开式蒸发压缩制冷系统的空气调节和冷水制冷.docx
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开式蒸发压缩制冷系统的空气调节和冷水制冷
水冷开式空气—蒸汽压缩制冷空调系统
摘要
这篇文章介绍的是开式蒸发压缩制冷系统的空气调节和冷水制冷，并通过性能模拟来证实它的可行性。
窄点技术运用在表面换热器的换热分析中，夹点处的温差选择为60C。
它的冷冻主要依靠空气和水蒸气，比一个常规的空气循环更有效，涡轮机的使用使它成为可能。
这个系统能利用冷水制冷，而不能直接利用来进行冷却空气。
并且，这个系统的热减弱可以用来把冷水加热到33--400C。
COP的灵敏度分析用ηc和ηt表示，而且模拟结果显示了这个系统的T4、T7、T8、q1、q2和Wm。
这个模拟结果显示这个系统的COP主要依靠T7、ηc和ηt而且随着T3或Twet的变化而变化，这个循环在一些区域里是可行的，虽然这个COP对轴流式压缩机和涡轮机的效率很敏感。
在这个系统中的最适度的压力比越低，会引起轴流式压缩机更低的级数。
调整轴流式压缩机的转速能够轻易地控制压缩比，质量流率和制冷量。
这个系统的采用将会使空调室更加舒适，而且由于获得非常低的空气温度，所以降低了初期投资。
对于中央空气调节来说湿空气是一种理想的工作流体，而且可以免费地利用。
由于在涡轮机前利用冷水冷冻空气使得这个系统效率更高。
另外，窄点技术是分析湿空气与水进行热交换的好方式。
关键词：
涡轮机空气循环空气调节天然工作流体冷却夹点技术
引言
当从给水系统和地下水得到的水温是170C而且再次充装地下水可以更低时，在中国中部的夏天室外温度能够达到38-400C。
这些水域对人类太冷以至于在旅店不能直接用来沐浴，而且沐浴用水一般通过锅炉加热。
如果这些水习惯用来直接冷却空气调节系统的空气，由于小的温差和大的耗水量它就不会有什么效率。
以前空气压缩制冷循环系统被研究了很长的时间。
在冷冻过程中一些缺点阻止了空气被用来当作工作流体。
这些包括低量制冷量可能需要一个大的压缩机和低压的COP，因为压缩机和扩展器的低效率。
1930年CFC的发明后，人类很少注意空气压缩制冷。
最近，作为臭氧层被CFC破坏的结果和环境防护的压力，研究空气制冷循环已经受到更多的注意了。
空气循环的最佳方案是通过利用有限时间热力学或熵最小化来实现的。
术语
B湿空气压力PaR气体常数kJ/kg.K
D湿空气的湿度比kJ/kgn指数
H湿空气的焓kJ/kg
P压力Pa下标
T温度K/℃air干空气
Twet湿球温度K/℃vapor湿空气中的水蒸气
Wc压缩机的理想输入功Pas饱和的
Wt涡轮机的理想输出功kJ/kglast上次
Wm系统消耗的实习作业kJ/kghot热水流
ηc压缩机的效率cold冷水流
ηt涡轮机的效率w水
随着航空工业的发展，高效率的轴流式压缩机和涡轮机已经变成了现实。
现在，单级轴流式压缩机和涡轮机的停滞等熵效率可以达到0.88-0.91。
现今，高速率的未来空中导航系统已经运用在了常规空气调节系统中了。
然而，以上对空气压缩制冷循环和内流式涡轮机的研究中工作流体中的水蒸气没有被考虑过，而且惯用的设备是离心压缩机和内流式涡轮机，这些都是比轴流式压缩机和涡轮机的效率低。
从高压湿空气中萃取的水的含量能够达到18-30g/kg，而且从压缩蒸气中分离出来的潜热的数量大约是45-75kj/kg，空气中的过盛的显热为30-50kj/kg。
