低温工况下运行的制冷循环方式的比较.pdf

SRM 是 80 年代才推出的新一代变速传动 系统, 理论尚不够完善, 低速时, 转矩有些脉动,噪声和震动稍大, 转速的稳态精度不够高, 接线接头多等缺点, 有待今后进一步研究解决 综上所述, 用 SRM 作压缩机调速, 从性能价格比、 效率、 可靠性等方面均优于变频空调系统, 希望空调器厂与我们一道开发此系统2 节流( 调节) 装置节流机构目前主要有热力膨胀阀、 毛细管和 电子膨胀阀 为了与调速时压缩机容量变化的工作状态相适应, 调速空调器的节流元件不应再用固定的毛细管节流方式, 应采用能控制节流的电子膨胀阀为佳, 这是由于根据过热度和进出风温 度, 控制精度高以及适用微机控制等特点, 能根据负荷变化而改变系统的流量, 与变速装置配套使用具有明显的节能效果和延长机组寿命的作用, 以使蒸发器的能力得到最大限度的发挥, 从 而实现制冷系统的最佳控制因此, 电子膨胀阀系当今理想的新型节流控制器件, 也是变速空调 系统的重要部件之一3 空调系统的控制技术空气调节系统本身有三大主要调节: 压缩机功率调节, 制冷剂的流量调节和热交换器能力的调节其中压缩机功率调节由变速传动装置完 成, 制冷剂流量则由节流装置( 如电子膨胀阀) 调节, 而热交换器能力( 由风扇等) 调节, 国内目前在控制技术方面采用 传统的比例积分微分 ( PID) 控制较多, 近年来, 模糊控制逐渐成熟, 由于它在空调系统中有三大调节的控制作用, 有取代 PID 控制的趋势。

神经网络控制也开始研究和运用由于空调系统为多输入、 多输出、 多变 量、 多扰动的相互关联的时变复杂系统, 且被调量( 温度、 湿度等) 的控制精度要求不高, 我们认为现阶段在空调器上宜采用模糊控制万福君 266071山东青岛市青岛大学电气及自动化学院低温工况下运行的制冷循环方式的比较X同济大学 张 挺 陈汝东摘 要 对有不同库温要求的冷库的两种循环方式进行了讨论, 比较两者的优缺点, 并提出每种循环方式的适用条件及冷库节能的一些措施关键词 两级制冷循环 节能 中间负荷 中间冷却器1 前言在制冷行业中, 采用环境条件下的空气或水冷凝制冷剂时, 由于其温度限制, 单级压缩的制冷循环可能获得最低的蒸发温度约为- 20～- 30℃, 当需要更低的温度时, 可以采用两级制冷循环来实现随着人们生活水平的提高, 对食品的保鲜提出了更高的要求, 而不同的食品其保鲜 与储藏的温度并不相同, 其工艺流程必须在各自合适的库温下进行, 完成工艺流程的要求, 实现制冷循环, 世界各国都在加紧研究, 力求寻找到最经济合理的循环方式目前, 较广泛采用的循 环方式有两种: 两级制冷循环; 带有中间负荷的两级压缩的制冷循环。

而两级压缩的制冷循环中55 第 27 卷 第 4 期 流 体 机 械X收稿日期: 1998- 12- 16又有两种形式: 一次节流、 中间完全冷却的两级 制冷循环本文主要对一次节流、 中间完全冷却的两级制冷循环和带有中间负荷的两级压缩的制冷循环进行分析比较2 循环流程图 1 一次节流、 中间完全冷却的两级制冷循环流程图 1 为一次节流、 中间完全冷却的两级制冷循环的流程图, 采用氨为制冷剂, 它与单级压缩制冷循环流程的主要区别是大部分制冷剂必须在高、 低压级两只气缸中进行压缩, 因此, 高、 低压级两台压缩机中的制冷剂的质量循环量并不 相同, 在两级制冷循环系统中, 必须增设中间冷却器, 其循环过程如下: 高压级的压缩机吸入来 自中间冷却器中状态 3 的饱和蒸气, 经绝热压缩后为状态 4, 并进入冷凝器中冷凝, 状态 5 的冷凝饱和液体分为两部分: 其中一部分经膨胀阀Ⅰ节流至状态 6( 中间压力为 Pm) , 这些节流后的低温湿蒸气用来冷却另一部分未经节流的饱和液体 5, 以及由低压级压缩机排入中间冷却器中的过热蒸气 2, 这两部分制冷剂的变化分别为5—7 和2—3 过程。

