CN112651140A - 双级压缩制冷系统的*分析方法 - Google Patents

双级压缩制冷系统的*分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及制冷领域，具体涉及双级压缩制冷系统的㶲分析方法，在双级压缩制冷系统的设计过程中结合㶲分析，计算制冷系统在不同工况下的COP、压缩机总输出功、总㶲损及总㶲效率的变化趋势及极值点，通过分析确定双级压缩制冷系统的最佳设计参数。本发明双级压缩制冷系统的㶲分析方法为双级压缩制冷系统设计提供了一种新的思路。

Description

双级压缩制冷系统的㶲分析方法
技术领域
本发明涉及制冷领域，具体涉及双级压缩制冷系统的㶲分析方法。
背景技术
双级压缩制冷系统是一种低温领域使用较多的制冷系统，对于该种制冷系统的设计，多数是根据相关标准进行各状态点参数的选定，但很多参数的选定均为经验数值确定，导致设计值与实际值会产生偏差，引起系统设计和设备选型不够准确。因此通过合理有效的计算方法分析出最佳设计参数，并获得设备精准选型，将可以提高双级压缩制冷系统的设计品质和系统运行性能。
根据热力学第二定律，能量在实际进行转换的过程中，无法完全转换为功，可以将能量看作由可转换的部分与不可转换的部分组成，可转换的部分成为㶲，不可转换的部分成为
Figure 10000250418217
（即㶲损）。制冷系统的性能好坏，除了可以运用COP进行评价，还可以通过㶲分析进行评价，COP高且㶲效率（即能量可转换的部分比例）高的制冷系统性能更佳。目前，在进行双级压缩制冷系统设计的时候，很少有研究人员会加入相关的分析方法，多数仅根据设计手册，如果能在双级压缩制冷系统设计时结合㶲分析，对各状态点参数确定的时候进行㶲分析计算，可以更精准地找出最佳的设计参数。
发明内容
本发明的目的在于提供双级压缩制冷系统的㶲分析方法，进行双级压缩制冷系统的设计中，结合㶲分析的计算公式，对不同工况下的制冷系统参数进行计算，确定各工况对应的COP、压缩机总输出功、总㶲损及总㶲效率，并对这些参数进行分析，确定双级压缩制冷系统的最佳设计参数。
为了实现上述目的，本发明一个实施方式提供了双级压缩制冷系统的㶲分析方法，制冷系统的设备包括压缩机、辅助冷凝器、油分离器、气体冷却器、电子膨胀阀、中间冷却器、蒸发器及气液分离器；
状态点包括点a、点b、点c、点d、点e、点f、点g、点h、点i、点j；
所述压缩机包括低压级压缩机及高压级压缩机；
所述电子膨胀阀包括第一电子膨胀阀及第二电子膨胀阀；
㶲分析步骤如下：
1）绘制双级压缩制冷系统的系统图，标记各状态点；
2）确定双级压缩制冷系统的制冷量、制冷剂种类、蒸发温度、蒸发器的过热度及中间冷却器的过冷度；
3）气体冷却器在不同出口温度和出口压力的要求下，确定各状态点的温度、压力、焓值及熵值；
4）改变气体冷却器出口温度和出口压力参数，计算双级压缩制冷系统的COP、压缩机总输出功、总㶲损及总㶲效率；
5）分析随着气体冷却器出口温度和出口压力变化时，双级压缩制冷系统对应的COP、压缩机总输出功、总㶲损及总㶲效率的变化趋势。
优选地，所述的双级压缩制冷系统的㶲分析方法基准的制冷剂的状态为T0=298K、压力为P0=1atm。
优选地，所述的双级压缩制冷系统的总㶲损失是压缩机、辅助冷凝器、油分离器、气体冷却器、电子膨胀阀、中间冷却器、蒸发器及气液分离器各部分㶲损失之和。
优选地，气体冷却器出口温度精确到个位，单位为℃。
优选地，气体冷却器出口压力精确到小数点后一位，单位为MPa。
本发明提供了双级压缩制冷系统的㶲分析方法，结合㶲分析进行双级压缩制冷系统的设计，计算不同工况下的制冷系统的参数在COP、压缩机总输出功、总㶲损及总㶲效率方面的变化趋势及极值点，并进行分析，确定双级压缩制冷系统的最佳设计参数。本发明为双级压缩制冷系统设计提供了一种新的思路。
附图说明
图1为本发明双级压缩制冷系统的㶲分析方法的制冷系统结构示意图，设备包括1.1-低压级压缩机、1.2-高压级压缩机、2-辅助冷凝器、3-油分离器、4-气体冷却器、5.1-第一电子膨胀阀、5.2-第二电子膨胀阀、6-中间冷却器、7-蒸发器及8-气液分离器；状态点包括点a、点b、点c、点d、点e、点f、点g、点h、点i、点j。
