第八章 制冷装置的设计及计算

1、第八章第八章 制冷装置的设计计算制冷装置的设计计算 学习要点：学习要点： 1、掌握制冷装置设计的一般步骤及静态冷负荷计算法；、掌握制冷装置设计的一般步骤及静态冷负荷计算法； 2、掌握制冷装置的特性分析。、掌握制冷装置的特性分析。 第一节制冷装置的设计原则第一节制冷装置的设计原则 一、制冷装置设计基本原则一、制冷装置设计基本原则 1. 1. 按使用要求与使用条件进行设计按使用要求与使用条件进行设计 2.2.保证在一定工况范围内的稳定性保证在一定工况范围内的稳定性 3. 3. 寻求性能与经济性优化寻求性能与经济性优化 二、制冷装置设计的一般步骤二、制冷装置设计的一般步骤 制冷装置设计时主要包括如下

2、四个步骤：制冷装置设计时主要包括如下四个步骤： 1. 1. 确定装置类型结构确定装置类型结构 首先要选择制冷装置的类型，然后确定基本结构形式。首先要选择制冷装置的类型，然后确定基本结构形式。 2.2.按设计工况确定负荷按设计工况确定负荷 3.3.制冷设备设计制冷设备设计 按设计工况下的负荷要求进一步进行制冷设备的设计，确定各部件的形按设计工况下的负荷要求进一步进行制冷设备的设计，确定各部件的形 式与大小。式与大小。 4. 4. 非设计工况进行校核非设计工况进行校核 制冷装置不仅应在设计工况下满足使用要求，在其他工况下也应满足使制冷装置不仅应在设计工况下满足使用要求，在其他工况下也应满足使 用要

3、求。通常在使用的工况范围内取几个有代表性的工况作为校核工况，如果校用要求。通常在使用的工况范围内取几个有代表性的工况作为校核工况，如果校 核工况的计算表明，所设计装置不能在所有工况下达到要求，则必须修正原有设核工况的计算表明，所设计装置不能在所有工况下达到要求，则必须修正原有设 计。计。 三、制冷装置的仿真技术简介三、制冷装置的仿真技术简介 1. 1. 仿真技术简介仿真技术简介 用模型代替真实系统做实验的方法称为仿真。在计算机仿真中，用模型代替真实系统做实验的方法称为仿真。在计算机仿真中， 实际系统的运动规律是用数学形式表达出来，它们通常是一组微分实际系统的运动规律是用数学形式表达出来，它们通

4、常是一组微分 方程或差分方程，然后用计算机来解这些方程。方程或差分方程，然后用计算机来解这些方程。 计算机仿真的步骤：计算机仿真的步骤： (1) (1) 写出实际系统的数学模型。对于不同的要求可以采用不同写出实际系统的数学模型。对于不同的要求可以采用不同 的模型，对于热力系统的动态仿真，较多采用偏微分方程。的模型，对于热力系统的动态仿真，较多采用偏微分方程。 (2) (2) 将它转变成能在计算机上进行运算的数学模型。比如要在将它转变成能在计算机上进行运算的数学模型。比如要在 数字计算机上进行仿真，应当将描述实际连续过程的方程，变成一数字计算机上进行仿真，应当将描述实际连续过程的方程，变成一 组

5、离散方程。组离散方程。 (3) (3) 编出仿真程序。编出仿真程序。 (4) (4) 对仿真模型进行修改、校验。对仿真模型进行修改、校验。 2. 2. 仿真与常规设计的比较仿真与常规设计的比较 仿真是选定结构参数后检测性能的过程。通过仿真，可以知道仿真是选定结构参数后检测性能的过程。通过仿真，可以知道 多项性能，从而对所确定的结构参数是否合理作出较好的评价。为多项性能，从而对所确定的结构参数是否合理作出较好的评价。为 了寻求一组合理的结构参数，需要作不断的调整，不断的仿真，这了寻求一组合理的结构参数，需要作不断的调整，不断的仿真，这 是优化过程，可以通过配置优化程序完成。是优化过程，可以通过配

6、置优化程序完成。 第二节冷负荷的计算第二节冷负荷的计算 冷负荷的组成：冷负荷的组成： （1 1）围护结构渗入热）围护结构渗入热 ：此量指因冷间内外温差（包括太阳辐：此量指因冷间内外温差（包括太阳辐 射引起的过余温度）通过围护结构所传递的热量。射引起的过余温度）通过围护结构所传递的热量。 （2 2）货物热）货物热 ：指货物（食品）在冷却或冻结过程中放出的热：指货物（食品）在冷却或冻结过程中放出的热 量，或者货物在冷加工过程中放出的热量。量，或者货物在冷加工过程中放出的热量。 （3 3）换气热）换气热 ：指由于通风或开门，外界空气进入冷间而带进：指由于通风或开门，外界空气进入冷间而带进 的热量。的

