用于空调系统的湿空气循环制冷机性能分析_张振迎

ZHANG Zhen y ing (H ebei P o ly techn ic U n iversity, T ang shan 063009, Ch ina)
Abstrac t: The perform ance of mo ist a ir cyc le re frigerator used in a ir cond itioning system w as investig ated. T he components w ere m ode led using the the rmodynam ic relations. The fac to rs on the pe rfo rm ance and sending a ir tem pera ture and hum idity w ere analyzed such as pressure ratio, hum id ity, design ing param eters and e ffic iency o f the components, and the cha racte ristics o f cyc le and som e approaches to im prove the cyc le perform ance have been presented. K ey word s: a ir condition ing; mo ist a ir cyc le re frigerator; perform ance; the rmodynam ic m ode l
3. 4 换热过程
换热器应用效率 - 传热单元数法分析, 忽略 换热器中的 压力损失。传热量 用传 热效率 表示
为:
qh = qh max
( 9)
qmax = h2 - h3min
( 10)
式中 h 换热器的换热效率
qmax 换热器可能的最大换热量
h2 换热器入口热空气的焓值, kJ/ kg
h3min 热空气出口可能的最小焓值, kJ/
p
-
pq, b pq,
b
( 2)
湿空气的焓值 h:
h = cp. g t+ ( r0 + cp. q t )d
( 3)
湿空气的熵值 s:
式中 pq pq, b cp, g cp, q
s= sg - Rg ln(pg ) + dsq
( 4)
空气中水蒸气分压力, Pa
同温度下饱和水蒸气分压力, Pa
干空气的定压比热, kJ/ ( kg! ∀ )
1 前言
在制冷空调领域, 使用天然工质是解决环境 问题的方法之一 [ 1] 。空气无毒无害, 可以自由获 得, 对生态环境无破坏作用, 是最理想的制冷剂, 空气循环制冷机就是以空气作为制冷剂的制冷系 统。在普通空调中, 空气循环制冷机由于其体积 庞大, 性能低下, 使其应用推广受到了一定限制。 但随着 CFC 工质的禁用, 空气循环制冷机再次受 到关注, 近年来先后有很多学者进行了空气制冷 装置和技术的研究及试验, 应用范围涉及住宅、列 车空调、食品冷冻和冷藏等几乎所有的制冷空调 技术领域 [ 2] 。其中研究者们对空气循环制冷机进 行了大量的研究, 文献 [ 3] 探 讨了空气循环制冷 机在列车制冷系统中的应用, 并通过实验得出部 件效率、换热器压降对制冷系数都有显著影响, 其 中透平膨胀机的效率影响最大; 文献 [ 4、5] 对空气 循环制冷机的性能进行了分析。以上的研究者为
表 1 循环中各状态点的参数值
状态点 p ( 10- 1M P a)
1
1
2
2
3
2
t( ∀ ) 28
105. 7 43
d( g /kg ) 14. 44 14. 44 14. 44
4
1
5
1
10. 6
8
10. 6
8
表 2 循环的性能参数
性能参数 压缩机单位功 w c ( kW / kg) 膨胀机单位功 w e ( kW / kg)
单位制冷量 q ( kW /kg) 单位除湿量 !d ( g /kg)
性能系 数 COP
数值 80. 2 49. 6 22. 3 6. 44 0. 815
