畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）相變波轉(zhuǎn)子自復(fù)疊制冷系統(tǒng)

1、相變波轉(zhuǎn)子自復(fù)疊制冷系統(tǒng)摘 要 傳統(tǒng)的蒸汽圧縮制冷系統(tǒng)在以r718為制冷劑時(shí)，存在著圧縮機(jī)的大圧比和蒸汽過熱問題， 使得共成木較高。本文在提出了一種相變波轉(zhuǎn)子自復(fù)疊制冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用nist.refprop 9.() 比較該制冷系統(tǒng)在不同制冷劑條件下cop,并h將該制冷系統(tǒng)與雙級(jí)蒸汽壓縮制冷、噴射式蒸汽壓縮 制冷以r718制冷劑做比較。比較發(fā)現(xiàn)r718具有非常高的理論cop,且該制冷系統(tǒng)具有高cop,設(shè) 備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單-易開發(fā)的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞r718；相變波轉(zhuǎn)了；白復(fù)疊；cop0前言水(r718)作為一種天然制冷和載冷劑，具有高潛熱、無毒、不燃不爆和環(huán)境友好 特性(全球變暖指數(shù)gwp=0,消耗臭

2、氧潛能值odp=0), r718的理論能效比(cop) 高。隨著蒙特利爾協(xié)議時(shí)間的推進(jìn)，近年來以r718為制冷劑的技術(shù)引起世界廣泛關(guān)注。 根據(jù)kilicarslan和muller"1對(duì)r718與常規(guī)r134a、r22等在系統(tǒng)cop、運(yùn)行成本、制 冷量以及對(duì)環(huán)境的影響等方面的比較，在系統(tǒng)其他參數(shù)相同，冷凝溫度20°c以上和蒸發(fā) 溫度為5°c吋，水作為制冷劑的壓縮系統(tǒng)cop值最高。將r718用于蒸汽壓縮制冷系 統(tǒng)，另一優(yōu)點(diǎn)是制冷劑、載冷劑和冷卻水為同一物質(zhì)，這樣蒸發(fā)器和冷凝器可設(shè)計(jì)成直 接接觸式換熱，換熱效率高。但是，將r718制冷劑用于蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)，需要工作在真

3、空狀態(tài)(在蒸發(fā)溫度 為0°c時(shí)，蒸發(fā)壓力0.61 kpa；冷凝溫度為40°c時(shí)，冷凝壓力為7.4kpa)。由于在真空狀 態(tài)下蒸汽流動(dòng)雷諾數(shù)小(比r134a或r22小約300倍)，升壓吋不利于邊界層保持而易 從壓縮機(jī)的葉片和擴(kuò)壓管處發(fā)生分離，顯著降低擴(kuò)壓效率和輸氣系數(shù)。r718同時(shí)具有 比常規(guī)制冷劑大很多的壓縮比(7.4kpa/0.61kpa,為r134a的2倍)和小很多的容積制 冷量(11.3kj/m3),需要開發(fā)高轉(zhuǎn)速、大排量的專用制冷壓縮機(jī)刪。目前，r718專有制 冷壓縮機(jī)生產(chǎn)技術(shù)多掌握在york、inegral、ide等大公司中。除此z外，水蒸汽 壓縮系統(tǒng)對(duì)于壓縮機(jī)入

4、口處的過熱度非常敏感，其造成的不可逆損失占系統(tǒng)損失的98% (遠(yuǎn)大于r134a的23%)。盡管大壓比工況下采用多級(jí)壓縮、閃蒸式中間冷卻和直接接 觸式換熱器能夠提高cop值，但由于固定投入較大，冃前經(jīng)濟(jì)性仍不如鹵代桂制冷 循環(huán)。上述原因阻礙r718制冷劑在蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，要全面推廣r718蒸 汽壓縮制冷系統(tǒng)，迫切需要一種新型技術(shù)解決大壓比和蒸汽過熱問題。本文提出了相變波轉(zhuǎn)子(phase-transitional wave rotor)自復(fù)疊制冷系統(tǒng)，系統(tǒng)中 的相變波轉(zhuǎn)子是一種基于非定常流動(dòng)的相變波轉(zhuǎn)子設(shè)備，利用其通道內(nèi)產(chǎn)生的激波和膨 脹波的相互作用，完成能量的直接交換，整個(gè)過程絕熱效

