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1、 第八章第八章 制冷装置的设计计算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 USST2、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用冷场合的冷负荷冷负荷是指为了使冷间内的空气温度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。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：渗入热的计算：IRT of USSTIR
2、T of USSTIRT of USSTIRT of USSTIRT of USSTIRT of USST 是指冻结货物由于运输途中受热，部分解冻融化，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。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。足室内人员的卫生要求。 根据我国有关规定，通风量应按每
3、人每小时根据我国有关规定，通风量应按每人每小时30m3的新的新鲜空气来计算。鲜空气来计算。IRT of USSTIRT of USSTIRT of USSTIRT of USST参考课本（不要求计算，要知道负荷是动态变化）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冷负荷是指为了使冷间内的空气温度达到所要求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。的值而需要的冷量。得热得热是指冷间内得到来自各种因素所产生的热量。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，从动态观点看，虽然得热是产生冷负荷的根源，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
4、会马上引起冷间内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。负荷并不完全相等。IRT of USST 第三节第三节 单级压缩制冷循环的计算机模拟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、家用空调最常见的制冷装置如家用冰箱、家用空调器等均采用器等均采用单级蒸气压缩制冷循环。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
5、化的制冷循环模拟，可以作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。为实际制冷装置模拟的基础。 IRT of USST IRT of USST 图图8-7 示出了单级蒸气压缩制冷循环的示出了单级蒸气压缩制冷循环的lgph图图。查表查表可以计算出所要求的各个量，但每次可以计算出所要求的各个量，但每次计算都比较复杂计算都比较复杂 。用计算用计算机计算机计算 虽然编程需要花时间，但以后每次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。变时的分析特别能体现出其优势。 假定输入参数为假定输入参数为4 4个：蒸
6、发温度个：蒸发温度TeTe，冷凝温度冷凝温度TcTc，压压缩机吸气过热度缩机吸气过热度 TeTe，冷凝器过冷度冷凝器过冷度 TcTc。按理论循环的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，节流过程为等焓阻力忽略不计。压缩过程为等熵过程，节流过程为等焓过程。过程。循环的制冷量循环的制冷量 单位容积制冷量单位容积制冷量 单位理论热负荷单位理论热负荷 制冷系数制冷系数 IRT of USST图图8-8 8-8 为计算单级蒸气压缩制冷循环性能的程序框图为计算单级蒸气压缩制冷循环性能的程序框图。由T0求p
7、0T1= T0+T0, p1 =p0由T1, p1求v1, s1, h1由TK求pKp2 =pK，s2= s1由p2, s2求T2, h2T4= 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上述程序的用途上述程序的用途因为因为该种计算中只需要知道制冷工质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以及具体的装置结构均无关 所以所以可以方便地求出当蒸发温度、冷凝可以方便地求出当蒸发温度、冷凝温度、压缩机吸气过热度、冷凝器温度、压缩机吸气
8、过热度、冷凝器过冷度变化时，理论制冷循环性能过冷度变化时，理论制冷循环性能的变化的变化 现经常被用来比较不同工质的性能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使用上述方法存在的问题因为因为对于一般的制冷装置来讲，当蒸发温度、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，定值假定是不冷凝器过冷度也会变化，定值假定是不符合实际情况的。符合实际情况的。所以所以上面分析过程没有牵涉到外界环境对于实上面分析过程没有牵涉到外界环境对于实际装置的影响际装置的影响方法虽然简单，但同实际装置性
