CN113701390A - 二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法 - Google Patents

二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法 Download PDF

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CN113701390A CN202111078637.9A CN202111078637A CN113701390A CN 113701390 A CN113701390 A CN 113701390A CN 202111078637 A CN202111078637 A CN 202111078637A CN 113701390 A CN113701390 A CN 113701390A
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Abstract

本发明涉及制冷领域，具体涉及到二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法。本发明提供了二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法，本方法结合Engineering Equation Solver软件使用，应用本㶲分析方法可无需热力学计算而直接获得系统在所需工况下各个状态点的㶲值及系统各个部件的㶲损、㶲效率，避免了热力学计算和热力学性质查询，提高了双级压缩制冷循环㶲分析结果的准确性，在减少研究人员工作量的同时设置了多个可调控的工况值，增加了可研究变量，节省了研究人员的时间并为双级压缩制冷系统的㶲分析提供了一种新方法。

Description

二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法
技术领域
本发明涉及制冷领域，具体涉及到双级压缩制冷循环㶲分析方法，特别是涉及到以二氧化碳为制冷剂的双级压缩制冷循环㶲分析方法。
背景技术
根据热力学第二定律，能量可分为不可转化的能量、可有限转化的能量和无限转化的能量，能量在转换过程中可有限转化的部分称为㶲，不可转化的部分称为
Figure 10000260271447
。在制冷系统中，㶲损越大意味着系统可改进的空间越大，在制冷系统中应用㶲分析可帮助我们对制冷系统进行更全面的性能分析。
在研究双级压缩制冷系统性能与进行制冷系统设计时，需要获得系统在不同工况下总㶲损、各部件㶲损及㶲效率，通过在不同工况下上述参数的取值，来研究双级压缩制冷系统的性能或不同工况对系统参数的影响，并以此为依据改进双级压缩制冷系统或设计双级压缩制冷系统。但上述㶲分析往往需要进行大量的热力学计算，如果能设计一种㶲分析方法使确定好工况点的取值后无需热力学计算便可直接获得双级压缩制冷系统对应工况下总㶲损、各部件㶲损及㶲效率，将极大的提高对双级压缩制冷系统㶲分析的工作效率。
发明内容
本发明提供了二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法，本发明的目的在于多个工况可调节的情况下，确定各工况的取值后无需进行繁杂的热力学计算即可直接获得对应工况下双级压缩制冷系统的总㶲损、各部件㶲损及㶲效率，以分析双级压缩制冷系统性能或设计双级压缩制冷系统。
为实现上述目的，本发明一个实施方式提供了二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法，本发明结合Engineering Equation Solver软件进行㶲分析，制冷系统的设备包括单机双级压缩机、中间冷却器、气体冷却器、蒸发器、辅助冷却器、回热器及电子膨胀阀；
所述单机双级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；
所述可调节工况分别为：制冷量、蒸发温度、气体冷却器出口温度、高压级压缩机排气压力、高压级压缩机吸气过热度、中间冷却器换热温度、回热器换热温度、有效过热度；
二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法的步骤如下：
1）绘制双级压缩制冷循环系统图，并对状态点进行标记。状态点根据工质将要发生状态变化或设备进出口的位置进行设置。状态点0设为参考点，该点温度为298k,压力为101.325kPa；
2）开启Engineering Equation Solver软件，按下菜单栏内的File窗口，拉下列表，点击New，新建程序；
3）按下菜单栏内的Windows窗口，拉下列表，点击Equation，弹出方程输入窗口，在方程输入窗口内输入R$='R744'，并在方程输入框内定义T_Evap为蒸发温度、T_con为气体冷却器出口温度、P_Hcon为高压级压缩机排气压力、Reg_sh为回热器换热温度、DELTAT_sh为有效过热度、eff为压缩机效率、It_sh为高压级压缩机吸气过热度、Ihe为中间冷却器换热温度、Cc为制冷量、E_LTC为低压级压缩机㶲损、E_HTC为高压级压缩机㶲损、E_CD为气体冷却器㶲损、E_evap为蒸发器㶲损、E_TXV1为第一电子膨胀阀㶲损、E_TXV2为第二电子膨胀阀㶲损、E_IC为中间冷却器㶲损、E_FZ为辅助冷却器㶲损、E_Re为回热器㶲损、E_totel为总㶲损、E_Ecomp为压缩机㶲效率、E_ECD为气体冷却器㶲效率、E_Eevap为蒸发器㶲效率、E_ETXV1为第一电子膨胀阀㶲效率、E_ETXV2为第二电子膨胀阀㶲效率、E_EIC为中间冷却器㶲效率、E_EFZ为辅助冷却器㶲效率、E_ERe为回热器㶲效率、E_Etotel为总㶲效率；