霍和李介绍的在1992年空气调节系统中的一种轴流式空气蒸汽组成制冷系统，在这一系统中湿空气是工作流体而且轴流式压缩机和涡轮机已经被使用，但是迄今为止这些都没有引起人们的注意。
霍和张介绍了一个轴流式空气蒸汽组合制冷系统，是通过循环水冷冻的空气调节系统，参考【14】。
在这个系统里的湿空气是工作流体，起用一个轴流式压缩机和涡轮机同时通过循环水冷却湿空气。
这篇文章通过性能模拟来证实它的可行性同时也显示出了它的优点。
这些包括简单空气调节系统的可行性；降低空气调节的系统的初期投资数量；是空调室更加舒适。
这篇文章的目的是为了介绍一个开式系统，叫做空气调节开式空气水蒸气组合制冷系统同时通过冷水冷冻热水，并且通过模拟实验进行性能模拟。
在这个开式空气水蒸气制冷循环系统中，利用的水是从给水系统和地下水中抽取的。
因此，我们可以在涡轮机之前得到一个低的湿空气温度。
另外，冷水被加热用来沐浴。
系统
在焓熵图中和电路图中显示的空气调节开式空气组合制冷系统和冷水冷冻热水过程显示在图1中。
图1.在焓熵图上的表示和开式空气压缩制冷系统的回路
室外空气被吸进雾化室，在3中跟一些上等液滴冷冻成饱和空气接着通过一个轴流式压缩机进行压缩。
在4中可以获得压缩空气的流量高温T4和高压P4。
接着，在4处的压缩气体在7处被冷冻成饱和气体，温度为T7。
接着，在7处的饱和空气的温度为T7是通过在轴流式压缩机出口后的热交换器表面的冷冻水、地下水得到的。
一些压缩蒸汽和蒸汽的潜热从4释放到7.接着，在7处的饱和蒸汽在涡轮机中膨胀冷却到8处的冷空气。
在8处的冷空气接着通过管道输送到空调室。
冷冻水在热交换器表面被加热。
水在轴流式压缩机之前注入意在降低工作流体的温度和在压缩过程中的多变指数。
所以，我们可以节约一些压缩功。
当战斗机增大其速度时，这种方法也被运用在喷气式发动机上。
然而，唯一的区别就是注入喷气式发动机的是水、酒精等等。
在压缩机中的水蒸气能够通过表面换热器轻易萃取。
在同样的温度下，高压P4下的饱和空气的湿度比仅仅是压力在P3下的水蒸气的P3/P4。
利用压缩空气来获取干空气的方法已经运用在中国南方的很多车间里了。
这个系统不同与常规空气循环系统。
在这个空气水蒸气冷冻循环中有很多特性。
首先，一个轴流式压缩机和涡轮机运用于上述的系统中。
涡轮机的特性是大的质量流量和高的效率。
其它的压缩机和膨胀机都没有以上的优点。
其次，这个制冷系统用优等水滴来吸取预冷的湿空气，同时一些蒸汽在空气冷却过程中从4到7被压缩。
从高压湿空气中萃取的水的量能够达到18—30g/kg，同时从压缩空气中排放出的潜热量大约是45—75kj/kg，超出空气的显热30—50kj/kg。
因为这个原因，在这个空气蒸汽制冷系统中的冷冻负荷依赖空气的显热负荷和水蒸气的潜热负荷组成。
最后，冷冻水的冷量已经被利用。
这种冷量一般是不能被利用的。
3.性能模拟
3.1湿空气
湿空气的湿度比D，计算公式为：
（1）
湿空气的焓H，计算公式：
（2）
水蒸气的饱和压力和饱和温度的关系为:
Ps=f（ts），参考文献【15】。
从饱和焓中计算饱和温度下的湿空气，公式为：
（1）、
（2）和Ps=f（ts）。
3.2轴流式压缩机
在湿空气的压缩过程中，在空气中的优等液滴可能蒸发了。
因为水的蒸发吸收了热量，我们能够把这种在压缩机里的湿空气的理想压缩过程叫做多变过程。
所以，我们可以获得每公斤湿空气的压缩机的理想功，Wc，公式为：
（3）
在这个公式中n是压缩过程的多变指数。
轴流式压缩机的实习作业的消耗是Wc/ηc，其中ηc是压缩机的热效率。
3.3涡轮机
在涡轮机前压力为P7和温度为T7的饱和空气通过冷冻水在表面换热器中加湿。
