 冷却介 质的温度取决于当地的水文气象条件 我国主要城市室外气象计算参数见采暖通风空调设 计规范 被冷却介质的温度取决于生产工艺的要求 传热温差取决于热交换器的型式 冷 却介质和被冷却介质的温度及节能要求等条件 一项制冷工程总是根据特定的服务对象而设计 在满足要求的制冷量和制冷温度的前 提下 设计参数不同 制冷装置的制冷效果和能耗水平也不相同 因此在设计过程中 必 须根据具体情况选择合理的设计参数 这样才能在保证制冷要求的同时 投资合理 节能 降耗 获得最佳的经济效益 4 3 1冷凝温度的确定冷凝温度的确定 制冷循环中的冷凝温度 是指制冷剂在冷凝器中冷凝时的温度 与该温度相对应的是 制冷剂蒸气压力即冷凝压力 冷凝温度是制冷循环中主要运行参数之一 对于实际制冷装 置 由于其他设计参数变化范围较小 冷凝温度可以说是最重要的运行参数 它直接关系 到制冷装置的制冷效果 安全可靠性和能耗水平 由于冷凝温度 Tk与冷凝压力 Pk相对应 冷凝温度 Tk升高 冷凝压力 Pk也升高 将使 制冷压缩机的压缩比增大 压缩比增大一方面致使压缩机的输气系数降低 功耗增大 制 冷系数下降 另一方面 压缩比增大使压缩机排气温度升高 压缩机 尤其是活塞式 的 故障率增加 运行的安全可靠性降低 因此 制冷压缩机的型式 压缩机所配的电动机功 率和制冷装置的结构强度 都限制了制冷装置的最高冷凝温度 在国家标准 GB10875 89 和 GB10872 89 中 规定了中小型活塞式制冷压缩机的最高冷凝温度见表 4 10 表表 4 10 中小型活塞式制冷压缩机最高冷凝温度 中小型活塞式制冷压缩机最高冷凝温度 R717R12R22R502 项目 冷凝温度高冷凝温度低冷凝温度高冷凝温度低冷凝温度冷凝温度 中型活塞式压缩机466049 60 4949 小型活塞式压缩机 60 60 49 注 中温时最高冷凝温度为 55 当使用于中温时为 55 使用于低温时为 49 在制冷装置的设计中 冷凝温度的确定与冷凝器的型式有关 与所在地区的水文气象 条件及冷凝介质种类有关 同时也与所采用的制冷压缩机和制冷剂种类有关 采用不同型 式冷凝器时 冷凝温度的确定可参照表 4 11 表表 4 11 冷凝温度的确定方法冷凝温度的确定方法 冷凝器型式 冷凝温度 计算式 说明书 立式壳管式 淋激式 卧式壳管式 套管式 组合式 tk 1 2 t1 t2 m t1 冷却水进口温度 按当地水源温度计算 但不能超过 33 t2 冷却水出口温度 m 冷凝器中平均传热温差 取 m 4 7 当 t1 25 时取上限 值 当 t1 30 时取下限值 氨冷凝器取较小值 氟利昂冷凝器取较大值 冷却水温升 t2 t1 对立式壳管式冷凝器 淋激式冷凝器取 2 3 对 卧式壳管式冷凝器 套管式冷凝器 组合式冷凝器取 3 5 当 t1 25 时取上限值 t1 30 时取下限值 风冷式tk t1 t t1 进口空气干球温度 按当地夏季室外通风温度 干球 计算 t 冷凝温度与进口空气温度 干球 之差 取 t 10 15 蒸发式tk ts t ts 进口空气湿球温度 按当地夏季空气调节室外计算湿球温度计 算 t 冷凝温度与进口空气湿球温度之差 取 t 8 15 通风良好 或干燥地区取较小值 根据上述分析 在制冷量 0一定时 冷凝温度 Tk越高 制冷循环的耗功越大 效率 越低 因此 应该尽可能使制冷装置在较低的冷凝温度下运行 应该注意的是 在设计中 刻意选择过低的冷凝温度 将导致在实际运行中出现高的冷凝温度 下面通过一个例题说 明 例 4 3 已知某氨制冷装置在蒸发温度 t0 15 运行 若制冷量 0 100kw 不变 压缩机吸入干饱和蒸气 冷凝终了为饱和液体 其循环见图 4 2 求该制冷装置在冷凝温度 Tk分别为 30 35 40 时 冷凝热负荷 k和等熵压缩功的变化 解 计算结果见表 4 12 表表 4 12 不同不同 tk下冷凝热负荷和压缩功的变化下冷凝热负荷和压缩功的变化 冷凝温度 tk 303540 单位制冷量 q0 kJ kg 1102 41078 11053 4 工质流量 qm kg s 0 09070 09270 0949 单位冷凝负荷 qk kJ kg 1336 91333 51338 1 单位压缩功 kJ kg 234 5255 4284 7 单位压缩功比值100108 