5、率會(huì)顯著提高，可有效降低壓 縮機(jī)的壓比和級(jí)數(shù)，有望解決r718單級(jí)系統(tǒng)的大壓比和蒸汽過熱問題。本文將對(duì)文屮 提出的制冷系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析，比較在不同制冷劑條件系統(tǒng)的cop,并且將該制冷與 傳統(tǒng)的雙級(jí)蒸汽壓縮制冷、噴射式蒸汽壓縮制冷比較，得出相變波轉(zhuǎn)子自復(fù)疊制冷系統(tǒng)以r718為制冷劑有巨大的優(yōu)勢(shì)。=11.1制冷循環(huán)系統(tǒng)描述所提出的相變波轉(zhuǎn)子自復(fù)疊制冷系統(tǒng)的示意圖如圖1 (a)所示。該系統(tǒng)由相變波轉(zhuǎn) 子增壓器、蒸汽壓縮機(jī)、冷凝器、高溫節(jié)流閥、不凝氣真空泵、過冷器、低溫節(jié)流閥、 蒸發(fā)器組成，和一般的制冷系統(tǒng)相比增加了相變波轉(zhuǎn)子增壓器，使得r718作為制冷劑 的大壓比和蒸汽過熱問題得以解決。r718在

6、系統(tǒng)屮的運(yùn)行經(jīng)過：通入相變波轉(zhuǎn)子增壓 器驅(qū)動(dòng)蒸汽入口 hp的高壓蒸汽經(jīng)過等爛膨脹過程與通入相變波轉(zhuǎn)子增壓器低壓蒸汽入 口 lp的低壓飽和蒸汽經(jīng)過低于等爛壓縮后等壓混合成中壓蒸汽，然后經(jīng)由增壓蒸汽出 口 mp排出，并進(jìn)入蒸汽壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓過熱蒸汽，經(jīng)冷凝器后以高壓飽和液體 形式分為低溫制冷劑與高溫制冷劑兩股；低溫制冷劑經(jīng)過冷器排出不凝氣并降溫為過冷 液體，通過低溫節(jié)流閥降溫降壓至設(shè)定溫度，以低溫低壓氣液混合物形式進(jìn)入蒸發(fā)器定 壓吸熱轉(zhuǎn)換為低壓飽和蒸汽完成制冷循環(huán)，然后作為相變波轉(zhuǎn)子增壓器的低壓蒸汽；高 溫制冷劑經(jīng)高溫節(jié)流閥降溫降壓后，通入過冷器吸熱，以高溫高壓蒸汽形式作為相變波 轉(zhuǎn)子增壓器

7、的驅(qū)動(dòng)蒸汽。圖1 (b)是相變波轉(zhuǎn)子自復(fù)輕制冷系統(tǒng)的p-h圖，從圖中可以看出點(diǎn)6“處高壓過 熱蒸氣在相變波轉(zhuǎn)子增壓器中等爛膨脹至6h處與點(diǎn)1處的低壓飽和蒸汽在相變波轉(zhuǎn)子 增壓器屮經(jīng)過等爛壓縮至處等壓混合至2點(diǎn)，2點(diǎn)的過熱蒸汽經(jīng)蒸汽壓縮機(jī)壓縮至3 點(diǎn)的高溫高壓過熱蒸汽，然后經(jīng)冷凝器等壓降溫至4點(diǎn)的高壓飽和液體，4點(diǎn)的高壓飽 和液被分成低溫制冷劑和高溫制冷劑兩股：低溫制冷劑經(jīng)過過冷器換熱降溫達(dá)到7點(diǎn)的 高壓過冷液并通過不凝氣泵排出不凝氣，經(jīng)過低溫節(jié)流閥等焙降溫、降壓至8點(diǎn)的低壓 氣液兩相狀態(tài)，通過蒸發(fā)器吸熱制冷后達(dá)到1點(diǎn)的低壓飽和蒸氣完成制冷循環(huán)，然后通 入相變波轉(zhuǎn)子增壓器的低壓蒸汽入口；高溫制冷