4）在方程窗口中输入双级压缩制冷循环系统中各过程相关热力学关系公式；
5）按下菜单栏内的Options窗口，拉下列表，点击Variable Information,在弹出的窗口中Units一栏下，依次输入各状态点热力学参数单位；按下菜单栏内的Options窗口，拉下列表，点击Unit system,在弹出的窗口中，Unit system一栏选择SI，SpecificProperties一栏选择Mass(kg),在Temperature Units一栏选择Kelvin,在Pressure Units一栏选择kPa,在Energy Units一栏选择kJ,在Trig Functions一栏选择Degress，选择OK,关闭窗口；按下菜单栏内的Calculate窗口，拉下列表，点击Check/Format,弹出检查窗口，点击OK；
6）在Engineering Equation Solver软件图形窗口内设置输入框，在图形窗口内点击Add/edit text，在弹出的Add Diagram Text Item窗口中选择Type列表下Inputvariable选项，并在右侧Select input variable列表下选择其对应需要输入工况值的变量名称，实现修改输入框内数值来改变工况名称对应设定值，通过上述操作依次进行输入框的设置；
7）在Engineering Equation Solver软件图形窗口内设置显示框，以实现不同工况下总㶲损、各部件㶲损及㶲效率的显示，显示面板中显示的值包括各状态点的㶲值、制冷性能系数、各设备㶲损、各设备㶲效率和总㶲效率。在图形窗口内点击Add/edit text，在弹出的Add Diagram Text Item窗口中选择Type列表下Output variable选项，并在右侧Select Output variable列表下选择其对应需要显示的变量名称，重复上述操作依次设置所需显示的输出变量；
8）在图形窗口内点击Add Calculate Button，在弹出的Select Type窗口中选择Calculation Button,在双级压缩制冷循环系统图中显示Calculate按钮；
9）关闭Add/edit窗口，按下菜单栏内的File窗口，拉下列表，点击Save, 保存文件，操作完成；
10）打开按上述操作完成的软件，在步骤6）所述输入框中输入实验所需工况值，点击Calculate计算按钮即可在步骤7）所述显示面板处得到对应输入工况下各状态点的㶲值、制冷性能系数、各设备㶲损、各设备㶲效率和总㶲效率的数值，即可获得进行二氧化碳双级压缩制冷系统㶲分析所需数据，进行系统㶲分析。
优选的，本发明在步骤4）中所述输入的双级压缩制冷循环系统中各过程相关热力学关系公式包括：
T[1]=T_Evap+Reg_sh+DELTAT_sh
P[1]=P_sat(R$,T=T_Evap)
h[1]=enthalpy(R$,T=T[1],P=P[1])
s[1]=entropy(R$,T=T[1],P=P[1])
P[2]=sqrt(P[1]*P[6])
h[222]=enthalpy(R$,P=P[2],s=s[1])
w[111]=h[222]-h[1]
w[1]=w[111]/eff
h[2]=h[1]+w[1]
s[2]=entropy(R$,h=h[2],P=P[2])
T[2]=temperature(R$,h=h[2],P=P[2])
其中状态点1为回热器高温端出口处的制冷剂状态，状态点2为低压级压缩机出口处的制冷剂状态，状态点6为气体冷却器出口处的制冷剂状态，状态点222为低压级压缩机等熵效率为1时的低压级压缩机排气状态点，w[111]为过程量；
X[10]=1
P[10]=P[2]
T[10]=temperature(R$,P=P[2],X=X[10])
h[10]=enthalpy(R$,P=P[2],X=X[10])
s[10]=entropy(R$,h=h[10],P=P[10])
P[4]=P[2]
T[4]=T[10]+It_sh
h[4]=enthalpy(R$,P=P[2],T=T[4])
s[4]=entropy(R$,P=P[2],T=T[4])
P[5]=P_Hcon
h[555]=enthalpy(R$,P=P[5],s=s[4])
w[211]=h[555]-h[4]
w[2]=w[211]/eff
h[5]=h[4]+w[2]
s[5]=entropy(R$,h=h[5],P=P[5])
T[5]=temperature(R$,h=h[5],P=P[5])
其中状态点10为中间冷却器辅路出口处制冷剂状态，状态点4为高压级压缩机进口处制冷剂状态，状态点5为高压级压缩机出口处制冷剂状态，状态点555为高压级压缩机等熵效率为1时的高压级压缩机排气状态点，w[211]为过程量；
P[6]=P_Hcon
T[6]=T_con
h[6]=enthalpy(R$,P=P[6],T=T[6])
s[6]=entropy(R$,h=h[6],P=P[6])
P[7]=P[6]
T[7]=T[6]-Ihe