9121 4 冷凝热负荷 Qk kW121 25123 62127 03 冷凝热负荷比值100102104 8 压缩机消耗的压缩功率 kW21 2723 6727 03 耗功率比值100111 3127 由表 4 12 可见 冷凝温度由 30 升到 40 时 单位制冷量减少 单位压缩功增加了 21 4 压缩机消耗的理论功率增加了 27 冷凝热负荷增加了 4 8 但是一味追求低的冷凝温度也是无益的 例如按冷凝温度 tk 30 设计计算 由于冷凝 热负荷 Qk较小 选择的冷凝器传热面积就较小 当实际运行的冷凝温度高于 30 时 实 际冷凝热负荷增大 按 Tk 30 选用的冷凝器将不能满足需要 实际冷凝温度 Tk将升高 能耗增大 制冷装置效率下降 必须强调指出 设计中选取的冷凝温度是定值 而实际运行中的冷凝温度是变化的 冷凝温度与环境温度有关 环境温度不仅随季节变化 并且每天昼夜也在不断变化 因此 在设计时要充分考虑各种不利因素 选择适当的冷凝温度 保证制冷装置在高效率下节能 运行 在设计中冷凝温度的选取 既要考虑初投资 也要考虑长年运行费用 适当选取较高 的冷凝温度 Tk 把制冷装置的运行条件考虑得恶劣一些 当实际工况优于设计工况时 制 冷装置效率提高 能耗减少 这样 无论对节能 还是对提高经济效益都有是有利的 4 3 2蒸发温度的确定蒸发温度的确定 蒸发温度是指制冷剂在蒸发器内沸腾的温度 它与相应的蒸发压力是对应的 蒸发温 度升高 蒸发压力也升高 蒸发温度是制冷装置运行中最重要的参数之一 如果蒸发温度 T0过高 则满足不了被 冷却对象的低温要求 如果被冷却对象为易腐食品 达不到要求的低温将影响食品的质量 甚至导致腐烂变质 如果为某一工艺流程 达不到要求的低温将影响生产效率和产品质量 因此 保证达到要求的低温是对制冷装置的最基本要求 另一方面 蒸发温度过低 将使制冷装置运行经济性下将 并带来其他一系列不良后 果 在一定的冷凝温度下 蒸发温度 T0降低 则相应的蒸发压力 P0也降低 这时制冷循 环的压缩比增大 压缩机的输气系数下降 同时单位容积制冷量急剧下降 单位压缩功明 显增大 此外 由于压缩比增大 压缩机的排气温度升高 压缩机的工作条件恶化 以氨 制冷装置为例 当冷凝温度 Tk 30 氨压缩机分别在 5 15 30 的蒸发温度下运 行 压缩机吸入为干饱和蒸气 其单位容积制冷量 排气温度和单位压缩比功的变化情况 见表 4 13 表表 4 13 氨制冷装置在不同蒸发温度下性能变化 氨制冷装置在不同蒸发温度下性能变化 tk 30 蒸发温度 t0 5 15 30 单位质量制冷量 q0比值 10098 996 9 单位容积制冷量 qv比值 1006734 9 单位压缩比功 w0比值 100139 3210 6 排气温度 8098137 由表 4 13 可见 当蒸发温度 T0由 5 降低到 30 时 同样制冷量下耗功增大了一倍 以上 因此 蒸发温度的降低对制冷装置的能耗影响很大 应尽可能避免蒸发温度过低 对于用户 除了要求制冷装置高效率外 最关心的是制冷装置的制冷量 显然 如果 制冷装置达不到要求的制冷量 就直接影响到被冷却对象的生产工艺 制冷装置的制冷量可用下式计算 4 47 vh qVQ 0 式中 Q0为制冷量 kW Vh为制冷压缩机理论排气量 m3 s 为压缩机的输气系数 qv为单位容积制冷量 kJ m3 对于用户 压缩机的理论排气量 Vh是不变的 输气系数则随着压缩比增大而减少 由 表 4 13 可见 当 T0由 5 降为 15 时 单位容积制冷量 qv下降了 33 根据式 4 47 即使假定输气系数 不变 这时制冷装置的制冷量 Q0也将减少 33 显然 随着蒸发温 度 T0下降 制冷装置的制冷量将明显下降 综上所述 蒸发温度越低 则制冷装置制冷量越小 运行效率越低 耗能越大 同时 随着 T0降低 排气温度升高 压缩机工作条件恶化 因此 在满足被冷却对象要求的前提 下 应当尽可能采用较高的蒸发温度 在设计中 蒸发温度的确定除了与所需制冷温度 被冷却介质种类有关外 还与蒸发 器的型式有关 采用不同型式蒸发器时 蒸发温度的确定方法见表 4 14 和表 4 15 表表 4 14 蒸发温度的确定蒸发温度的确定 蒸发器型式蒸发温度计算式说明 冷却液体载冷剂的 直立管式和螺旋管 