图2为本发明双级压缩制冷系统的㶲分析方法的制冷系统的压焓图，状态点包括点a、点b、点c、点d、点e、点f、点g、点h、点i、点j。
图3为本发明双级压缩制冷系统的㶲分析方法的制冷系统的COP参数汇总图。
图4为本发明双级压缩制冷系统的㶲分析方法的制冷系统的压缩机总输出功参数汇总图。
图5为本发明双级压缩制冷系统的㶲分析方法的制冷系统的总㶲损参数汇总图。
图6为本发明双级压缩制冷系统的㶲分析方法的制冷系统的总㶲效率参数汇总图。
图7为本发明双级压缩制冷系统的㶲分析方法的制冷系统的最佳设计参数的汇总图。
具体实施方式
下面结合附图，以具体实施例为例，详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，本发明一个实施例提供的双级压缩制冷系统的㶲分析方法的制冷系统结构图，设备包括低压级压缩机1.1、高压级压缩机1.2、辅助冷凝器2、油分离器3、气体冷却器4、第一电子膨胀阀5.1、第二电子膨胀阀5.2、中间冷却器6、蒸发器7及气液分离器8；状态点包括点a、点b、点c、点d、点e、点f、点g、点h、点i、点j。
如图2所示，本发明一个实施例提供的双级压缩制冷系统的㶲分析方法的制冷系统的压焓图，状态点包括点a、点b、点c、点d、点e、点f、点g、点h、点i、点j。
如图3所示，本发明一个实施例提供的双级压缩制冷系统的㶲分析方法的COP参数汇总图。
如图4所示，本发明一个实施例提供的双级压缩制冷系统的㶲分析方法的压缩机总输出功参数汇总图。
如图5所示，本发明一个实施例提供的双级压缩制冷系统的㶲分析方法的总㶲损参数汇总图。
如图6所示，本发明一个实施例提供的双级压缩制冷系统的㶲分析方法的总㶲效率参数汇总图。
如图7所示，本发明一个实施例提供的双级压缩制冷系统的㶲分析方法的最佳设计参数的汇总图。
本实施例提供的双级压缩制冷系统为二氧化碳跨临界双级压缩制冷系统，用于冷藏集装箱内，制冷剂为二氧化碳，设计工况为室外40℃（按最恶劣计算，该工况下的制冷量最大）、冷藏集装箱内为-18℃。
本实施例的制冷系统的连接方式为：低压级压缩机1.1的出口连接辅助冷凝器2；辅助冷凝器2的出口连接高压级压缩机1.2；高压级压缩机1.2的出口连接油分离器3；油分离器3的出口连接气体冷却器4；气体冷却器3的出口进行分流，一条支流连接第一电子膨胀阀5.1，另一条支流连接到中间冷却器6；第一电子膨胀阀5.1出口连接中间冷却器5；中间冷却器6的两个出口，一个连接至辅助冷凝器2出口的管路上，另一个连接至第二电子膨胀阀5.2；第二电子膨胀阀5.2连接蒸发器7；蒸发器7连接气液分离器8；气液分离器8连接低压级压缩机1.1。
制冷剂的流动过程为：
1）状态点a的二氧化碳经进入低压级压缩机1.1，进行第一次压缩，成为状态点b；
2）状态点b的二氧化碳进入辅助冷凝器2，进行等压降温，成为状态点j，在该过程中辅助冷凝器2仅作为降温设备；
3）状态点j的二氧化碳和中间冷却器5出口的状态点i的二氧化碳在两条管路的交汇点进行混合，成为状态点c；
4）状态点c的二氧化碳进入高压级压缩机1.2，进行第二次压缩，成为状态点d；
5）状态点d的二氧化碳通过油分离器3，进行脱油处理，油分离器3不会对二氧化碳的各项物性参数产生影响；
6）经过脱油处理的状态点d的二氧化碳进入气体冷却器4，进行等压降温，成为状态点e；
7）状态点e的二氧化碳进行分流，一个支流经过第一电子膨胀阀5.1进行节流，成为状态点f后，流入中间冷却器6，另一个支流则直接进入中间冷却器6；
8）中间冷却器6有两个出口，状态点f的二氧化碳经过中间冷却器成为状态点i，与状态点j的二氧化碳混合，成为状态点c，而状态点E的二氧化碳中间冷却器的冷却，成为状态点g；
9）状态点g的二氧化碳经过第二电子膨胀阀5.2的节流，成为状态点h；
10）状态点h的二氧化碳进入蒸发器7，吸热蒸发后成为状态点a；
11）状态点a的二氧化碳通过气液分离器8，进行脱水处理，将气态二氧化碳送至低压级压缩机1.1的入口，气液分离器8不会对二氧化碳的各项物性参数产生影响。
本实施例涉及到的参数标记如下：
t——温度，℃；
h——焓值，kJ/kg；