h[7]=enthalpy(R$,P=P[6],T=T[7])
s[7]=entropy(R$,h=h[7],P=P[7])
P[9]=P[2]
h[9]=h[6]
s[9]=entropy(R$,h=h[9],P=P[9])
T[9]=temperature(R$,h=h[9],P=P[9])
T[12]=T_Evap+DELTAT_sh
P[12]=P[1]
H[12]=enthalpy(R$,P=P[1],T=T[12])
s[12]=entropy(R$,h=h[12],P=P[12])
q_cool=h[12]-h[11]
m_low=Cc/q_cool
m_H=m_low*(h[6]+h[10]-h[7]-h[9])/(h[10]-h[9])
h[3]=(m_H*h[4]-(m_H-m_low)*h[10])/m_low
P[3]=P[2]
T[3]=temperature(R$,h=h[3],P=P[2])
s[3]=entropy(R$,h=h[3],P=P[3])
其中状态点7为中间冷却器主路出口处制冷剂状态，状态点9为中间冷却器辅路进口处制冷剂状态，状态点12为蒸发器出口处制冷剂状态，状态点11为蒸发器入口处制冷剂状态，状态点3为辅助冷却器出口处制冷剂状态，q_cool为单位制冷量，m_low为双级压缩制冷循环系统蒸发器主路流量，m_H为双级压缩制冷循环系统中间冷却器辅路流量；
P[8]=P[6]
h[8]=h[7]-h[1]+h[12]
T[8]=temperature(R$,h=h[8],P=P[6])
s[8]=entropy(R$,h=h[8],P=P[8])
其中状态点8为回热器低温端出口处制冷剂状态；
P[11]=P[1]
h[11]=h[8]
T[11]=T_Evap
s[11]=entropy(R$,h=h[11],P=P[11])
w_L=h[2]-h[1]
w_H=H[5]-H[4]
w_com=m_low*w_L+m_H*w_H
其中w_L为低压级压缩机单位耗功、w_H为高压级压缩机单位耗功、w_com为双级压缩机总耗功；
COP=Cc/w_com
其中COP为制冷性能系数；
T[0]=298
P[0]=101.325
h[0]=enthalpy(R$,T=T[0],P=P[0])
s[0]=entropy(R$,T=T[0],P=P[0])
e[1]=(h[1]-T[0]*S[1])-(h[0]-T[0]*s[0])
e[2]=(h[2]-T[0]*S[2])-(h[0]-T[0]*s[0])
e[3]=(h[3]-T[0]*S[3])-(h[0]-T[0]*s[0])
e[4]=(h[4]-T[0]*S[4])-(h[0]-T[0]*s[0])
e[5]=(h[5]-T[0]*S[5])-(h[0]-T[0]*s[0])
e[6]=(h[6]-T[0]*S[6])-(h[0]-T[0]*s[0])
e[7]=(h[7]-T[0]*S[7])-(h[0]-T[0]*s[0])
e[8]=(h[8]-T[0]*S[8])-(h[0]-T[0]*s[0])
e[9]=(h[9]-T[0]*S[9])-(h[0]-T[0]*s[0])
e[10]=(h[10]-T[0]*S[10])-(h[0]-T[0]*s[0])
e[11]=(h[11]-T[0]*S[11])-(h[0]-T[0]*s[0])
e[12]=(h[12]-T[0]*S[12])-(h[0]-T[0]*s[0])
E_LTC=m_low*T[0]*(s[2]-s[1])
E_HTC=m_H*T[0]*(s[5]-s[4])
E_CD=m_H*(e[5]-e[6])-(h[5]-h[6])*m_H*(1-298/305)
E_evap=m_low*(e[11]-e[12])+Cc*(1-298/255)
E_TXV1=(m_H-m_low)*T[0]*(s[9]-s[6])
E_TXV2=m_low*T[0]*(s[11]-s[8])
E_IC=(m_H-m_low)*(e[9]-e[10])-m_low*(e[7]-e[6])
T[158]=3
T[159]=T[3]-T[158]
E_FZ=m_low*(e[2]-e[3])-(h[2]-h[3])*m_low*(1-T[0]/T[159])
E_Re=m_low*(e[7]-e[8]-e[1]+e[12])
E_totel=E_LTC+E_HTC+E_CD+E_evap+E_TXV1+E_TXV2+E_IC+E_FZ+E_Re
E_Ecomp=1-(E_HTC+E_LTC)/(e[4]*m_H+e[1]*m_low)
E_ECD=1-E_CD/(e[5]*m_H)
E_Eevap=1-E_evap/(e[11]*m_low)
E_ETXV1=1-E_TXV1/(e[6]*(m_H-m_low))
E_ETXV2=1-E_TXV2/(e[8]*m_low)
E_EIC=1-E_IC/(e[9]*(m_H-m_low)+e[6]*m_low)
E_EFZ=1-E_FZ/(e[2]*m_low)
E_ERe=1-E_Re/(e[7]*m_low+e[12]*m_low)
E_Etotel=1-E_totel/w_com
其中T[158]与T[159]为过程量。
优选的，本发明在步骤6）中所述设置的输入框分别为：蒸发温度输入框、有效过热度输入框、气体冷却器出口温度输入框、排气压力输入框、等熵效率输入框、过热度输入框、换热温度输入框、回热器换热温度输入框、制冷量输入框。