式蒸发器 t0 ts2 t ts2 载冷剂出口温度 由生产工艺条件确定 t 载冷剂出口温度与蒸发温度之差 当载冷剂为水时取 4 6 当载冷剂为盐水时取 2 3 冷却液体载冷剂的 卧式壳蒸发器 包 括满液式和干式 t0 ts1 ts2 2 m ts1 载冷剂进口温度 ts2 载冷剂出口温度 m 蒸发器中平均传热温差 对氨蒸发器取 4 6 对 氟利昂蒸发器取 6 8 载冷剂进出口温差 ts1 ts2 对氨取 3 5 对氟利昂取 4 6 冷库或环境试验装 置用的冷却排管或 冷风机 t0 tn t tn 室内温度 由生产工艺条件决定 t 室内温度与蒸发温度之差 一般取 t 10 对环境试验装置用的冷风机 当室内温度较低 50 以下 时 取 t 4 8 温度越低 取值越小 对冷库中冷藏间的冷风机 室内相对湿度为 90 时 t 5 6 室内相对湿度为 80 时 t 6 7 室内相对湿 度为 75 时 t 7 9 空气调节用直接蒸 发式表冷器 t0 t2 t t2 表冷器出口空气 干球 温度 根据空气调节要求确定 t 空气出口温度与蒸发温度之差 一般取 8 10 为了 防止表冷器传热面结冰 蒸发温度不得低于表 4 15 中的规定值 压缩空气除湿装置 用壳管式蒸发器 t0 tb t tb 压缩空气压力露点湿度 由工艺条件决定 t 压力露点温度与蒸发温度之差 一般取 8 10 表表 4 15 空调用直接蒸发式空冷器进口空气干球温度决定的最低蒸发温度空调用直接蒸发式空冷器进口空气干球温度决定的最低蒸发温度 迎面风速 m s 1 52 02 53 0 排数 46464646 空气进口干 球温度 最低蒸发温度 18 3 2 8 0 6 3 3 1 7 3 9 3 9 3 9 3 9 21 1 2 8 1 1 3 9 2 2 3 9 3 9 3 9 3 9 24 0 3 3 3 3 3 9 3 3 3 9 3 9 3 9 3 9 26 7 3 9 3 9 9 3 9 3 9 3 9 3 9 3 9 4 3 3压缩机吸气温度的确定压缩机吸气温度的确定 压缩机吸气温度是指压缩机吸入阀处或压缩机入口的制冷剂温度 为了保证压缩机的 安全运行 防止液击冲缸现象 要求吸气温度比蒸发温度稍高一些 也就是使制冷剂蒸气 成为过热气体 吸气温度与蒸发温度之差 称为吸气过热度 吸气过热分为有害过热和有益过热 有害过热是指在蒸发器之后吸取的外界环境热量 而产生的过热 它使制冷系数下降 冷凝热负荷增加 所以是不利的 应尽量减少 有益 过热是指在蒸发器及其低温环境内产生的过热 对于采用回热循环可使制冷系数增加的制 冷剂 可以采用较大的吸气过热度 对于采用回热循环而制冷系数变化不明显的制冷剂 一定的过热度有利于保证系统正常运行 但吸气过热度太大会使排气温度升高 因此 吸 气过热大小应根据蒸发温度 吸气管道的过热情况 制冷剂种类及制冷剂循环型式来确定 一般情况下可以按照下列经验来确定 1 以氨为制冷剂的制冷循环 1 以氨为制冷剂的制冷系统 一般不采用热力膨胀阀 因此 设计计算中一般不考 虑制冷剂在蒸发器中的过热度 2 回气管路中的过热 对氨泵供液系统 从蒸发器到循环贮液桶的回程管中 一般 不会产生过热 在循环贮液桶到压缩机的吸气管道中 可能会有过热 但过热一般很小 可以不考虑 重力供液系统或直接膨胀供液系统 因为回气管较长 可能产生较大的过热 度 3 氨制冷系统允许有一点过热度以防液击 但不宜过大 否则会影响循环的经济性 吸气温度一般限制在 5 以下 以免压缩机的排气温度过高 允许的吸气过热度见表 4 16 表表 4 16 氨压缩机允许吸气温度氨压缩机允许吸气温度 蒸发温度 0 5 10 15 20 25 28 30 33 40 吸气温度 1 4 7 10 13 16 18 19 21 25 过热度 11357910111215 2 以氟利昂为制冷剂的制冷系统 对于氟利昂制冷系统 一般希望有一定的吸气过热度 一则可以提高循环的经济性 二则可以保证系统正常运行 过热度大小可按下述原则确定 2 采用热力膨胀阀时 蒸发器出口气体过热度为 3 5 3 单级压缩和双级压缩的高压级吸气温度 不应超过 15 但也不能过低 4 双级压缩低压级允许的吸气温度与气 液热交换器性能及吸入管道的冷损失有 关 一般可比蒸发温度高 30 40 5 在气