S——熵值，kJ/(kg·K)；
P——压力，MPa；
Q——冷负荷，kW；
QE——换热量，kW；
m——质量流量，kg/s；
W——输出功，kW；
COP——性能系数；
T——温度，K；
e——单位㶲值，kJ/kg；
E——㶲值，kW；
η——㶲效率；
上述相同写法的符号或字母若出现在下标位置，则为状态点标号，非参数标记。
流量计算公式：
低压级压缩机1.1处流量：mL=Q/(hh-ha)；
高压级压缩机1.2处流量：mH=mL(hi-hg)/(hi-he)；
状态点i处流量：mZL=mH-mL。
性能参数计算公式：
低压级压缩机1.1的输出功：WL=mL(hb-ha)；
高压级压缩机1.2的输出功：WH=mH(hd-hc)；
压缩机总输出功：W=WL+WH；
性能系数：COP=Q/W。
㶲分析计算公式：
㶲平衡表达式：Ein-Eout=Edest；
单位㶲：e=(h-T0·S)-(h0-T0·S0)；
㶲效率：η=1-Edest/W；
低压级压缩机1.1的㶲损：Edest,1.1=mL·T0(Sb-Sa)；
高压级压缩机1.2的㶲损：Edest,1.2=mH·T0(Sd-Sc)；
辅助冷凝器2的换热量：QE,2=mL(hb-hj)；
辅助冷凝器2的㶲损：Edest,1.3= mL(ej-eb) - QE,2(1-T0/Tb,ac,2)；
气体冷却器4的换热量：QE,4=mL(hd-he)；
气体冷却器4的㶲损：Edest,4= mH(ed-ee)- QE,4(1-T0/Tb,ac,4)；
第一电子膨胀阀5.1的㶲损：Edest,5.1= mZL(Se-Sf)；
第二电子膨胀阀5.2的㶲损：Edest,5.2= mL(Sg-Sh)；
中间冷却器6的㶲损：Edest,6= mL(Se-Sg)+ mZL(Sf-Sj)；
蒸发器7的㶲损：Edest,7= mH(eh-ea)+Q(1-T0/Tb,evap)；
制冷剂的参考状态条件为T0=298K、压力为P0=1atm、焓值h0= 496.64kJ/kg、熵值S0=2.2759kJ/(kg·K)；
Tb,ac,4为气体冷却器4的传热边界温度，取室外环境温度（40℃），即313K；
Tb,ac,2为辅助冷凝器2的传热边界温度，取中间温度；
Tb,evap为蒸发器7的传热边界温度，取冷藏集装箱内的温度（-18℃），即255K。
本实施例的双级压缩制冷系统的系统图为图1，该系统对应的压焓图如图2所示，制冷量为1.23kW,制冷剂选用二氧化碳，蒸发温度为-23℃，蒸发器7的过热度与中间冷却器6的过冷度均为3℃。
选取气体冷却器4的出口温度为32℃、33℃、35℃、37℃、39℃及41℃，选取气体冷却器4的出口压力为8.9MPa、9.1MPa、9.2MPa、9.3MPa、9.5MPa及9.7MPa，根据上述6种气体冷却器4出口温度与出口压力进行组合，确定36个对照组的各状态点的温度、压力、焓值及熵值的确定。
根据流量计算公式、性能参数计算公式及㶲分析计算公式，计算36个对照组的各状态点对应的COP、压缩机总输出功、㶲损及㶲效率。
在COP数值方面，COP随气体冷却器4的出口温度的降低而升高、随气体冷却器4的出口压力的降低而升高，但在气体冷却器4出口温度为39℃与41℃的对照组中，趋势完全相反，经核实，这部分对照组有很多状态点是在压焓图中临界点的右侧，无法在现实中实现，因此该反常现象可以忽略不计，最大的COP值出现在气体冷却器4出口温度为32℃且气体冷却器4的出口压力为8.9MPa时，该值为2.4400。
在压缩机总输出功方面，压缩机总输出功随气体冷却器4出口温度的升高而升高、随气体冷却器4的出口压力的升高而升高，但在气体冷却器4出口温度为39℃与41℃的对照组中，趋势完全相反，经核实，这部分对照组有很多状态点是在压焓图中临界点的右侧，无法在现实中实现，因此该反常现象可以忽略不计。压缩机总输出功在理论上分析是越大越好，但压缩机总输出功越大，所产生的能量转换损失也会越大，因此需要与总㶲损和总㶲效率结合进行分析。