优选的，本发明在步骤7）中所述的需设置显示的输出变量分别为：状态点1㶲值、状态点2㶲值、状态点3㶲值、状态点4㶲值、状态点5㶲值、状态点6㶲值、状态点7㶲值、状态点8㶲值、状态点9㶲值、状态点10㶲值、状态点11㶲值、状态点12㶲值、双级压缩机总耗功、制冷性能系数、蒸发器㶲损、气体冷却器㶲损、辅助冷却器㶲损、中间冷却器㶲损、回热器㶲损、高压级压缩机㶲损、低压级压缩机㶲损、第一电子膨胀阀㶲损、第二电子膨胀阀㶲损、总㶲损、压缩机㶲效率、气体冷却器㶲效率、蒸发器㶲效率、第一电子膨胀阀㶲效率、第二电子膨胀阀㶲效率、中间冷却器㶲效率、辅助冷却器㶲效率、回热器㶲效率、总㶲效率。
优选的，本发明双级压缩制冷循环系统总㶲损为蒸发器、气体冷却器、辅助冷却器、中间冷却器、回热器、高压级压缩机、低压级压缩机、第一电子膨胀阀及第二电子膨胀阀各部分㶲损失之和。
优选的，温度工况输入框单位为K。
优选的，本发明中蒸发温度、气体冷却器出口温度、高压级压缩机排气压力、回热器换热温度、有效过热度、中间冷却器换热温度、制冷量、等熵效率及高压级压缩机吸气过热度的数值都可进行修改后获得㶲分析计算数据。
本发明提供了二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法，本方法结合EngineeringEquation Solver软件使用，应用本㶲分析方法可在系统多种工况条件可调节的情况下无需热力学计算而直接获得系统在所需工况下各个状态点的㶲值及系统各个部件的㶲损、㶲效率，避免了热力学计算和热力学性质查询，提高了双级压缩制冷循环㶲分析结果的准确性，在减少研究人员工作量的同时设置了多个可调控的工况值，增加了可研究变量，节省了研究人员的时间为双级压缩制冷系统的㶲分析提供了一种新方法。
附图说明
图1为本发明设计的二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法的制冷系统结构示意图，设备包括：1-气体冷却器、21-高压级压缩机、22-低压级压缩机、3-辅助冷却器、4-回热器、5-蒸发器、61-第一电子膨胀阀、62-第二电子膨胀阀、7-中间冷却器。
图2为本发明设计的二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法的制冷系统结构图状态点分布，包括：点1、点2、点3、点4、点5、点6、点7、点8、点9、点10、点11及点12。
图3为本发明设计的二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法的工况值输入面板，包括：A-压缩机等熵效率输入框、B-回热器换热温度输入框、C-过热度输入框、D-中间冷却器换热温度输入框、E-蒸发温度输入框、F-气体冷却器出口温度输入框、G-高压级压缩机吸气过热度输入框、H-高压级压缩机排气压力输入框、I-制冷量输入框、J-计算按钮。
图4为本发明设计的二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法的显示面板，Ⅰ框中为状态点1㶲值、状态点2㶲值、状态点3㶲值、状态点4㶲值、状态点5㶲值、状态点6㶲值、状态点7㶲值、状态点8㶲值、状态点9㶲值、状态点10㶲值、状态点11㶲值、状态点12㶲值；Ⅱ框中为蒸发器㶲损、气体冷却器㶲损、辅助冷却器㶲损、中间冷却器㶲损、回热器㶲损、高压级压缩机㶲损、低压级压缩机㶲损、第一电子膨胀阀㶲损、第二电子膨胀阀㶲损、总㶲损；Ⅲ框中为压缩机㶲效率、气体冷却器㶲效率、蒸发器㶲效率、第一电子膨胀阀㶲效率、第二电子膨胀阀㶲效率、中间冷却器㶲效率、辅助冷却器㶲效率、回热器㶲效率、总㶲效率；Ⅳ框中为双级压缩机总耗功、制冷性能系数。
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，本发明设计的二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法的制冷系统结构示意图，设备包括：1-气体冷却器、21-高压级压缩机、22-低压级压缩机、3-辅助冷却器、4-回热器、5-蒸发器、61-第一电子膨胀阀、62-第二电子膨胀阀、7-中间冷却器。
如图2所示，本发明设计的二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法的制冷系统结构图状态点分布，包括：点1、点2、点3、点4、点5、点6、点7、点8、点9、点10、点11及点12。
如图3所示，本发明设计的二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法的工况值输入面板，包括：A-压缩机等熵效率输入框、B-回热器换热温度输入框、C-过热度输入框、D-中间冷却器换热温度输入框、E-蒸发温度输入框、F-气体冷却器出口温度输入框、G-高压级压缩机吸气过热度输入框、H-高压级压缩机排气压力输入框、I-制冷量输入框、J-计算按钮。