过冷液体 7 一次节流为状态8 的低压湿蒸气, 然后进入蒸发器中吸热、 制冷并气化为状态 1, 这部分蒸气再由低压级压缩机吸入和压缩为状态 2的过热蒸气, 然后排入中间冷却器中冷却为状态 3 的饱和蒸气, 被高压级压缩机再次吸入并进行循环, 该循环过程中各状态 点在 P—h 图上的表示如图 2 所示图 2 一次节流、 中间完全冷却的两级制冷循环 P—h 图图 3 为带有中间负荷的两级压缩的制冷循环的流程图图 3 带有中间负荷的两级压缩的制冷循环的流程此循环的流程图中, 高压级压缩机吸入来自中间冷却器及中间负荷的蒸发器的状态 3( 10)的饱和蒸汽, 经绝热压缩后为状态 4 过热蒸汽,并进入冷凝器中冷凝, 状态 5的冷凝饱和液体进 入贮液器, 在贮液器中, 冷凝液体分为两部分, 一部分仍进行两级循环, 另一部分经膨胀阀Ⅱ节流至状态 9, 直接进入中间负荷蒸发器, 制冷并气 化为状态 10 饱和蒸汽, 它与来自中间冷却器的饱和蒸汽混合后, 被高压级压缩机再次吸入并进行循环, 通过与图 1 的流程图的比较可知, 本循环又增加了一套贮液器、 膨胀阀及蒸发器, 并且 在贮液器中高压的液态制冷剂分为两路: 一路和前者一样完成两级循环; 另一路直接经膨胀阀节56流 体 机 械 1999 年 4 月 流后进入蒸发器, 最后再回到高压压缩机, 完成 单级循环; 整个系统的循环过程看似极其复杂,但经过仔细分析后, 它可以看成是一个单级压缩制冷循环与一个两级压缩制冷循环相叠加, 其中 高温库制冷循环为单级压缩制冷循环, 其循环过程为 3- 4- 5- 6( 9) - 3( 10) ; 低温库制冷循环为两级压缩制冷循环, 其循环过程为 1- 2- 3-4- 7- 8- 1, 与前者是相同的。

整个循环过程中 各状态点在 P—h 图上的表示如图 4 所示图 4 带有中间负荷的两级压缩的制冷循环的流程图3 两种循环方式的理论性能比较根据以上两个系统的 P—h 图及循环的示意图, 我们可以对这两个系统的各项性能进行一下分析、 比较 为了便于比较, 我们首先假设这两个系统的高、 低温库的蒸发温度都相同, 且分别 为- 5℃、 - 30℃, 冷凝温度为 30℃, 过冷度为5℃, 制冷总负荷 Q0为 2000kW, 高低温库的负荷均为 1000kW, 即 Q01= Q02= 1000kW, 其性能指标的理论计算公式如下:3. 1 一次节流、 中间完全冷却的两级制冷循环 ( 1) 蒸发器的制冷剂流量Mr1= Q0/ ( h1- h8) ( kg/ s)( 2) 高压级制冷剂流量Mr= Mr1+ Mr2= Q0( h2- h7) / [ ( h1- h8)×( h3- h6) ] ( kg/ s)( 3) 冷凝器热负荷Qk= Mr( h4- h5) ( kW)( 4) 理论功耗:N1= Mr1( h2- h1) ( kW)N2= Mr( h4- h3) ( kW)式中 hi——各个状态点所对应的焓值( 5) 理论制冷系数:E = Q0/ ( N1+ N2) ( 6) 轴功率Nb= ( N1+ N2) / ( GiGm) ( kW)式中 Gi——压缩机的指示效率Gm——压缩机的机械效率( 7) 容积效率Gv= 0. 94- 0. 085[ ( P2/ P1)1/ m- 1]式中 m——制冷剂的多变指数P1、 P2——压缩机的进出口处的压力( 8) 压缩机单位轴功率制冷量Kc= Q0/ Nb- E GiGm3. 2 带有中间负荷的两级压缩制冷循环对于带有中间负荷的两级压缩制冷循环, 只 有其质量流量与前者有区别, 公式为:( 1) 蒸发器的制冷剂的流量:Mr3= Q02/ ( h3- h6) ( kg/ s)( 2) 高压级制冷剂流量Mr= Mr1+ Mr2+ Mr3= Q01( h2- h7) / [ ( h1-h8)×( h3- h6) ] + Q02/ ( h3- h6) ( kg/ s)计算出的两种循环方式的各项性能指标如 表 1。

