热力循环分析

河北工程大学2013～2014学年第二学期研究生课程论文试题课程名称：热力循环分析课程编码：S031D06课程类型：非学位学科专业：供热、供燃气、通风及空调工程学院：城建学院任课教师：王景刚姓名：史旭东学号：10076130094一、课程论文题目：对制冷、热泵和空调系统进行热力循环分析二、基本要求：1．运用热力循环分析的基本方法，对新型制冷、热泵、空调系统、新能源或可再生能源利用方式进行热力循环性能分析，或对热力循环分析的新方法进行评述。2．课程论文应体现技术的新的发展趋势，要求原理正确，材料翔实，论证合理。3．应有支持论证的必要文献，参考文献应不少于6篇。4．论文字数不少于3000字。5．应符合科技论文写作规范。三、课程论文提交日期：2014年8月30日前1/6二氧化碳复叠式制冷循环的热力循环分析摘要：传统复叠式制冷系统所用的工质对主要有是R22/R13、R22/R23、R22/R12等,而这些氟里昂工质会对环境造成很大破坏,是大气层臭氧空洞的元凶,也是促使全球气温变暖的温室气体。本文分析了的CO2热力特性和复叠式制冷循环的优势及应用现状,概述了复叠式制冷循环的原理及组成,从理论和实验两个方面对NH3/CO2和R290/CO2复叠式制冷循环进行了分析,得出了COP以及高低压级质量流量比与蒸发温度、冷凝温度、冷凝蒸发温差之间的关系。关键词：二氧化碳复叠式制冷热力分析COPCO2作为自然工质与氟里昂相比具有独特的环保优势,作为自然环境的组成成分,它的使用不会引入环境问题。而其在复叠式制冷系统中得到广泛的应用是由其热力性质决定的。它具有良好化学稳定性和安全性;无毒无害,不可燃,高温下也不会分解出有毒气体;蒸发潜热大,单位容积制冷量相当高，同时运动粘度低CO2的导热系数高,液体密度和蒸汽密度的比值小。CO2优良的流动性和传热特性,可显著减小压缩机与系统的尺寸,使整个系统非常紧凑。不足之处是CO2较高的临界压力(7.372ＭＰａ),对系统的承压能力以及压缩机都有了更高的要求。作为Ｒ13的替代工质,CO2具有与R13相近的标准沸点与临界温度。复叠式制冷系统中与CO2配对的工质选择了NH3、R290(丙烷)、二元或多元混合物(如CO2与R170(乙烷)或Ｒ1150(乙烯)的混合物)。选择这些工质是因为它们都是自然工质,对环境没有影响,具有良好的热力性质。NH3与氟里昂相比,由于其单位容积制冷量相当高,所以获得相同冷量的NH3制冷系统可以采用较小尺寸的压缩机和换热器,而且功率消耗小,在工业制冷方面已经有了120多年的使用历史,其安全性也得到了证明。R290与R22的热力性能极为相似,它可替代R22,直接灌注于R22的系统设备中。1CO2复叠式制冷系统有CO2参与的复叠式制冷系统主要有以下几种:NH3/CO2复叠式制冷系统R290/CO2复叠式制冷系统、有CO2混合物的复叠式制冷系统等,其系统原理可由图1表示。2/6图1co2复叠式制冷系统示意图对于NH3/CO2复叠式制冷系统和R290/CO2复叠式制冷系统,低温级循环的工质为CO2,高温级循环的工质为NH3或R290;而对于有ＣＯ2混合物的复叠式制冷系统,低温级循环的工质为含有CO2混合物,高温级则可以是CO2。图2为理论循环的lgp-h图。其中Δt为冷凝蒸发温差。图2CO2复叠式制冷理论循环lgp-h图2理论热力循环计算复叠式低温制冷循环由两个单级循环叠加而成。高温制冷剂在高温级系统中循环(图中5-6-7-8-5),低温制冷剂在低温级系统中循环(图中1-2-3-4-1)。高温制冷剂的蒸发和低温级制冷剂的冷凝在同一个冷凝蒸发器中完成,认为传热温差为一定值Δt=5-8℃。理想情况下可认为高温制冷剂的蒸发热量等于低温制冷剂的冷凝热量,即:GL·qc=GH·qG式中:GL为低温级制冷剂单位质量流量,GH为高温级制冷剂单位质量流量,qc3/6为低温级循环的单位冷凝热qc=(h2-h3)(kj/kg);qG为高温级循环的单位制冷量,qG=(h5-h8)(kj/kg)。