8、劑經(jīng)過高溫節(jié)流閥等焙降溫、降壓至5 點(diǎn)的高壓氣液兩相狀態(tài)，經(jīng)過冷器換熱升溫達(dá)到6a點(diǎn)的高壓過熱和蒸汽狀態(tài)并通入相 變波轉(zhuǎn)子增壓器的驅(qū)動(dòng)蒸汽入口。由以上過程可以看到，相變波轉(zhuǎn)子起到了增壓、冷凝 的作用。1.2與多級(jí)vcr系統(tǒng)和vcr-噴射式系統(tǒng)的比較文屮提出的相變波轉(zhuǎn)子自復(fù)疊制冷系統(tǒng)，與圖2所示的兩級(jí)蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)與噴 射式蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)在：（a）增壓波轉(zhuǎn)子預(yù)壓縮作用，降低r718蒸汽壓縮機(jī)的壓比，降低了該壓縮機(jī)開發(fā) 的難度，使得r718-vcr系統(tǒng)推廣成為可能；（b）噴射器式制冷系統(tǒng)相比，基于非定常氣波增壓機(jī)制的增壓波轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的過程效 率遠(yuǎn)高于噴射器。(b)圖2兩級(jí)

9、蒸汽壓縮制冷循環(huán)（a）與噴射式蒸汽壓縮制冷循環(huán)（b）示意圖圖3相變波轉(zhuǎn)了自復(fù)疊制冷系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算步驟（c）波轉(zhuǎn)子具備優(yōu)秀的帶液操作性能，且具冇尺寸小、轉(zhuǎn)速低、易于開發(fā)的設(shè)備開發(fā)優(yōu)勢(shì)。波轉(zhuǎn)子獨(dú)特的雙開口結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，使得我們充分利用驅(qū)動(dòng)蒸汽過度冷凝釋放的潛 熱成為可能。2相變波轉(zhuǎn)子自復(fù)疊制冷系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2. 1基本假設(shè)基本假設(shè)：蒸發(fā)器和冷凝器岀口制冷劑均為飽和狀態(tài)；在蒸發(fā)器、冷凝器、管道中 壓降均忽略；壓縮機(jī)等爛效率取為0.72；用一維氣體動(dòng)力學(xué)激波方程來計(jì)算相變波轉(zhuǎn)子 屮涉及正激波的流體物性參數(shù)，忽略反射激波。2. 2數(shù)學(xué)計(jì)算步驟圖3所示為相變波轉(zhuǎn)子自復(fù)疊制冷系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算步驟。2. 3數(shù)

10、學(xué)模型計(jì)算需要確定的原始輸入?yún)?shù)如表1所示：表1相變波轉(zhuǎn)子自復(fù)疊制冷系統(tǒng)熱力學(xué)分析所需參數(shù)蒸發(fā)溫度tc壓縮機(jī)等爛效率冷凝溫度高溫節(jié)流閥出口壓力過冷器熱股出口過冷度波轉(zhuǎn)子高壓進(jìn)口過熱度3波轉(zhuǎn)子壓比prw各狀態(tài)點(diǎn)的熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算如下：(a) 蒸發(fā)器出口(狀態(tài)點(diǎn)1)t=t片二人 ftj(1)(b) 波轉(zhuǎn)子出口(狀態(tài)點(diǎn)2)£ =片 x prw(2)波轉(zhuǎn)子中高壓蒸汽壓力突降，產(chǎn)生激波，壓縮低壓蒸汽，低壓蒸汽溫度上升，利用 移動(dòng)正激波關(guān)系計(jì)算波轉(zhuǎn)子出口溫度：7；=7；.z.( + a±l) /(1+a11 空)(3)片 a r.-ih. =h(t2,p2)(4)(c) 冷凝器出口(狀態(tài)