表 1两种循环的各项性能指标一次节流、 中间完全冷却两级制冷循环带有中间负荷的两级压缩制冷循环相对百分数 Mr1( kg/ s)1. 160. 83 Mr(kg/s)2. 041. 93Qk( kW)2611. 052412. 57. 6 Vr1(m3/s)1. 60. 8150 Vr2(m3/s)0. 7140. 676 N1( kW)256. 13128. 0750N2( kW)367. 11347. 41N(kW)623. 24475. 4823. 7Nb(kW)923. 12704. 323. 757 第 27 卷 第 4 期 流 体 机 械一次节流、 中间完全冷却两级制冷循环带有中间负荷的两级压缩制冷循环相对百分数 E3. 214. 2131Gva0. 8550. 855Gvb0. 8560. 856Kc2. 162. 8431图 5 高低温库不同负荷时的两种循环耗功比较图 6 高低温库不同蒸发温度时的两种循环耗功比较从图 5、 6 中可以看出, 当高温库的负荷不为零时, 采用带有中间负荷的两级压缩制冷循环代替一次节流、 中间完全冷却的两级制冷循环, 压缩机单位轴功率的制冷量及制冷系数都增加了,且高低温库制冷负荷比越大, 采用带有中间负荷的两级压缩制冷循环代替一次节流、 中间完全冷却的两级制冷循环, 其压缩机单位轴功率制冷量和制冷系数增加越明显; 并且高低温库蒸发温度的变化对制冷系数也有影响, 高低温库的蒸发温度的温度之差较大, 采用带有中间负荷的两级压缩制冷循环代替一次节流、 中间完全冷却的两级制冷循环后, 其制冷系数和压缩机单位轴功率制冷量增加越明显。

这些结果与制冷行业中的一些基本概念和原理也是相一致的当冷凝温度、 冷负荷一定时, 蒸发温度越低, 其制冷系数及压缩 机单位轴功率制冷量越小, 采用带有中间负荷的两级压缩制冷循环代替一次节流、 中间完全冷却的两级制冷循环正是从这个基本概念出发来布 置循环方式的, 它通过设置贮液器对高压制冷剂分流, 其中一部分制冷剂直接节流来供应中间负荷( 高温库) 、 另外一部分制冷剂经过两级压缩,来供应低温负荷, 这种循环方式改变了单纯用低 温制冷剂同时供应高低温库负荷所造成的能量的浪费, 使制冷剂的冷量得到充分的利用从而达到节能、 经济的效果 通过分析上述两个典型的系统在各种工况下的性能, 可以看出采用带有中间负荷的两级压缩制冷循环代替一次节流、 中间完全冷却的两级制冷循环时具有下列特点: ( 1) 在系统的高低温负荷接近时, 其制冷系数增加, 单位耗功量下降, 低压级压缩机的负荷也相应地减小, 同时冷凝负荷也有所下降, 这一方面减轻了冷凝器的压力, 同时也节省了电能, 从而降低了运行费用 2) 必须增加贮液器、 节流阀等一些必要的设备, 从而使系统的初投资有所增加 ( 3) 制冷工质在高温蒸发器中的蒸发压力( 温度) 与两级压缩制冷循环的中间压力( 温度)必须是相适应的, 如果低压级的负荷或高压级的负荷( 运行工况) 不稳定, 则会产生相互影响, 造 成库温的波动, 影响工艺流程的正常进行, 这时可以通过调节阀来控制, 但由于两个冷库负荷的相互关联, 因此, 要达到库温的稳定需要的平衡 时间较长, 且此系统较难实现对库温的自动控制。

4 结论( 1) 当整个系统的高温负荷大于低温负荷时, 建议采用带有中间负荷的两级压缩制冷循 环; 反之, 采用一次节流、 中间完全冷却的两级制冷循环但是, 在实际的工程中选择系统循环方式时, 还应考虑这两种循环方式所需的初投资,要对各个方面的因素进行综合分析、 比较58流 体 机 械 1999 年 4 月 ( 2) 如果一个制冷系统中有多个不同库温要 求的冷库( 即流经各个冷库的制冷工质的蒸发温度均不同) , 为了满足各个冷库相应的库温的要求, 可以采用多个贮液器, 针对不同冷库的各。