当低温级循环需要1kg低温制冷工质时,高温级循环所需要的高温制冷工质应是低温制冷剂的α倍,即α=GH/GL=qc/qG在复叠式制冷系统中,低温级制冷量为:Q0=GLqL式中:Q0为复叠式系统的制冷量,kw;qL为低温级的单位制冷量,qL=(ｈ1-ｈ4),KJ/kg。因此,高温级制冷剂的质量流量为:GH=αGL系统所消耗的功由两部分组成,即低温级压缩机输入功N1和高温级压缩机输入功Ｎ2:N1=GL(h2-h1)N2=GH(h6-h5)压缩机的总耗功:Ｎ=Ｎ1+Ｎ2在复叠式制冷循环中,由低温制冷剂蒸发而产生的制冷量为整个系统的制冷量,因此复叠式制冷系统的性能系数:COP=Q0/N3热力分析及比较由lgh-p图分析可得,在蒸发温度和冷凝蒸发温差一定的条件下,系统的COP值随着冷凝蒸发温度和质量流量比的变化而变化,循环存在最佳中间温度(冷凝蒸发)和最优的质量流量比。3.1COP值与冷凝、蒸发温度的关系如果系统的蒸发温度和冷凝蒸发温差一定,则系统的COP值随冷凝温度的升高而减小。当复叠式系统循环的冷凝温度和冷凝蒸发温差一定时,系统的COP值随蒸发温度的升高而增大;若冷凝温度取40℃,冷凝蒸发温差6℃时,几种工质对系统的COP值与蒸发温度之间的关系如图3所示。4/6图3复叠式系统COP值与蒸发温度的关系由图可见ＣＯ2复叠式制冷系统的ＣＯＰ与Ｒ22/Ｒ12系统是比较接近3.2COP值与冷凝蒸发温差的关系当复叠式系统循环的冷凝温度和蒸发温度一定时,循环的COP随低温级冷凝温度的变化而变化,冷凝温度低,低压级的COP升高,而高压级的ＣＯＰ降低,COP存在一个最大值。以Ｒ290/CO2系统为例,通过实验结果分析得出:当冷凝温度为30℃时,R290/CO2系统在不同冷凝蒸发温差下,系统的COP值与蒸发温度之间的关系如图4所示。蒸发温度一定,蒸发冷凝温差越小,系统最大的COP越大;随着蒸发温度的升高,系统最大COP逐渐增大。图4不同冷凝蒸发温差下R290/CO23.3COP值与质量流量比的关系质量流量的大小反映了系统装置的大小,而流量比的大小则反映了高低压系统的相对大小。当系统的冷凝温度和冷凝蒸发温差一定时,蒸发温度升高,低温级的单位质量的冷凝放热量减小,低温级的质量流量必须增大才能满足冷凝蒸发器5/6的热平衡,复叠式系统循环的最佳质量流量比随蒸发温度的升高而升高。当系统的蒸发温度和冷凝蒸发温差不变时,冷凝温度升高,高温级的单位质量的蒸发吸热量减小,高温级的质量流量必须增大才能满足冷凝蒸发器的热平衡,最佳质量流量比随冷凝温度的升高而减小,变化趋势如图5所示。图5R290/CO2系统最佳质量流量比与冷凝温度和蒸发温度的关系4结论对带有CO2的复叠式制冷循环热力性能进行分析,得出系统的最大COP值、最佳质量流量比与蒸发温度、冷凝温度、冷凝蒸发温差之间的关系:(1)蒸发温度和冷凝蒸发温差一定,系统的COP值随冷凝温度的升高而减小;冷凝温度和冷凝蒸发温差一定,系统的COP值随蒸发温度的升高而增大;(2)冷凝温度和蒸发温度一定,系统的COP值随低温级冷凝温度的变化而变化,且存在一个最大值;循环存在最佳中间温度(冷凝蒸发);(3)最佳质量流量比随蒸发温度的升高而升高,随着冷凝温度的升高而减小。6/6参考文献[1]宁静红,马一太,李敏霞.R290/CO2自然工质低温复叠式制冷循环理论分析[J].天津大学学报,2006,39(4).[2]查世彤,马一太,王景刚,等.NH3/CO2低温复叠式制冷循环的热力学分析与比较[J].制冷学报,2002,(2).[3]卢苇,马一太,王志国,等.低温级以CO2为工质的复叠式制冷循环热力学分析[J].天津大学学报,2004,37(3).[4]张术学.CO2/NH3复叠制冷浅析[J].制冷与空调,2006,6(1).[5]牛宝联,张于峰,刘涛等.CO2混合物用于复叠制冷系统的性能[J].天津大学学报,2006,39(12).[6]董彬.自然工质R290/CO2复叠式制冷循环的实验研究[J].天津:天津商学院,2007.