11、點(diǎn)4)te，p產(chǎn) pge)，h尸(5)自復(fù)疊循壞總壓比：pq=pj p、(d) 低溫節(jié)流閥出口(狀態(tài)點(diǎn)7)理想節(jié)流閥前后介質(zhì)等焙pi=p 厲=：丿(馬)一石7，h7=h(t1,p1)(6)(e) 蒸發(fā)器進(jìn)口(狀態(tài)點(diǎn)8)% = 14 二片,g =t(&,hj(. 7)液相分率x二人曲(吒)-飩hsai、v( a)- hsatj( a)(f) 壓縮機(jī)出口(狀態(tài)點(diǎn)3)p'=p"壓縮機(jī)壓比： p=pjp2(9)壓縮機(jī)前后介質(zhì)的比定壓熱容和絕熱指數(shù)均變化很小，取壓縮機(jī)進(jìn)口狀態(tài)點(diǎn)的比 定壓熱容和絕熱指數(shù)：/2'h = c/>27；(pc " -1) /jl

12、c(10)耐=m ,石=7"(g，包)(11)(g) 高溫節(jié)流閥出口(狀態(tài)點(diǎn)5)理想節(jié)流閥前后等焙：力5二包，t,=1xp腫(12)液相分率:饑，(&) 一力5仏皿)如(13)(h) 波轉(zhuǎn)子高壓蒸汽進(jìn)口(狀態(tài)點(diǎn)6)p6=p5 t6=tsat,v(pj + athf(14)(i) 系統(tǒng)性能參數(shù)波轉(zhuǎn)子進(jìn)口質(zhì)量比高壓端/低壓端：£二如二如(15)力6 力5蒸發(fā)器制冷量：ql =片_瓜(16)壓縮機(jī)耗功：比=/一包(17)貝 u：cop =魚一(18)(1 +幻叫3結(jié)果與討論圖4所示為文中提出模型系統(tǒng)的cop隨蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的變化。本文進(jìn)行熱 力學(xué)計(jì)算時(shí)根據(jù)自身實(shí)驗(yàn)室得

13、到的數(shù)據(jù)，波轉(zhuǎn)子的壓比取1.40可以看到在波轉(zhuǎn)子壓比 一定的情況下，提高蒸發(fā)溫度或者降低冷凝溫度均可以使得cop增大。由提出的相變波轉(zhuǎn)子自復(fù)疊制冷系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，選取r718、r290、ri34a> r22、r717分別作為制冷劑計(jì)算得到圖5 (a)所示的冷凝溫度7>40°c吋，不同制冷劑 條件下蒸發(fā)溫度與cop的關(guān)系。其中，各制冷劑物性參數(shù)引用自refprop9.0。由圖4 (a)中可以看到，隨著蒸發(fā)溫度的增大，制冷系統(tǒng)cop跟隨增大，這是因?yàn)槔淠龎毫?不變，蒸發(fā)溫度增大即對(duì)應(yīng)蒸發(fā)壓力增大，壓縮機(jī)需要做的功減少，系統(tǒng)制冷量變化不 大,從而導(dǎo)致系統(tǒng)cop增大。在本文所提

