【《准二级压缩制冷循环系统的理论分析综述》3000字】

准二级压缩制冷循环系统的理论分析综述目录TOC\o"1-3"\h\u16582准二级压缩制冷循环系统的理论分析综述 11841.1前言 1208971.2制冷剂选择 180311.3系统理论计算 2237201.4系统理论分析结果 4147041.5系统理论循环热力计算 71.1前言准二级制冷循环的COP不仅仅与蒸发温度和冷凝温度有关，相对补气量也会对其造成影响，过少则无法将COP提升到最好，而过多则会使进入蒸发器的制冷剂过少，反而会降低系统COP，本章将寻找最适合的补气方式相对补气量来获得最优系统COP。1.2制冷剂选择考虑到临界温度与蒸发温度和蒸发压力要求，制冷剂将从R22和R401A中选择。且考虑环保以及其经济性，选择R410A作为系统制冷剂。R410A由R32和R125各50%组成，其中R32和R125温度梯度小于0.2℃，使R410A接近于单一制冷剂，成为近共沸混合制冷剂。作为近共沸制冷剂，R410A有较好的热力学性质，也安全环保、无毒无害、不易渗漏、不具备燃烧传播性，相较于大多数制冷剂，其单位容积制冷量大、低温时制冷效果较好，而运行压力高、气体密度大使空气不易渗入。同时，R410AODP为零，不会对臭氧层造成破坏。但R410A运行压力较高，设计时需注意额定压力的计算和选择。表1.1制冷剂R410A基本参数沸点℃凝点℃临界温度℃临界压力Mpa临界密度g/cm-51.6-15572.54.950.5沸点下蒸发潜能KJ/Kg过冷温度℃过热温度℃沸点℃沸点下蒸发潜能KJ/Kg256.700-51.6256.71.3系统理论计算R410A制冷压缩系统循环原理如图1.1所示，本系统主要由压缩机、冷凝器、经济器、补路膨胀阀、蒸发器、主路膨胀阀等组成。图1.1R410A制冷压缩系统循环原理图[28]以此循环为例，制冷剂经过压缩机变成高温高压气体（点4），进入冷凝器冷凝放热从饱和气态冷凝为饱和液态（点4—点5），之后流经储液器，制冷剂被分为主路和补路。补路制冷剂经过膨胀阀节流后膨胀为低温低压液体，在经济器内被主路制冷剂加热为饱和蒸汽后通过二次进气进入压缩机（点9）。主路制冷剂直接进入经济器和一次节流后补路制冷剂进行换热，被冷却成过冷液体（点6），后经膨胀阀节流为低温低压液体后进入蒸发器蒸发吸热（点7—点1）,制冷剂由气液混合状态转为饱和气态）后进入压缩机，与补路制冷剂混合，一起进行压缩，如此周期循环进行。图1.2准二级压缩制冷系统压焓图[28]图1.2为准二级压缩制冷系统压焓图，可以看出采用了准二级压缩循环系统后，主路制冷剂的部分热量被先通过节流装置降温降压的补路制冷剂吸收，增加了主路制冷剂的过冷度，后进入蒸发器使蒸发器的制冷量增加；但由于整个系统内的制冷剂流量恒定，进入蒸发器的制冷剂必定会因为补路制冷剂流量增加而减少。如果补气带来的制冷量大于蒸发器内制冷剂流量减少所降低的制冷量，那么补气过程就是有好处的。从整个系统来看，适当的补气能有效提高系统的制冷效率，但补气过少或过多则会使系统制冷效率降低。假设制冷剂从冷凝器流出后为饱和液态，制冷剂从蒸发器流出后为饱和气态，从经济器流出的补路制冷剂状态也为饱和气态[29]。主路制冷剂点5到点6的过冷度为5℃，忽略相关壳程和管程阻力。数学表达如下：蒸发器侧制冷量：Qe=m1(h1−h7)(1.1)式中：Qe——蒸发器中换热量，kW；m1——蒸发器中制冷剂的流量，kg/s；h1——蒸发器出口制冷剂焓值，kJ/kg；h7——蒸发器入口制冷剂焓值，kJ/kg；在中间经济器与外界无换热的情况下，即绝热状态，主路的散热量等于补路所吸收的热量，则中间换热器换热量：Qm=m2(h9−h8)=m1(h5−h6)(1.2)式中：Qm——中间经济器换热量，kW；h9——中间经济器出口补路制冷剂焓值，kJ/kg；h8——膨胀阀1出口制冷剂焓值，kJ/kg；h5——冷凝器出口制冷剂焓值，kJ/kg；h6——中间换热器出口主路制冷剂焓值，kJ/kg；m2——中间经济器补路中制冷剂的流量，kg/s；相对补气量为ξ=m2m2+m1(1.