制冷装置的设计计算课件.ppt
第八章 制冷装置的设计计算,第一节 制冷装置的设计原则,一、基本原则1.按使用要求和使用条件设计2.保证在一定工况范围内的稳定性3.寻求性能与经济性优化,IRT of USST,2、制冷装置设计的一般步骤,一、确定装置类型结构二、按设计工况确定负荷三、制冷设备设计四、非设计工况校核,IRT of USST,第二节 冷负荷计算,用冷场合的冷负荷是指为了使冷间内的空气温度达到所要求的值而需要的冷量。,IRT of USST,一、静态负荷计算方法,1、渗入热的计算：,IRT of USST,IRT of USST,IRT of USST,IRT of USST,IRT of USST,IRT of USST,是指冻结货物由于运输途中受热，部分解冻融化，而用制冷装置再次冷却、冻结它，使它回复到原来的冻结状态。,IRT of USST,一方面，为保持蔬菜和水果的新鲜，要维持冷间空气中的氧含量。另一方面，外界新鲜空气的通风量还必须满足室内人员的卫生要求。根据我国有关规定，通风量应按每人每小时30m3的新鲜空气来计算。,IRT of USST,IRT of USST,IRT of USST,IRT of USST,参考课本（不要求计算，要知道负荷是动态变化）,二、动态负荷计算,冷负荷是指为了使冷间内的空气温度达到所要求的值而需要的冷量。得热是指冷间内得到来自各种因素所产生的热量。从动态观点看，虽然得热是产生冷负荷的根源，但由于进入冷间内的得热并不会马上引起冷间内空气温度的变化，当中存在延迟，因此得热与冷负荷并不完全相等。,IRT of USST,第三节 单级压缩制冷循环的计算机模拟,一、单级压缩蒸汽制冷循环的计算机分析,IRT of USST,第三节 单级压缩蒸气制冷循环的计算机模拟,最常见的制冷装置如家用冰箱、家用空调器等均采用单级蒸气压缩制冷循环。,对于单级蒸气压缩制冷理论循环的计算机分析是一种非常简化的制冷循环模拟，可以作为实际制冷装置模拟的基础。,IRT of USST,IRT of USST,图8-7 示出了单级蒸气压缩制冷循环的lgph图。,查表,可以计算出所要求的各个量，但每次计算都比较复杂。,用计算机计算,虽然编程需要花时间，但以后每次计算特别快，这对于工况等参数改变时的分析特别能体现出其优势。,假定输入参数为4个：蒸发温度Te，冷凝温度Tc，压缩机吸气过热度Te，冷凝器过冷度Tc。按理论循环的假设条件，蒸发温度和冷凝温度均为定值，系统的流动阻力忽略不计。压缩过程为等熵过程，节流过程为等焓过程。,循环的制冷量,单位容积制冷量,单位理论热负荷,制冷系数,IRT of USST,图8-8 为计算单级蒸气压缩制冷循环性能的程序框图。,由T0求p0,T1=T0+T0,p1=p0,由T1,p1求v1,s1,h1,由TK求pK,p2=pK，s2=s1,由p2,s2求T2,h2,T4=TK-TK,p4=pK,由T4,p4求h4,求q0,qv,qk,w0,结束,给T0,Tk,T0,T k赋值,IRT of USST,上述程序的用途,因为,该种计算中只需要知道制冷工质的热力性质，与工质的传输性质以及具体的装置结构均无关,所以,可以方便地求出当蒸发温度、冷凝温度、压缩机吸气过热度、冷凝器过冷度变化时，理论制冷循环性能的变化,现经常被用来比较不同工质的性能,IRT of USST,使用上述方法存在的问题,因为,对于一般的制冷装置来讲，当蒸发温度、冷凝温度变化时，其压缩机吸气过热度、冷凝器过冷度也会变化，定值假定是不符合实际情况的。,所以,上面分析过程没有牵涉到外界环境对于实际装置的影响,方法虽然简单，但同实际装置性能之间是有差距，不能预测外界环境变化时制冷装置的性能变化。