7、热量。 （4 4）操作热）操作热 ：指由于冷间内人员操作、各种设备发热工作而：指由于冷间内人员操作、各种设备发热工作而 产生的热量。产生的热量。 一、静态负荷计算方法一、静态负荷计算方法 1. 1. 渗入热的计算渗入热的计算 式中，式中， 为通过墙壁的渗入热为通过墙壁的渗入热; ; 为通过地坪的渗入热为通过地坪的渗入热; ; 为通过屋顶的渗入热为通过屋顶的渗入热; ; 为因太阳辐射所产生的渗入热。为因太阳辐射所产生的渗入热。 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q W Q g Q c Q R Q (1)(1)围护结构的传热系数：围护结构的传热系数： 式中，式中， 为外墙表面的对流传热系数，单位为外墙表

8、面的对流传热系数，单位 为为 ; ; 为各层材料的厚度，单位为为各层材料的厚度，单位为m;m; 为各层材料的热导率，单位为为各层材料的热导率，单位为w/mk;w/mk; 为内墙表面的对流传热系数，单位为为内墙表面的对流传热系数，单位为 。 （2 2）围护结构的传热面积：）围护结构的传热面积：渗入热计算时，围护结构不同面的传渗入热计算时，围护结构不同面的传 热面积计算略有不同。热面积计算略有不同。 （3 3）外界环境温度：）外界环境温度：可按如下经验公式选取：可按如下经验公式选取： 式中，式中， 为该地区十年中最热月份的月平均温度；为该地区十年中最热月份的月平均温度； 为该地区极端最高温度。为该

9、地区极端最高温度。 （4 4）冷间与邻间传热温差；）冷间与邻间传热温差； （5 5）冷间地坪的渗入热；）冷间地坪的渗入热； （6 6）太阳辐射热的计算。）太阳辐射热的计算。 1 21 、 21 、 2 A t B t 第四节第四节 制冷装置的特性的图解分析制冷装置的特性的图解分析 一、压缩式制冷机组的性能分析一、压缩式制冷机组的性能分析 1. 压缩冷凝机组的性能分析压缩冷凝机组的性能分析 （1）压缩机的工况图压缩机的工况图 对于理论输气量为定值的对于理论输气量为定值的 制冷压缩机，其制冷量和轴制冷压缩机，其制冷量和轴 功率是随冷凝温度功率是随冷凝温度 和蒸和蒸 发温度发温度 而变，并可用压而变

10、，并可用压 缩机的性能曲线来表示。缩机的性能曲线来表示。 k t 0 t （2）冷凝热负荷的确定）冷凝热负荷的确定 冷凝器的热负荷可表示冷凝器的热负荷可表示 为压缩机的制冷量和指示为压缩机的制冷量和指示 功率之和。因此，只要确功率之和。因此，只要确 定了压缩机的指示效率，定了压缩机的指示效率， 就可根据性能曲线确定不就可根据性能曲线确定不 同工况时的冷凝热负荷，同工况时的冷凝热负荷， 如图所示。如图所示。 （3）冷凝器的工况图）冷凝器的工况图 由以上的分析可知，制冷压缩机的确定方法是以蒸发由以上的分析可知，制冷压缩机的确定方法是以蒸发 温度和冷凝温度为自变参数以标明压缩机的制冷量和轴功温度和冷

11、凝温度为自变参数以标明压缩机的制冷量和轴功 率；而压缩一冷凝机组则是以蒸发温度和冷却介质流量不率；而压缩一冷凝机组则是以蒸发温度和冷却介质流量不 变时的进口温度为自变参数以标明机组的冷凝温度、制冷变时的进口温度为自变参数以标明机组的冷凝温度、制冷 量和轴功率。量和轴功率。 2.单元制冷机组的特性分析单元制冷机组的特性分析 这里所说的单元机组是由一台压缩机、一只冷凝器、一只蒸发器和这里所说的单元机组是由一台压缩机、一只冷凝器、一只蒸发器和 一只节流机构组成的制冷机组，包括冷风机、冷水机组及热泵机组一只节流机构组成的制冷机组，包括冷风机、冷水机组及热泵机组 等。等。 (1) 蒸发器的工况图。蒸发器

12、的工况图。 分析蒸发器的热平衡方程和传热方程也可得出：分析蒸发器的热平衡方程和传热方程也可得出： 其中，其中， 和和 分别是被冷却分别是被冷却 介质（水或空气）的流量、比热容介质（水或空气）的流量、比热容 和进入蒸发器时的温度；和进入蒸发器时的温度； 和和 是蒸发器的传热系数和是蒸发器的传热系数和 传热面积。根据上式可绘制蒸发器传热面积。根据上式可绘制蒸发器 的工况图。的工况图。 ee GC、 ei t e K e F (2)单元制冷机组的工况图单元制冷机组的工况图 将压缩一冷凝机组的工况图与蒸发器的工况图结合起来就可得到单将压缩一冷凝机组的工况图与蒸发器的工况图结合起来就可得到单 元制冷机组