冷凝器侧换热量：Qc=(m1+m2)(h4−h5)(1.4)式中：Qc——冷凝器侧换热量，kW；h4——压缩机排气口制冷剂焓值，kJ/kg；假定压缩机内部体积不变，且整个压缩过程中有补气存在，故可将其分为三个阶段[30,31]：第一阶段：1点—2点，压缩机通过二次进气补气前压缩过程，该过程功为：W1-2=m1kk−1p1v1(p2kk−1p1−1第三阶段：3点—4点为压缩机通过二次进气补气后压缩过程，该过程功为：W3-4=(m1+m2)kk−1p3v3(p4kk−1p3−1)第二阶段：2点—3点为变质量补气压缩过程，且补气结束时的气体压力p3等于补气的中间压力pm，该过程的过程功为：W2-3=m1k'k'−1p2v2(p3k'k'−1p2Pm=p1p4上式中：p1、p2、p3、p4——各点压缩机气缸内压力，Pa；v1、v2、v3、v4——各点比体积，m3/kg；压缩机耗功量：W=W1-2+W2-3+W3-4=m1(h3-h1)+(m1+m2)(h4-h3)(1.9)式中：h3——补路制冷剂被压缩机吸入合并时压缩机工作腔内制冷剂焓值，kJ/kg；系统制冷性能系数：COP=QeW(1.4系统理论分析结果通过研究是否补气、相对补气量等不同情况，研究补气对系统制冷量、压缩机耗功量及COP的影响，选择最优解进行选型设计。假定水合物反应温度设定为271.15K，冷凝方式选择空冷，温度为20℃。1.4.1补气方式对系统性能的影响在冷凝温度为20℃条件下，研究不补气和相对补气量为0.25对系统性能的影响。补气会分散一部分制冷剂进入补路，而整个系统制冷剂流量不改变，则蒸发器的制冷剂流量减少，导致制冷剂制冷量减少，所以在相同的蒸发温度下，不补气时的制冷量比补气时更高。同时，补气时压缩机耗功为m1(h4-h1)+m2(h4-h3)小于不补气时压缩机耗功(m1+m2)(h4-h1)，故在相同的蒸发温度下，准二级压缩系统所消耗的功明显低于普通制冷系统。从COP分析，在相同的蒸发温度下，补气时的COP比不补气时提高约20%~30%。因为COP表示的是制冷量与压缩机耗功的比值，若提高冷凝温度，会使冷凝放热量减小，同时导致压缩机的吸气压力升高，导致m1减少，Qe降低，W降低，但W降低速度小于Qe降低速度，使得系统的COP呈现上升的趋势。通过对比分析得出，在相同的蒸发温度及冷凝温度条件下，准二级压缩制冷系统可以在消耗较低的压缩机功率时，获得较高的制冷性能系数。图1.3压缩机耗功率与补气方式关系图1.4制冷量与补气方式关系图1.5系统COP与补气方式关系1.4.2相对补气量对系统性能的影响随着补气量的增加，制冷量Qe在逐渐降低，压缩机耗功W也在逐渐降低，单从制冷量来看，补气是不利的，但系统COP大小是Qe和W两者比值，由制冷量和压缩机耗功共同决定。当ξ取0.2-0.3时，存在系统COP的最优值。分析准二级压缩循环系统压焓图找到原因如下，补路的制冷剂流经经济器吸收了主路制冷剂的部分热量，从而使主路制冷剂的过冷度增大，随着ξ的增加，这部分换热量逐渐增大，从而提高了系统的制热效率，当ξ增加到一定程度时，经济器内换热量达到极限，再增加ξ也不会增加中间经济器的换热量。但同时主路制冷剂的质量流量减少，使补气引起的制冷量增加效果小于蒸发器内制冷剂质量流量减少带来的影响，导致系统COP减小。可看出，在ξ为0.25[32]时，系统COP达到最大。图1.6压缩机耗功率与相对补气量关系图1.7制冷量与相对补气量关系图1.8系统COP与相对补气量关系1.5系统理论循环热力计算本设计所选准二级压缩制冷循环系统，设计制备能力约为200Nm3/d，即甲烷耗气量为200Nm3/d，拟采用纯度为99.99%的甲烷气体气和纯水作为反应介质，生成的是Ⅰ型天然气水合物。为了简化设计计算过程，设R410A制冷循环为理想循环，主路与补路稳定运行，忽略外界影响因素，节流膨胀过程都为等焓过程，压缩机补气前后工作情况都为等熵过程，管道流动阻力和热损失忽略不计。此时，选择反应釜内温度为271.95K，压强为1.79MPa[10]，在这组条件下，水合物生成效率较高，储气密度体积比可达145.44，且相对能耗较低。系统图及相关数据如下：图1.9本系统准二级压缩制冷循环系统图表1.2系统准二级压缩制冷循环各点参数t(℃)P（Mpa）h(kJ/kg)V(m3/kg)点10.80.804200.035点249.01.95445点456.02.50455点540.02.50275点615.02.50225点70.80.80225点830.01.95275点930.01.95425图1.10系统压焓图通过查找制冷剂R410A压焓图