制冷装置的设计计算

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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
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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。
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(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：
f 8 (8 Re)12 1 ( A B)3 2 1 12
（8-59）
A 2.457 ln 1 [(7 Re)0.9 0.27( d )] 16
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1 2
GC

x

GC2G

1 x GC2L

1 GC2L

vG sG
vL sL
dsL dp
dvL dp
1 vG vL dsG dvG GC2G sG sL dp dp
（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。
1. 压缩机模型 2. 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
1. 压缩机模型
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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
所以
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
v v1 1 k1 p1 p 1
（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
LTP


2D f
ln
v2 v1

v1G
2
p1 1

k1
p2

p1
1 k1 1 k1
ln(
p2 v2 p1v1
)
上面分析过程没有牵涉到外界环境对于实 际装置的影响
所以
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 。
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。
M M SH M TP M SC E M SH hSH M TP hTP M SC hSC
(8-63) (8-64)
式(8-63) 和(8-64) 在一个短的时间步长内积分得：
M 1 M 0 (min mout ) E1 E0 (minhin mouthout q)
式中，下标1和2分别表示过热区的进口和出口参数。
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在实际计算中，为方便起见，取
RT ( p1v1 p2v2 ) 2
(4) 壅塞流
fSH ( f1 f 2 ) 2
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
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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。
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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。
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二、动态负荷计算
参考课本（不要求计算，要知道负荷是动态变化）
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。
B (37530 Re)16 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。
TP x G (1 x) L
（8-60）
(6) 管长计算 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
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3. 蒸发器和冷凝器模型
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，
d
d
M SH MTP M SC
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(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
LSC

2pSC D f SCvSCG 2
（8-49）
式中，pSC表示过冷区压降， 下标SC表示过冷区。
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(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
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。
2. 毛细管模型
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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
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
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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。
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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。
一、静态负荷计算方法 1、 渗入热的计算：
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循环的制冷量 q0 h1 h5 h1 h4
单位容积制冷量
qv

q0 v1
单位理论热负荷 qk h2 h4
制冷系数
q0
w0
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图8-8 为计算单级蒸气压缩制冷循环性能的程序框图。
给T0, Tk, T0, T k赋值
p2 =pK，s2= s1
由T0求p0
（8-51）
k1是一个仅与边界条件相关的常量
k1


p2 v2 p1v1
0.928533

1
v1 v2

1.09156
1
p2 p1



（8-52）
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(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
pv RT constant
（8-53）
式中，T和R分别是绝对温度和气体常数。
由式（5-22）得
RT dv p2 dp
（8-54）
将式（5-22）和（5-23）代入方程（5-17）并积分， 得过热区长度
LSH ( p12 p22 ) (RT) 2G2 ln( p2 p1) d ( fSHG2 ) （8-55)
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
(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：
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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。
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
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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。
对于一维等焓均相流动，有如下控制方程
dp G2dv 1 f vG2dL 2D
（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。
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图8-7 示出了单级蒸气压缩制冷循环的lgp–h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。
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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。
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.
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mcom

Vh
vs
（8-46）
N

m m
1

Vh
pe
(
pc pe
m1
)m
1

/
（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
min mout
(8-61)
源自文库 d
d M SH hSH M TP hTP M SC hSC min hin mout hout q
(8-62)
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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
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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
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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
由p2, s2求T2, h2
T1= T0+T0, p1 =p0 由T1, p1求v1, s1, h1
T4= TK-TK, p4 =pK 由T4, p4求h4
求q0, qv, qk, w0,
由TK求pK
结束
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上述程序的用途
因为 所以
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
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。
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
建立各个部件的模型
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。