9、能之方法虽然简单，但同实际装置性能之间是有差距间是有差距 ，不能预测外界环境变化不能预测外界环境变化时制冷装置的性能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单级压缩蒸气制冷装置的计算机模拟拟 部件模型部件模型 在在计计算算机机模模拟拟时时，并并不不能能任任意意指指定定状状态态，如如蒸蒸发发温温度度、冷冷凝凝温温度度、过过热热度度、过过冷冷度度，而而是是应应该该能能把把这这些些参参数数正正确确地地计计算算出出来来。在在模模型型和和算算法法的的选选取取上上，应应当当根根据据实实际际需需要要，在在精精度度、计计算算稳稳定定性性和和运运算算速速度之间达到平衡。
10、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。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建立各个部件的模型 1.压缩机模型压缩机模型 2.毛细管模型毛细管模型 3.3. 蒸发器和冷凝器模蒸发器和冷凝器模型型 4.4. 围护结构模型围护结构模型5.5. 充注量计算模型充注量
11、计算模型要求要求模拟压缩机开机过程到系统接近稳定的整个过程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则主要是要预测制冷剂状态及制冷量随时间的变化 1. 1. 压缩机模型压缩机模型 对于制冷装置来讲，活塞在一个运转周期对于制冷装置来讲，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，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压缩机
12、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功率则可根据理论功和压缩机的效率确定.所以所以IRT of USST（8-46） （8-47） 上面式中，上面式中，mcom，N分别表示压缩机的制分别表示压缩机的制冷剂流量与功率；冷剂流量与功率； ，Vh， 分别为压缩机的分别为压缩机的输气系数、理论容积输气量，电效率；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、分别表示冷凝压力、蒸发压力、吸气比容、多变指数。吸气比容、多变指数。 IRT of USST2. 2. 毛细管模型毛细管模型 毛细管中制冷剂的流速很高，制冷剂流过毛细毛细管中制
13、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其模型采用稳态模型 因为因为管内流体流动的高度非线性，各种较为精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且存在计算的稳定性问题 所以所以建立精确，同时又简单、通用的毛细管建立精确，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模型对于实际装置的设计与优化具有重要意义要意义 IRT of
14、 USST对于一维等焓均相流动，有如下控制方程对于一维等焓均相流动，有如下控制方程 （8-48） 式中，式中，p, v, G分别为流体的压力、分别为流体的压力、比容和质流密度，比容和质流密度，D和和L分别为毛细管分别为毛细管内径和长度，内径和长度，f为沿程摩阻系数。为沿程摩阻系数。 下面介绍的绝热毛细管的近似积分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。模型是一种较好的模型。 IRT of USST(1) 过冷区模型过冷区模型 过冷区液体比容和沿程摩阻系数可过冷区液体比容和沿程摩阻系数可认为不变，对上式积分，得过冷区长度认为不变，对上式积分，得过冷区长度 （8-49） 式中，式中，
15、pSC表示过冷区压降，表示过冷区压降，下标下标SC表示过冷区。表示过冷区。 IRT of USST(2) (2) 两相区模型两相区模型 用用p1和和v1表示两相区的进口压力和比容，表示两相区的进口压力和比容，p2和和v2表示两相区的出口压力和比容。建立如下经表示两相区的出口压力和比容。建立如下经验方程验方程 （8-50） 因因沿沿程程摩摩阻阻系系数数f变变化化不不大大，故故在在积积分分过过程程中中设设为为定定值值，取取进进出出口口摩摩阻阻系系数数之之算算术术平平均均。得二相区长度得二相区长度（8-51） k1是一个仅与边界条件相关的常量是一个仅与边界条件相关的常量（8-52） IRT of U
16、SST(3) 过热区模型过热区模型 对于低压下的过热气体，可近似看作理想气体。因此在等焓等焓过程中温度不变温度不变 （8-53） 式中，式中，T和和R分别是绝对温度和气体常数。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，下标式中，下标1和和2分别表示过热区的进口和出口参数。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，取在实际计算中，为方便起见，取 (4) (4) 壅塞流壅塞流 当当工工质质在在毛毛细细管管出出口口处处的的流流速速达达到到当当地地音音速速时时，毛细管处于壅塞流动。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此时毛细管出口压力大于或等于背压 背背压压的的降降低低对对毛毛细细管管质质流流率率已已无无影影响响。此此时时的的质质流流率率GC称称为为毛毛细细管管的的壅壅塞塞质质流流率率或或临临界界质质流流率率，可按式（可按式（8-568-56）至（）至（8-578-57）计算）计算 IRT of USST（8-56） （8-57）