在7点处，水蒸气包括饱和空气的量是非常小的，大约是在压力为P3的饱和空气量的P3/P7倍。
所以，在空气中水压缩就成了雾。
然而，在涡轮机中饱和空气的膨胀不能被当作是理想气体的绝热膨胀。
在涡轮机中伴随着湿空气压力的降低，湿空气的温度也随之降低，同时在水蒸气凝结过程中有一些热量释放。
这些热量散失可能造成涡轮机出口温度和膨胀机工作量的增加。
由于这个问题，当我们计算膨胀过程的工作量时，我们能够想象没有相位的变化的存在，而且在膨胀过程中有些热量加到了湿空气中。
根据上面的假设，这个问题能够简化为一个理想气体的多样化膨胀问题。
因此，我们能够通过膨胀获得理想工作量，Wt，通过反复作用接着获得由涡轮机和涡轮机出口温度产生的实际功。
下面就是计算Wt和T8的过程：
1.由T7确定Ps7，再由Ps7和P7确定D7，最后由D7和T7确定H7；
2.运用以下公式计算出饱和空气在7处的气体常数：
（4）
3.根据理想空气的绝热蒸发计算Wt；
4.通过下列公式来计算饱和空气的焓：
（5）
5.利用H8和P8确定出T8、Ps8和D8；
6．获得
（6）
7.
（7）
8.
（8）
9.
（9）
10.
（10）
11.利用H8和P8确定出T8、Ps8和D8；
12.如果绝对值（T8last-T8）<0.1接着计算第13步。
否则，计算第5步。
13.利用下列公式获得焓值:
（11）
14.利用H8和P8确定出T8、Ps8和D8。
3.4表面换热器
夹点技术运用在表面换热器中换热器的分析上，在夹点处的温差为60C。
夹点技术是识别技术的图解方法也是节约能源提高效率的方法。
和每条温度线上的热网结合在一起，系统中的最小冷负荷和热负荷能够确定。
夹点技术的方法论和概念在Linhoff的著作【16】、Eastop和Croft的著作【17】、MubarakEbrahim的著作【19】中都有很好的解释。
冷水河就是冷冻水，它的焓值可以通过
计算出来。
热水河就是压力为P4的热湿空气，它的焓值可以通过：
（7）
在式（7）中
（8）
冷水变成干空气的最佳质量流速比能够根据夹点技术的冷热曲线中获得。
4.性能
每公斤干空气的制冷量，q2，能够通过压缩机入口和涡轮机出口的的焓差来确定，计算公式如下：
（9）
制冷循环的功耗可根据下式计算出来：
（10）
这个制冷系统的COP可通过下面的方程计算出来（冷水系统的功耗不包括在Wm内）：
（11）
5．成果
这里有很多因素可能影响制冷系统的COP对空气的调节和冷水冷却热水的效率。
这些因素包括轴流式压力机的压力比P4/P3,轴流式压缩机和涡轮机的效率，大气的湿球温度Twet和冷水温度。
在模拟仿真过程中，轴流式压缩机的压力比从1.6到2.5变化，室外的湿球温度从200C到300C，冷水温度从150C到250C。
在轴流式压缩机之前有300Pa的压力损失，轴流式压缩机和涡轮机之间是300Pa，在涡轮机之后是600Pa。
在图2—6中显示了一些令人振奋的结果。
这个结果通过轴流式压缩机的较低压力比计算出来，参考文献【14】。
图2.COP的灵敏度对轴流式压缩机和涡轮机的影响
COP对轴流式压缩机和涡轮机的效率的灵敏度展现在图2中。
图中的线是空气压缩制冷系统中COP空气调节作用的线路，而且当T7=296K时冷冻水冷却热水，轴流式压缩机和涡轮机的效率分别是90%、88%、86%和80%。
从图2中，我们可以看出轴流式压缩机和涡轮机的效率对COP的影响很大。
由于COP的温度T7比我们能够得到的温度要低所以COP要更长一些，参考文献【14】。