如图4所示，本发明设计的二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法的显示面板，Ⅰ框中为状态点1㶲值、状态点2㶲值、状态点3㶲值、状态点4㶲值、状态点5㶲值、状态点6㶲值、状态点7㶲值、状态点8㶲值、状态点9㶲值、状态点10㶲值、状态点11㶲值、状态点12㶲值；Ⅱ框中为蒸发器㶲损、气体冷却器㶲损、辅助冷却器㶲损、中间冷却器㶲损、回热器㶲损、高压级压缩机㶲损、低压级压缩机㶲损、第一电子膨胀阀㶲损、第二电子膨胀阀㶲损、总㶲损；Ⅲ框中为压缩机㶲效率、气体冷却器㶲效率、蒸发器㶲效率、第一电子膨胀阀㶲效率、第二电子膨胀阀㶲效率、中间冷却器㶲效率、辅助冷却器㶲效率、回热器㶲效率、总㶲效率；Ⅳ框中为双级压缩机总耗功、制冷性能系数。
本实施例选用的制冷系统为二氧化碳超临界双级压缩制冷系统，该系统的特点在于与外界换热部分的制冷剂状态为超临界状态，冷凝器部分为气体冷却器。
制冷剂的流动过程为：
1）由回热器4流出的过热二氧化碳制冷剂为状态点1，其被低压级压缩机22压缩后成为中温中压的状态点2；
2）状态点2经过辅助冷却器3的等压降温，成为状态点3；
3）状态点3与中间冷却器7出口端的状态点10混合，成为高压级压缩机21入口端的状态点4；
4）状态点4经过高压级压缩机21压缩后成为高温高压的状态点5；
5）状态点5经过气体冷却器1等压降温后变为状态点6；
6）状态点6进行分流，一部分经第一电子膨胀阀61后变为中温中压的状态点9，而后进入中间冷却器7，另一部分直接进入中间冷却器7；
7）状态点9经过中间冷却器7等压吸热变为状态点10；
8）状态点6经过中间冷却器7等压降温变为状态点7；
9）状态点7经过回热器4等压降温后变为状态点8；
10）状态点8经过第二电子膨胀阀62节流后变为状态点11；
11）状态点11经过蒸发器5等温吸热后变为状态点12；
12）状态点12经过回热器4等压吸热后变为状态点1后进入下一个循环。
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，用于船舶冷藏设备，环境温度为32℃，冷藏室内温度为-18℃。
具体实施例1；
1）使用Engineering Equation Solver软件打开本发明所述二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法工程文件；
2）在双级压缩制冷循环㶲分析方法的工况值输入面板中，设置制冷量为0.57KW，蒸发温度为250k，气体冷却器出口温度为308k，高压级压缩机排气压力为8200kPa, 高压级压缩机吸气过热度为5k，等熵效率为0.84，中间冷却器换热温度为30k，回热器换热温度为3k，有效过热度为1k，输入完成如图3所示；
3）点击图3所示 Calculate计算按钮，即可在双级压缩制冷循环㶲分析方法的显示面板处（图4）查看双级压缩制冷循环系统制冷量为0.57KW，蒸发温度为250k，气体冷却器出口温度为308k，高压级压缩机排气压力为8200kPa, 高压级压缩机吸气过热度为5k，等熵效率为0.84，中间冷却器换热温度为30k，回热器换热温度为3k，有效过热度为1k时的㶲分析结果，详细结果如下：状态点1的㶲值为160.6kJ/kg, 状态点2的㶲值为193.5kJ/kg, 状态点3的㶲值为193.4kJ/kg, 状态点4的㶲值为193.8kJ/kg, 状态点5的㶲值为225.6kJ/kg, 状态点6的㶲值为216kJ/kg, 状态点7的㶲值为216.6kJ/kg, 状态点8的㶲值为216.9kJ/kg, 状态点9的㶲值为202.8kJ/kg, 状态点10的㶲值为194.5kJ/kg, 状态点11的㶲值为206.2kJ/kg, 状态点12的㶲值为161.2kJ/kg,气体冷却器的㶲损为0.03001kw, 蒸发器的㶲损为0.01331kw, 辅助冷却器的㶲损为0.004092kw,高压级压缩机的㶲损为0.02547kw, 低压级压缩机的㶲损为0.01458kw,中间冷却器的㶲损为0.01959kw, 回热器的㶲损为0.0009265kw, 第一电子膨胀阀的㶲损为0.0332kw, 第二电子膨胀阀的㶲损为0.02581kw, 总㶲损为0.167kw, 气体冷却器的㶲效率为0.9732, 蒸发器的㶲效率为0.9735, 辅助冷却器的㶲效率为0.9913,压缩机的㶲效率为0.9704,中间冷却器的㶲效率为0.9811, 回热器的㶲效率为0.999, 第一电子膨胀阀的㶲效率为0.9391, 第二电子膨胀阀的㶲效率为0.9511, 总㶲效率为0.3981、双级压缩机总耗功为0.2774kw、制冷性能系数为2.054。
在具体实施例1中已经说明本发明所述双级压缩制冷循环㶲分析方法软件的使用步骤及输入各工况的设定值，即可得到所输入设定值下对应系统的总㶲损、各部件㶲损及㶲效率，下面结合具体实施例2-3进一步说明二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法。
具体实施例2；
改变工况点高压级压缩机排气压力的值，获取不同高压级压缩机排气压力下系统的总㶲损，在本发明所述双级压缩制冷循环㶲分析方法软件中设置制冷量为0.57KW，蒸发温度为250k，气体冷却器出口温度为308k, 高压级压缩机吸气过热度为5k，等熵效率为0.84，中间冷却器换热温度为30k，回热器换热温度为3k，有效过热度为1k，在上述设定值不变的情况下，双级压缩制冷循环㶲分析软件的高压级压缩机排气压力由8200kPa上升至9200kPa,每隔200kPa计算一次，总㶲损在显示面板读取结果依次如下：0.167、0.1568、0.1538、0.153、0.1534、0.1542，可见其它设定值不变时，在8800kPa时总㶲损最小，即双级压缩制冷系统的不可逆损失最小。