14、出的熱力學(xué)模型中，兒種制冷劑的cop由大 到小依次為r718、r717、r290、r22、r134a,另外可以看到在相同蒸發(fā)溫度和冷凝溫 度下，r718作為制冷劑時(shí)cop要明顯大于其它幾種制冷劑，這主要是r718高潛熱所 決定的。圖5 (b)為7>10°c時(shí)，不同制冷條件下冷凝溫度與cop的關(guān)系，cop隨著 冷凝溫度的增大而減小，蒸發(fā)溫度與不變則制冷量不變，冷凝溫度增大則冷凝壓力增大, 壓縮機(jī)需要做的功增大，導(dǎo)致系統(tǒng)cop減小。50圖4制冷系統(tǒng)cop隨蒸發(fā)溫度和冷凝溫度的變化tc/v(a)(b)圖5不同制冷劑條件下的cop隨蒸發(fā)溫度(a)利冷凝溫度(b)的變化圖6所示為不同制冷

15、循環(huán)以r718制冷劑時(shí)的cop的對(duì)比。圖中噴射式制冷循環(huán)、 兩級(jí)蒸汽壓縮循環(huán)以及本文提出的相變波轉(zhuǎn)子自復(fù)疊制冷系統(tǒng)，從圖屮可以明顯看到在 相同的蒸發(fā)溫度和制冷溫度條件下，本文提出的制冷系統(tǒng)的cop具有明顯的提高。表2為蒸發(fā)溫度為10°c,冷凝溫度為4()°c時(shí)三種制冷循環(huán)的系統(tǒng)性能的比較，其 中本文提岀的制冷循環(huán)波轉(zhuǎn)子壓比取為1.4,效率為1；兩級(jí)蒸汽壓縮制冷壓縮機(jī)進(jìn)口過 熱度為1°c,中間壓力取理論中間壓力；噴射式制冷噴射器壓縮比為1.5,效率0.2。表2不同制冷循環(huán)系統(tǒng)性能比較(7>10°c, 7>40°c)相變波轉(zhuǎn)子制冷兩級(jí)蒸

16、汽壓縮制冷噴射式制冷cop6.746.042.57壓縮機(jī)壓比4.296.014.01熱力學(xué)完善度0.710.640.27tc=10'cte=40c109- 10875-3638(b)圖6不同制冷循環(huán)以r718為制冷劑時(shí)的cop隨蒸發(fā)溫度(a)和冷凝溫度(b)的變化i兩級(jí)怎汽圧編噴射式曲級(jí)蒸汽山縮4總結(jié)(1) 相變波轉(zhuǎn)子本身具有增壓和冷凝的作用，因此在蒸汽壓縮制冷中引入相變波 轉(zhuǎn)子使得以r718為制冷劑時(shí)的大壓比和蒸汽過熱問題得以解決；(2) 通過采用不同制冷劑進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)r718理論cop高，且r718本身 對(duì)壞境友好，對(duì)于家庭空調(diào)制冷不存在安全問題；(3) 以r718制冷劑，

17、將相變波轉(zhuǎn)子自復(fù)殼制冷系統(tǒng)與噴射式蒸汽壓縮制冷以及雙 級(jí)蒸汽壓縮制冷的cop相比較，本主題的制冷系統(tǒng)的cop明顯提高：在蒸發(fā)冷凝溫度為 10°c和40°c下，系統(tǒng)cop達(dá)到6. 74,且熱力學(xué)完善度較高。參考文獻(xiàn)11 ali kilicarslan, norbert m.ulle匚 a comparative study of waler as a refrigerant with some cunenl refrigerants. int. j. energy res. 2(x)5; 29:947-959.2 norbcrt muller. design of compr

18、essor impellers for water as refrigerator. ashare transactions: research 2001: 214-222.3 sharon e. wight, tsukasa yoshinaka, brenda a. et al. the efficiency limits of water vapor compressors, arti-21cr/605-10010-01,2000,11.4 袁衛(wèi)星，袁修干，于志強(qiáng).水蒸汽壓縮式制冷機(jī)性能研究j.制冷學(xué)報(bào),2003 (3):16-19.yuan wcixing, yuan xiugan, yu zhiqiang