,IRT of USST,单级压缩蒸气制冷装置的计算机模拟,部件模型,在计算机模拟时，并不能任意指定状态，如蒸发温度、冷凝温度、过热度、过冷度，而是应该能把这些参数正确地计算出来。在模型和算法的选取上，应当根据实际需要，在精度、计算稳定性和运算速度之间达到平衡。,对于一个简单的单级蒸气压缩制冷装置，设其由往复活塞式压缩机、毛细管、冷凝器与蒸发器这四大件组成。蒸发器与换热器均采用干式换热器，其本身热容可以忽略不计，这两个换热器均采用温度不变的空气冷却。,建立各个部件的模型,压缩机模型 毛细管模型 3.蒸发器和冷凝器模型 4.围护结构模型5.充注量计算模型,要求,模拟压缩机开机过程到系统接近稳定的整个过程,则主要是要预测制冷剂状态及制冷量随时间的变化,1.压缩机模型,对于制冷装置来讲，活塞在一个运转周期中的流量的变化，是一个频率过高的信号，,可以取每个周期的平均值来滤掉该高频信号,压缩机进出口状态对于压缩机流量的影响是没有时间迟延的,压缩机流量计算的模型可以采用稳态模型,功率则可根据理论功和压缩机的效率确定.,所以,IRT of USST,（8-46）,（8-47）,上面式中，mcom，N分别表示压缩机的制冷剂流量与功率；，Vh，分别为压缩机的输气系数、理论容积输气量，电效率；pc，pe，vs，m分别表示冷凝压力、蒸发压力、吸气比容、多变指数。,IRT of USST,2.毛细管模型,毛细管中制冷剂的流速很高，制冷剂流过毛细管所需要的时间也远小于系统的时间常数，因此毛细管进出口状态的影响也可以认为是即时的,其模型采用稳态模型,因为,管内流体流动的高度非线性，各种较为精确的分布参数模型在数值求解时速度较慢且存在计算的稳定性问题,所以,建立精确，同时又简单、通用的毛细管模型对于实际装置的设计与优化具有重要意义,IRT of USST,对于一维等焓均相流动，有如下控制方程,（8-48）,式中，p,v,G分别为流体的压力、比容和质流密度，D和L分别为毛细管内径和长度，f为沿程摩阻系数。,下面介绍的绝热毛细管的近似积分模型是一种较好的模型。,IRT of USST,(1)过冷区模型,过冷区液体比容和沿程摩阻系数可认为不变，对上式积分，得过冷区长度,（8-49）,式中，pSC表示过冷区压降，下标SC表示过冷区。,IRT of USST,(2)两相区模型,用p1和v1表示两相区的进口压力和比容，p2和v2表示两相区的出口压力和比容。建立如下经验方程,（8-50）,因沿程摩阻系数f变化不大，故在积分过程中设为定值，取进出口摩阻系数之算术平均。得二相区长度,（8-51）,k1是一个仅与边界条件相关的常量,（8-52）,IRT of USST,(3)过热区模型,对于低压下的过热气体，可近似看作理想气体。因此在等焓过程中温度不变,（8-53）,式中，T和R分别是绝对温度和气体常数。,由式（5-22）得,（8-54）,将式（5-22）和（5-23）代入方程（5-17）并积分，得过热区长度,（8-55),式中，下标1和2分别表示过热区的进口和出口参数。,IRT of USST,在实际计算中，为方便起见，取,(4)壅塞流,当工质在毛细管出口处的流速达到当地音速时，毛细管处于壅塞流动。,此时毛细管出口压力大于或等于背压,背压的降低对毛细管质流率已无影响。此时的质流率GC称为毛细管的壅塞质流率或临界质流率，可按式（8-56）至（8-57）计算,IRT of USST,（8-56）,（8-57）,（8-58）,式（8-56）至（8-58）表明毛细管的临界质流量只是当地干度和制冷剂热物性的函数，而与毛细管结构尺寸无关。式（8-57）和（8-58）可以由制冷剂热物性数据拟合成关联式。