具体实施例3；
改变工况点气体冷却器出口温度的值，获取不同气体冷却器出口温度下系统的总㶲损，在本发明所述双级压缩制冷循环㶲分析方法软件中设置制冷量为0.57KW，蒸发温度为250k，高压级压缩机排气压力为8200kPa, 高压级压缩机吸气过热度为5k，等熵效率为0.84，中间冷却器换热温度为30k，回热器换热温度为3k，有效过热度为1k，在上述设定值不变的情况下，双级压缩制冷循环㶲分析软件的气体冷却器出口温度由308k上升至314k,每隔1k计算一次，总㶲损在显示面板读取结果依次如下：0.167、0.2143、0.289、0.3642、0.4435、0.5336、0.6414，可见随着气体冷却器出口温度的增加总㶲损的值不断增加，通过观察显示面板可发现在气体冷却器出口温度上升过程中气体冷却器的㶲损变化最为明显，说明其受气体冷却器出口温度的影响最大。
本发明还可在工况点可变的情况下分析各部件的㶲损变化和㶲效率变化，方法同上两例相同，不再赘述。
㶲分析的计算仅计算制冷部件部分，制冷剂在管路内的流动视为无损失的流动。
各状态点的热力学关系的先后顺序可进行调整，不会影响参数的获取，研究人员可以根据需要进行同等级的步骤的先后顺序调整。
若研究人员设计的双级压缩制冷循环系统与本发明实施例中的制冷系统有所不同，需根据实际的设计进行系统绘图和状态点热力学关系的建立。
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 (7)

1.二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法，其特征在于：二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法的步骤为：
1）绘制双级压缩制冷循环系统图，并对状态点进行标记。状态点根据工质将要发生状态变化或设备进出口的位置进行设置。状态点0设为参考点，该点温度为298k,压力为101.325kPa；
2）开启Engineering Equation Solver软件，按下菜单栏内的File窗口，拉下列表，点击New，新建程序；
3）按下菜单栏内的Windows窗口，拉下列表，点击Equation，弹出方程输入窗口，在方程输入窗口内输入R$='R744'，并在方程输入框内定义T_Evap为蒸发温度、T_con为气体冷却器出口温度、P_Hcon为高压级压缩机排气压力、Reg_sh为回热器换热温度、DELTAT_sh为有效过热度、eff为压缩机效率、It_sh为高压级压缩机吸气过热度、Ihe为中间冷却器换热温度、Cc为制冷量、E_LTC为低压级压缩机㶲损、E_HTC为高压级压缩机㶲损、E_CD为气体冷却器㶲损、E_evap为蒸发器㶲损、E_TXV1为第一电子膨胀阀㶲损、E_TXV2为第二电子膨胀阀㶲损、E_IC为中间冷却器㶲损、E_FZ为辅助冷却器㶲损、E_Re为回热器㶲损、E_totel为总㶲损、E_Ecomp为压缩机㶲效率、E_ECD为气体冷却器㶲效率、E_Eevap为蒸发器㶲效率、E_ETXV1为第一电子膨胀阀㶲效率、E_ETXV2为第二电子膨胀阀㶲效率、E_EIC为中间冷却器㶲效率、E_EFZ为辅助冷却器㶲效率、E_ERe为回热器㶲效率、E_Etotel为总㶲效率；
4）在方程窗口中输入双级压缩制冷循环系统中各过程相关热力学关系公式；
5）按下菜单栏内的Options窗口，拉下列表，点击Variable Information,在弹出的窗口中Units一栏下，依次输入各状态点热力学参数单位；按下菜单栏内的Options窗口，拉下列表，点击Unit system,在弹出的窗口中，Unit system一栏选择SI，Specific Properties一栏选择Mass(kg),在Temperature Units一栏选择Kelvin,在Pressure Units一栏选择kPa,在Energy Units一栏选择kJ,在Trig Functions一栏选择Degress，选择OK,关闭窗口；按下菜单栏内的Calculate窗口，拉下列表，点击Check/Format,弹出检查窗口，点击OK；
6）在Engineering Equation Solver软件图形窗口内设置输入框，在图形窗口内点击Add/edit text，在弹出的Add Diagram Text Item窗口中选择Type列表下Input variable选项，并在右侧Select input variable列表下选择其对应需要输入工况值的变量名称，实现修改输入框内数值来改变工况名称对应设定值，通过上述操作依次进行输入框的设置；
7）在Engineering Equation Solver软件图形窗口内设置显示框，以实现不同工况下总㶲损、各部件㶲损及㶲效率的显示，显示面板中显示的值包括各状态点的㶲值、制冷性能系数、各设备㶲损、各设备㶲效率和总㶲效率。在图形窗口内点击Add/edit text，在弹出的Add Diagram Text Item窗口中选择Type列表下Output variable选项，并在右侧SelectOutput variable列表下选择其对应需要显示的变量名称，重复上述操作依次设置所需显示的输出变量；
8）在图形窗口内点击Add Calculate Button，在弹出的Select Type窗口中选择Calculation Button,在双级压缩制冷循环系统图中显示Calculate按钮；