可以看出, 系统温降和除湿过程主要发生在 3 - 4过程, 即膨胀过程。循环中 的最高温度可达 105. 7∀ , 最终送风状态点的温度为 10. 6∀ , 含湿 量为 8g / kg, 送风温度和送风含湿量要低于常规空 调系统, 因此建议采用低温送风技术。循环的单 位制冷量为 22. 3kW /kg, 单位除湿量为 6. 44g /kg。 循环性能系数 COP 为 0. 815, 要小于常规空调用 制冷系统的性能系数。但是空气制冷机的优势在 于其优良的环境特性和简易的工艺流程, 特别适 用于某些特殊场合, 比如列车空调氟利昂泄漏严 重, 对制冷系数要求不是很高, 而对系统稳定性和 可靠性要求高。另外, 空气循环 制冷机的性能还 有很大的提高潜力, 下面分析了主要因素对循环 性能的影响, 进而研究提高循环效率的途径, 以其 优化制冷机性能。 4. 2 压比对循环的影响
水蒸气的定压比热, kJ/ ( kg! ∀ )
r0 0∀ 时水的汽化潜热, r0 = 2500kJ /kg sg 一定温度下干空气的熵,
kJ/ ( kg! ∀ )
Rg 干空气气体常数, kJ/ ( kg! ∀ )
pg 空气中干空气的分压力, P a
sq 湿空气水蒸气的比熵, kJ/ ( kg! ∀ )
4 结果与讨论
4. 1 循环的各状态点参数变化 循环的各状态点参数变化如表 1所示。 表 1、2中假设 1点温度为 28∀ , 相对湿度为
60% , 5点温度为 32∀ , 压缩机和膨胀机等熵效率 都为 85% 、换热器换热效率为 85% 、水分离器的 分离效率为 100% 、压比为 2时的模拟结果。表 1 中示出了系统中各点的压力、温度和湿度变化。
3 湿空气计算模型的建立
3. 1 湿空气的状态参数计算
根据湿空气热力学理论, 湿空气独立的状态
参数有 3个, 因此求出某一状态的 3 个相互独立
的参数, 其它状态参数也就可以确定。在以下的
各状态点热力参数计算中, 用到的计算式:
相对湿度:
= pq 100%
( 1)
pq, b
含湿量 d:
d=
0.
622
pq, b可用经验公式求得, 即:
7. 45t
pq, b = 602. 4 10235+ t
( 5)
3. 2 混合过程
压缩机入口 1点的空气状态参数, 根据新风
O 和回风 R 的状态参数混合确定。 3. 3 压缩过程
压缩机的出口压力、出口温 度和压缩机所耗
单位功分别为:
p 2 = p1
( 6)
T 2 = T 1 { 1+ [ ( k- - 1) /k 1] }
76
FLU ID MACH INERY
文章编号: 1005 0329( 2008) 03 0076 05
Vo l 36, No 03, 2008
用于空调系统的湿空气循环制冷机性能分析
张振迎
(河北理工大学, 河北 唐山 063009)
摘 要: 针对用于空调系统中的湿空气循 环制冷 机性能 进行了 数值模 拟研究, 对循 环中各 部件建 立了热 力学 计算模
图 2中示出了压比对循环性能的影响。图 2 ( a) 中示出了送风状态随压比的变化, 可以看出, 把工质看作干空气时, 送风温度随着压比的增大 迅速下降, 当压比为 2时, 已经下降到了 0∀ 以下。 而湿空气循环送风温度下降缓慢, 压比接近 3时, 送风温度才接近 0∀ , 这主要是因为湿空气时, 随 和压比增大和出口温度降低, 膨胀机出口空气达 到饱和, 开始出现水蒸气凝结, 水蒸气的凝结热使 得膨胀机出口空气温度相对干空气上升, 并且下 将减缓, 这样就使得湿空气循环不仅能降温, 而且 能除湿。由图可以看出压比等于 1. 4时, 膨胀机 出口开始 析湿, 随压比增 大, 送 风含 湿量不 断减 小。图 2( b) 中示出了性能系数 COP 和单位制冷 量 q随压比的变化。可以看出, 循环中存在一个 最佳压比 opt, 此时性能系数最大, 而且当压比小 于最佳压比时, 制冷系数迅速下降; 当压比大于最 佳压比时, 制冷系数下降逐渐变缓。而且还可以 看出压比越大, 单位制冷量 q越大。
( 7)
c
wc = ( h2a - h1 )
( 8)
c
式中 p2 压缩机出口压力, bar
循环压力比
T 2 压缩机出口温度, K k 等熵指数