另外，为了简化计算，若在过冷流动或过热流动中发生壅塞，分别按饱和液体和饱和气体处理。,IRT of USST,(5)其他参数的确定,对于毛细管流动的沿程摩阻系数 f 的计算，采用Churchill关联式：,（8-59）,上面关联式可覆盖整个Re数区域，且考虑了毛细管内粗糙度的影响，一般毛细管相对粗糙度约为3.27104。对于两相区的动力粘度TP按下式计算。,（8-60）,IRT of USST,(6)管长计算,(7)质流量计算 在装置仿真中，毛细管的结构尺寸都是已知的，而需要求得的是流量等参数。其基本实现步骤如下：,在进口状态及出口背压已知条件下,先要确定进口有无过冷，过冷度有多大,一般情况：,毛细管进口为过冷，出口为二相,管长=过冷区管长+二相区的管长,其它情况：,先确定存在哪几相,总的管长=各相的长度之和,步骤1：假设毛细管的出口压力等于其背压，结合进口条件，确定毛细管内是否存在过冷、两相或过热流动区域及存在的各流动区域的进、出口状态，并求出毛细管出口为背压时的壅塞质流率G0。,步骤2：假定毛细管的流量为G0，对于存在的各流动区域，计算该区域的长度，并将不同流动区域的计算长度相加后得到毛细管的计算长度。,步骤3：将毛细管的计算长度与实际长度比较。若计算长度在误差限之内，则毛细管出口的压力等于背压，质流率等于G0。若计算长度偏长，则说明实际质流率大于G0，毛细管的出口压力高于背压，此时需要重新假定新的出口压力，重复以上的过程。若计算长度偏短，则说明实际质流率小于G0，不出现壅塞，出口压力等于背压，此时只要在小于G0的质流率范围内搜索一个正确的质流率。,IRT of USST,3.蒸发器和冷凝器模型,(8-61),(8-62),建模与求解中忽略蒸发器与冷凝器中制冷剂的阻力损失，制冷剂两相区的温度可近似认为是一致的,因此系统不必采用分布参数模型，只要将两器按过冷、二相、过冷分成几个大块即可。,对于冷凝器，根据制冷剂的质量和能量守恒方程式，,IRT of USST,其中，M,h,m分别为制冷剂的质量、焓和质流率；q为总的热流；下标SH,TP和SC分别表示换热器的过热区、两相区和过冷区。令,(8-63)(8-64),式(8-63)和(8-64)在一个短的时间步长内积分得：,(8-65)(8-66),式中，上标1和0分别表示当前时刻和上一时刻的物理量。,IRT of USST,当进出口流量、进口焓值已知时，冷凝器中其它参数仍然需要通过迭代才能确定。对于上述模型进行求解的一种较为稳定的算法是质量引导法，把质量平衡作为迭代标准。,IRT of USST,估计一个冷凝压力,根据能量守恒方程式计算出高压侧制冷剂的状态和质量，从而可得高压侧的制冷剂总质量,将该值和由式(5-34)计算出的质量值进行比较,误差小于允许范围,yes,依次计算出其他状态参数,no,单级压缩蒸汽制冷装置的计算机模拟图,IRT of USST,参看教材,第四节 制冷装置的特性分析,一、压缩制冷机组的性能分析,IRT of USST,1、压缩冷凝机组的性能分析,IRT of USST,数学分析：,IRT of USST,IRT of USST,IRT of USST,IRT of USST,2、单元制冷机组的特性分析,单元制冷系统由制冷压缩机、冷凝器、节流机构和蒸发器组成。,IRT of USST,IRT of USST,IRT of USST,3、热泵特性分析,制冷量、蒸发温度、冷凝器进风温度、蒸发器进风温度的关系,IRT of USST,制冷量、膨胀阀容量关系,IRT of USST,风冷热泵的容量确定：,IRT of USST,IRT of USST,第五节 制冷装置优化与计算机辅助设计,参考教材（不要求）,IRT of USST,