9）关闭Add/edit窗口，按下菜单栏内的File窗口，拉下列表，点击Save, 保存文件，操作完成；
10）打开按上述操作完成的软件，在步骤6）所述输入框中输入实验所需工况值，点击Calculate计算按钮即可在步骤7）所述显示面板处得到对应输入工况下各状态点的㶲值、制冷性能系数、各设备㶲损、各设备㶲效率和总㶲效率的数值，即可获得进行二氧化碳双级压缩制冷系统㶲分析所需数据，进行系统㶲分析。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法，其特征在于：
在步骤4）中所述输入的双级压缩制冷循环系统中各过程相关热力学关系公式包括：
T[1]=T_Evap+Reg_sh+DELTAT_sh
P[1]=P_sat(R$,T=T_Evap)
h[1]=enthalpy(R$,T=T[1],P=P[1])
s[1]=entropy(R$,T=T[1],P=P[1])
P[2]=sqrt(P[1]*P[6])
h[222]=enthalpy(R$,P=P[2],s=s[1])
w[111]=h[222]-h[1]
w[1]=w[111]/eff
h[2]=h[1]+w[1]
s[2]=entropy(R$,h=h[2],P=P[2])
T[2]=temperature(R$,h=h[2],P=P[2])
其中状态点1为回热器高温端出口处的制冷剂状态，状态点2为低压级压缩机出口处的制冷剂状态，状态点6为气体冷却器出口处的制冷剂状态，状态点222为低压级压缩机等熵效率为1时的低压级压缩机排气状态点，w[111]为过程量；
X[10]=1
P[10]=P[2]
T[10]=temperature(R$,P=P[2],X=X[10])
h[10]=enthalpy(R$,P=P[2],X=X[10])
s[10]=entropy(R$,h=h[10],P=P[10])
P[4]=P[2]
T[4]=T[10]+It_sh
h[4]=enthalpy(R$,P=P[2],T=T[4])
s[4]=entropy(R$,P=P[2],T=T[4])
P[5]=P_Hcon
h[555]=enthalpy(R$,P=P[5],s=s[4])
w[211]=h[555]-h[4]
w[2]=w[211]/eff
h[5]=h[4]+w[2]
s[5]=entropy(R$,h=h[5],P=P[5])
T[5]=temperature(R$,h=h[5],P=P[5])
其中状态点10为中间冷却器辅路出口处制冷剂状态，状态点4为高压级压缩机进口处制冷剂状态，状态点5为高压级压缩机出口处制冷剂状态，状态点555为高压级压缩机等熵效率为1时的高压级压缩机排气状态点，w[211]为过程量；
P[6]=P_Hcon
T[6]=T_con
h[6]=enthalpy(R$,P=P[6],T=T[6])
s[6]=entropy(R$,h=h[6],P=P[6])
P[7]=P[6]
T[7]=T[6]-Ihe
h[7]=enthalpy(R$,P=P[6],T=T[7])
s[7]=entropy(R$,h=h[7],P=P[7])
P[9]=P[2]
h[9]=h[6]
s[9]=entropy(R$,h=h[9],P=P[9])
T[9]=temperature(R$,h=h[9],P=P[9])
T[12]=T_Evap+DELTAT_sh
P[12]=P[1]
H[12]=enthalpy(R$,P=P[1],T=T[12])
s[12]=entropy(R$,h=h[12],P=P[12])
q_cool=h[12]-h[11]
m_low=Cc/q_cool
m_H=m_low*(h[6]+h[10]-h[7]-h[9])/(h[10]-h[9])
h[3]=(m_H*h[4]-(m_H-m_low)*h[10])/m_low
P[3]=P[2]
T[3]=temperature(R$,h=h[3],P=P[2])
s[3]=entropy(R$,h=h[3],P=P[3])
其中状态点7为中间冷却器主路出口处制冷剂状态，状态点9为中间冷却器辅路进口处制冷剂状态，状态点12为蒸发器出口处制冷剂状态，状态点11为蒸发器入口处制冷剂状态，状态点3为辅助冷却器出口处制冷剂状态，q_cool为单位制冷量，m_low为双级压缩制冷循环系统蒸发器主路流量，m_H为双级压缩制冷循环系统中间冷却器辅路流量；
P[8]=P[6]
h[8]=h[7]-h[1]+h[12]
T[8]=temperature(R$,h=h[8],P=P[6])
s[8]=entropy(R$,h=h[8],P=P[8])
其中状态点8为回热器低温端出口处制冷剂状态；
P[11]=P[1]
h[11]=h[8]
T[11]=T_Evap
s[11]=entropy(R$,h=h[11],P=P[11])
w_L=h[2]-h[1]
w_H=H[5]-H[4]
w_com=m_low*w_L+m_H*w_H
其中w_L为低压级压缩机单位耗功、w_H为高压级压缩机单位耗功、w_com为双级压缩机总耗功；
COP=Cc/w_com
其中COP为制冷性能系数；
T[0]=298
P[0]=101.325
h[0]=enthalpy(R$,T=T[0],P=P[0])
s[0]=entropy(R$,T=T[0],P=P[0])
e[1]=(h[1]-T[0]*S[1])-(h[0]-T[0]*s[0])