c 压缩机等熵效率 h2a 等熵过程压缩机出口焓值, kJ/ kg w c 压缩机所耗单位功, kW /kg 进出口湿空气的焓值根据式 ( 3)进行计算, 压 缩过程空气的含湿量保持不变。
kg
对于显热换热器来说, h3min可利用热空气出口 时的压力、含湿量和冷空气的入口温度 求得。对
于全热换热器, 因为热空气会被冷却到露点温度,
所以 h3m in应根据热空气出口时的压力、冷空气的 入口温度和相对湿度为 100% 求得。 3. 5 膨胀过程
膨胀过程应用等熵效率模型, 膨胀机输出的
单位功为:
了研究方便, 都是把循环工质近似为干空气进行 研究, 而忽略空气湿度的影响。文献 [ 6] 讨论了 空气制冷系统在列 车空调中的应用, 文献 [ 7 ] 讨 论了空气制冷循环在除湿装置中的应用, 并且都 把循环工质看作了湿空气, 但只是对循环流程的 简单参数计算, 并没有深入分析循环特性。
当空气循环制冷机用于空调系统中时, 往往 根据实际情况布置成开式, 此时制冷工质为湿空 气, 由于循环的压力和温度变化, 空气的湿度也在 变化, 空气湿度对循环的影响不可忽略。针对上 述情况, 本文建立了湿空气热力计算模型, 对逆布 雷顿湿空气循环制冷机在空调中的应用进行了研
型, 分析了循环压比、空气湿度 、设计参数、部件效率等相关因素对循环 性能和送 风温湿度的 影响, 指出了 湿空气 循环制
冷机的特性和提高效 率的途径。
关键词: 空调; 湿空气循环制 冷机; 循环性能; 热力模型
中图分类号: TB657
文 献标识码: A
P erform ance Analysis ofM o ist A ir Cycle R efrigerator U sed in A ir C ond ition ing System
2008年第 36卷第 03期
流体机械
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2 循环流程分析 图 1所示为制冷机的流程示意。
图 1 用于空调系统的湿空气循环制冷机 流程示意
因为循环工质为空气, 相对传统的蒸汽压缩 制冷循环省掉了室内换热器。为了提高循环的效 率, 充分利用排风能量, 使室内排风和环境空气的 混合气流冷却高压换热器。
被分离, 此过程近似为等温过程, 水分离其的出口
焓值为:
hs = h4 - hw
( 13)
式中 hw 水分离器分离出的水的焓值, kJ/ kg
3. 7 循环分析
循环单位制冷量:
q = hR - hs
( 14)
循环所耗单位净功:
w0 = wc- we
( 15)
循环性能系数:
COP = q /w0
( 16)
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FLU ID MACH INERY
Vo l 36, No 03, 2008
式中 h3 h 4a
w e = e ( h3 - h4a )
( 11)
膨胀机入口焓值, kJ/kg
等熵过程膨胀机出口焓值, kJ/kg
e 膨胀机的等熵效率 膨胀机的出口焓值为:
h4 = h3 - Leabharlann Baidue
( 12)
膨胀机的出口状态分为 两种情况: 干式膨胀
究, 采用 EES 软件 及最新物 性数据库 REFPROP 进行计算 [ 8、9] , 不仅分析了循环中空气湿度的变化 情况, 而且分析了相关因素对循环性能和送风温 湿度的影响, 以期发掘空调用湿空气循环制冷机 的特性和提高循环性能的方法。
收稿日期: 2007 08 03 修稿日期: 2007 09 11
由于空气热容小, 单位体积制冷量很小, 使得 设备体积庞大, 由图 2( b)可看出, 要增大单位体
2008年第 36卷第 03期
和湿式膨胀。如果膨胀过程中, 空气没有水分析
出, 称之为干式膨胀, 这种情况下, 膨胀机出口空
气含湿量等于入口空气含湿量。如果膨胀过程中
出口温度低于出口压力对应的饱和温度, 那么膨
胀过程中有水分析出, 称之为湿式膨胀, 这时候出
口空气的状态按相对湿度为 100% 确定。
3. 6 水分离过程 4点过饱和的工质经水分离器, 其中的冷凝水