在总㶲损方面，总㶲损总体是随气体冷却器4出口温度的升高而升高、随气体冷却器4的出口压力的升高而升高，但在气体冷却器4出口温度为39℃与41℃的对照组中，趋势完全相反，经核实，这部分对照组有很多状态点是在压焓图中临界点的右侧，无法在现实中实现，因此该反常现象可以忽略不计。总㶲损是双级压缩制冷系统的全部设备的㶲损的总和，影响因素较多，因此有时出现微小的升降波动是合理的，只要不出现过大的总趋势变化即可。
在总㶲效率方面，总㶲效率随气体冷却器4出口温度的升高而升高，但随气体冷却器4的出口压力的升高是先上升后下降的。而在气体冷却器4出口温度为39℃与41℃的对照组中，总㶲效率随气体冷却器4的出口压力的升高而升高，经核实，这部分对照组有很多状态点是在压焓图中临界点的右侧，无法在现实中实现，因此该反常现象可以忽略不计。在气体冷却器4的出口温度为32℃、33℃、35℃和37℃的对照组中，气体冷却器4的出口压力为9.2MPa的总㶲效率均为极值，这四个极值分别为50.10%、49.37%、47.69%及45.47%。可见，气体冷却器4出口温度为32℃且气体冷却器4的出口压力为9.2MPa的对照组的总㶲效率最高。
结合压缩机总输出功、总㶲损及总㶲效率的数据，发现压缩机总输出功较大的对照组也拥有较大的总㶲损，运用总㶲效率进行制冷系统的性能评价最客观、准确。
通过对上述数据的分析，可知气体冷却器4出口温度越低，COP越高、总㶲损越大，但由于本实施例选用的二氧化碳是用于跨临界的，不可低于二氧化碳的临界温度（31.06℃），因此在温度方面应该选取接近二氧化碳的临界温度（31.06℃）且大于该温度的温度，温度精确到个位，因此取32℃；总㶲效率在随着气体冷却器4的出口压力的升高过程中会存在一个极值，若该压力精确到小数点后第一位，则当气体冷却器4出口温度较低时，极值点会出现在9.2MPa。
确定最佳的设计参数为气体冷却器4出口温度取32℃，同时气体冷却器4的出口压力取9.2MPa，在该工况下，双级压缩制冷系统的各状态点参数如图7所示。
㶲分析的计算仅计算通过制冷部件的部分，二氧化碳在管路中的流动视为无损失的流动。
本发明可以确定的最佳设计参数仅为设计用。
上述实施例仅例示性说明本发明的设计原理及用途作用，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.双级压缩制冷系统的㶲分析方法，其特征在于：
所述双级压缩制冷系统的㶲分析方法，制冷系统的设备包括压缩机、辅助冷凝器（2）、油分离器（3）、气体冷却器（4）、电子膨胀阀、中间冷却器（6）、蒸发器（7）及气液分离器（8）；
状态点包括点a、点b、点c、点d、点e、点f、点g、点h、点i、点j；
所述压缩机包括低压级压缩机（1.1）及高压级压缩机（1.2）；
所述电子膨胀阀包括第一电子膨胀阀（5.1）及第二电子膨胀阀（5.2）；
㶲分析步骤如下：
1）绘制双级压缩制冷系统的系统图，标记各状态点；
2）确定双级压缩制冷系统的制冷量、制冷剂种类、蒸发温度、蒸发器（7）的过热度及中间冷却器（6）的过冷度；
3）气体冷却器（4）在不同出口温度和出口压力的要求下，确定各状态点的温度、压力、焓值及熵值；
4）改变气体冷却器（4）出口温度和出口压力参数，计算双级压缩制冷系统的COP、压缩机总输出功、总㶲损及总㶲效率；
5）分析随着气体冷却器（4）出口温度和出口压力变化时，双级压缩制冷系统对应的COP、压缩机总输出功、总㶲损及总㶲效率的变化趋势。
2.根据权利要求1所述的双级压缩制冷系统的㶲分析方法，其特征在于：
所述的双级压缩制冷系统的㶲分析方法基准的制冷剂的状态为T0=298K、压力为P0=1atm。
3.根据权利要求1所述的双级压缩制冷系统的㶲分析方法，其特征在于：
所述的双级压缩制冷系统的总㶲损失是压缩机、辅助冷凝器（2）、油分离器（3）、气体冷却器（4）、电子膨胀阀、中间冷却器（6）、蒸发器（7）及气液分离器（8）各部分㶲损失之和。
4.根据权利要求1所述的双级压缩制冷系统的㶲分析方法，其特征在于：
气体冷却器（4）出口温度精确到个位，单位为℃。
5.根据权利要求1所述的双级压缩制冷系统的㶲分析方法，其特征在于：
气体冷却器（4）出口压力精确到小数点后一位，单位为MPa。
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