e[2]=(h[2]-T[0]*S[2])-(h[0]-T[0]*s[0])
e[3]=(h[3]-T[0]*S[3])-(h[0]-T[0]*s[0])
e[4]=(h[4]-T[0]*S[4])-(h[0]-T[0]*s[0])
e[5]=(h[5]-T[0]*S[5])-(h[0]-T[0]*s[0])
e[6]=(h[6]-T[0]*S[6])-(h[0]-T[0]*s[0])
e[7]=(h[7]-T[0]*S[7])-(h[0]-T[0]*s[0])
e[8]=(h[8]-T[0]*S[8])-(h[0]-T[0]*s[0])
e[9]=(h[9]-T[0]*S[9])-(h[0]-T[0]*s[0])
e[10]=(h[10]-T[0]*S[10])-(h[0]-T[0]*s[0])
e[11]=(h[11]-T[0]*S[11])-(h[0]-T[0]*s[0])
e[12]=(h[12]-T[0]*S[12])-(h[0]-T[0]*s[0])
E_LTC=m_low*T[0]*(s[2]-s[1])
E_HTC=m_H*T[0]*(s[5]-s[4])
E_CD=m_H*(e[5]-e[6])-(h[5]-h[6])*m_H*(1-298/305)
E_evap=m_low*(e[11]-e[12])+Cc*(1-298/255)
E_TXV1=(m_H-m_low)*T[0]*(s[9]-s[6])
E_TXV2=m_low*T[0]*(s[11]-s[8])
E_IC=(m_H-m_low)*(e[9]-e[10])-m_low*(e[7]-e[6])
T[158]=3
T[159]=T[3]-T[158]
E_FZ=m_low*(e[2]-e[3])-(h[2]-h[3])*m_low*(1-T[0]/T[159])
E_Re=m_low*(e[7]-e[8]-e[1]+e[12])
E_totel=E_LTC+E_HTC+E_CD+E_evap+E_TXV1+E_TXV2+E_IC+E_FZ+E_Re
E_Ecomp=1-(E_HTC+E_LTC)/(e[4]*m_H+e[1]*m_low)
E_ECD=1-E_CD/(e[5]*m_H)
E_Eevap=1-E_evap/(e[11]*m_low)
E_ETXV1=1-E_TXV1/(e[6]*(m_H-m_low))
E_ETXV2=1-E_TXV2/(e[8]*m_low)
E_EIC=1-E_IC/(e[9]*(m_H-m_low)+e[6]*m_low)
E_EFZ=1-E_FZ/(e[2]*m_low)
E_ERe=1-E_Re/(e[7]*m_low+e[12]*m_low)
E_Etotel=1-E_totel/w_com
其中T[158]与T[159]为过程量。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法，其特征在于：
在步骤6）中所述设置的输入框分别为：蒸发温度输入框、有效过热度输入框、气体冷却器出口温度输入框、排气压力输入框、等熵效率输入框、过热度输入框、换热温度输入框、回热器换热温度输入框、制冷量输入框。
4.根据权利要求1所述的二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法，其特征在于：
在步骤7）中所述的需设置显示的输出变量分别为：状态点1㶲值、状态点2㶲值、状态点3㶲值、状态点4㶲值、状态点5㶲值、状态点6㶲值、状态点7㶲值、状态点8㶲值、状态点9㶲值、状态点10㶲值、状态点11㶲值、状态点12㶲值、双级压缩机总耗功、制冷性能系数、蒸发器㶲损、气体冷却器㶲损、辅助冷却器㶲损、中间冷却器㶲损、回热器㶲损、高压级压缩机㶲损、低压级压缩机㶲损、第一电子膨胀阀㶲损、第二电子膨胀阀㶲损、总㶲损、压缩机㶲效率、气体冷却器㶲效率、蒸发器㶲效率、第一电子膨胀阀㶲效率、第二电子膨胀阀㶲效率、中间冷却器㶲效率、辅助冷却器㶲效率、回热器㶲效率、总㶲效率。
5.根据权利要求1所述的二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法，其特征在于：
所述二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法的制冷系统设备包括：气体冷却器（1）、高压级压缩机（21）、低压级压缩机（22）、辅助冷却器（3）、回热器（4）、蒸发器（5）、第一电子膨胀阀（61）、第二电子膨胀阀（62）、中间冷却器（7）。
6.根据权利要求1所述的二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法，其特征在于：
所述总㶲损为蒸发器、气体冷却器、辅助冷却器、中间冷却器、回热器、高压级压缩机、低压级压缩机、第一电子膨胀阀及第二电子膨胀阀各部分㶲损失之和。
7.根据权利要求1所述的二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法，其特征在于：
所述蒸发温度、气体冷却器出口温度、高压级压缩机排气压力、回热器换热温度、有效过热度、中间冷却器换热温度、制冷量、等熵效率及高压级压缩机吸气过热度的数值都可进行修改后获得㶲分析计算数据。
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