并且，轴流式压缩机的最佳化的压缩比降低。
换句话说，轴流式压缩机的级数可能被降低到二级。
虽然COP对轴流式压缩机和涡轮机的效率很敏感，但是这些系统是可行的。
首先，这种新型涡轮式机器的工作点接近设计工作点，而且轴流式压缩机和涡轮机的效率在设计点上很高，大约在0.89—0.91。
其次，入口空气是洁净的没有杂质，所以在现实工作中轴流式压缩机和涡轮机的效率不会大幅度地降低。
再次，在涡轮机器中没有燃烧室和高温涡轮机的巨大复杂性。
因此，它比人们想象的操作简单。
最后，轴流式压缩机和涡轮机的效率有了很大的发展空间。
当ηc=0.90、ηt=0.90、T7=296K时，用于空气调节的开式空气蒸汽压缩制冷系统的模拟仿真和冷水冷冻热水的过程在图3、4中表示出来。
图3给出的压缩机后的温度为T4，涡轮
图3.当ηc=0.90、ηt=0.90、T7=296K时开式空气压缩制冷系统的模拟温度
机前的温度为T7，涡轮机后的温度为T8，压缩机前的温度为T3（Twet）。
图4给出了每公斤干空气的制冷量q2，每公斤干空气的散热量为q1，制冷系统的耗功量为Wm，压缩机前的温度为T3（Twet）。
COP到压缩机前的温度T3（Twet）的关系在图2中表示出来。
图4.ηc=0.90、ηt=0.90、T7=20—250C开式空气压缩制冷系统模拟的q1、q2、Wm
当ηc=0.90、ηt=0.90、T7=20—250C时，用于空气调节的开式空气蒸汽压缩制冷系统的模拟仿真和冷水冷冻热水的过程在图5、6中表示出来。
图5中给出的是COP伴随温度T3（Twet）和T7的变化而变化的关系。
图6中给出的是每公斤干空气制冷量q2随着T3（Twet）和T7的变化而变化的关系。
图7给出的是当冷水变为干空气的质量流速比为1时，表面换热器内的冷冻加湿过程中的冷热曲线。
在图7中，夹点处的温差是60C,还有两条热线，分别为T3=200C和T3=270C,从图7中，我们可以得到水温在33—400C的热水，同时还可以获得与干空气质量流速比相同的质量流速比。
图5.当ηc=0.90、ηt=0.90时开式空气压缩制冷系统的COP图6.当ηc=0.90、ηt=0.90时开式空气压缩制冷系统的q2
图7.当比为1时，在表面交换器中加湿过程的冷热水曲线
6.结论
这个研究显示用以空气调节和冷水冷冻热水的开式空气蒸汽压缩制冷系统的可行性。
这个计算结果显示：
1.在这篇文中提及的空气调节和冷水冷冻热水用开式空气蒸汽压缩制冷系统能够使用那些不能直接冷却空气的冷水中的冷量。
同时，这个系统的热损失能够用来加热水。
2.在中央空气调节系统中，用来制冷的湿空气是一种完美的工作流体。
3.与空气调节用空气蒸汽压缩制冷系统相比，这个系统适合安装在我们可以很容易获得冷水的地方。
4.根据轴流式压缩机的性能特征如转速、质量流速和压力比，我们可以可以通过调整轴流式压缩机的转速简单地控制它的质量流速、压力比和制冷量。
5.这个制冷空气调节装置循环的COP随着大气湿球温度的变化而变化。
大气湿球温度变高，这个制冷空气调节装置循环的COP也变高。
6.这个制冷空气调节系统的COP最要依靠ηc和ηt。
冷冻水温度对它将会有非常大的影响。
虽然COP对ηc和ηt很敏感，空气调节和冷水冷冻热水用开式空气蒸汽压缩制冷循环仍然是可行的。
7.轴流式压缩机的最优化压力比可能会低于这个系统。
这导致轴流式压缩机的级数更低。
8.夹点技术是用来分析湿空气冷却热交换的好方法。
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