13、的工况图。元制冷机组的工况图。 按图可由冷却介质和按图可由冷却介质和 被冷却介质的进口温度被冷却介质的进口温度 来确定单元制冷机组的来确定单元制冷机组的 制冷量和蒸发温度，制冷量和蒸发温度， 进而再按压缩冷凝机组进而再按压缩冷凝机组 的工况图确定冷凝温度，的工况图确定冷凝温度， 按压缩机的性能曲线确按压缩机的性能曲线确 定压缩机的轴功率。定压缩机的轴功率。 在绘制蒸发器及单元机组的工况图时，若在绘制蒸发器及单元机组的工况图时，若 、 和和 均在变均在变 化，则必须进行优化设计。与前面压缩冷凝机组一样，要分析影响化，则必须进行优化设计。与前面压缩冷凝机组一样，要分析影响 因素。此外，在绘制单元机

14、组的工况图时，对于冷却空气的蒸发器，因素。此外，在绘制单元机组的工况图时，对于冷却空气的蒸发器， 还需要考虑除湿量。若除湿量小时，还需要考虑除湿量。若除湿量小时， 和和 可用被冷却空气的可用被冷却空气的 干球温度；但当除湿量大时，则需用被冷却空气的湿球温度。干球温度；但当除湿量大时，则需用被冷却空气的湿球温度。 用外部参数表示的单元机组的工况图用外部参数表示的单元机组的工况图 e K e F e G ei t eo t 二、热泵特性分析二、热泵特性分析 1.风冷热泵的特性分析风冷热泵的特性分析 图图8-17给出风冷热泵的特性图。当蒸发器的进风湿球温度给出风冷热泵的特性图。当蒸发器的进风湿球温度

15、 ，冷凝器的进风温度，冷凝器的进风温度 时时,查图可知，这时热查图可知，这时热 泵的吸热量为泵的吸热量为 ；若；若 ， 相同的相同的 下，下， 可提可提 高到高到 82kw ，对应的蒸发温度为，对应的蒸发温度为 。 18 s t Cta 45 kwQ67 0 Cts 24 a t 0 Q C 5 .12 2. 热泵制冷量与膨胀阀容量的关系热泵制冷量与膨胀阀容量的关系 如图所示，冷凝温度线与吸如图所示，冷凝温度线与吸 气饱和温度线的交点处所对气饱和温度线的交点处所对 应的阀的前后压力差值要比应的阀的前后压力差值要比 热泵压力差（热泵压力差（ ）的）的 值低（图中对值低（图中对R22 系统，取系统

16、，取 其低其低0.24Mpa) 。从图中可。从图中可 以看出，随着冷凝温度以看出，随着冷凝温度 的下降，尽管吸气压力也下的下降，尽管吸气压力也下 降，而热泵装置的容量仍有降，而热泵装置的容量仍有 所增加（如曲线所增加（如曲线1 所示所示), 一一 直增加到膨胀阀容量的限制直增加到膨胀阀容量的限制 值。此后，值。此后， 进一步下降时，进一步下降时， 热泵的容量和吸气温度的变化则受膨胀阀容量的限制而迅速下降，热泵的容量和吸气温度的变化则受膨胀阀容量的限制而迅速下降， 在图中沿着机组容量曲线从右到左，对应的冷凝温度逐渐降低，使在图中沿着机组容量曲线从右到左，对应的冷凝温度逐渐降低，使 冷凝器与蒸发器

17、之间的压力差下降，蒸发压力和蒸发温度下降，致冷凝器与蒸发器之间的压力差下降，蒸发压力和蒸发温度下降，致 使蒸发盘管的表面温度降到冰点以下，盘管表面结霜，由此而引起使蒸发盘管的表面温度降到冰点以下，盘管表面结霜，由此而引起 机组的容量降低，如图中曲线机组的容量降低，如图中曲线3所示。所示。 0 ppk k t 2. 风冷热泵容量的确定风冷热泵容量的确定 图中，一条为热泵装置的供热图中，一条为热泵装置的供热 能力线（不同容量热泵曲线不能力线（不同容量热泵曲线不 同），另一条为建筑物的耗热同），另一条为建筑物的耗热 量特性曲线。两线呈相反的变量特性曲线。两线呈相反的变 化趋势，交点化趋势，交点 称为

18、热泵装置的称为热泵装置的 平衡点，相对应的横坐标温度平衡点，相对应的横坐标温度 称为平衡点温度。当环境温度称为平衡点温度。当环境温度 高于平衡点温度时，热泵供热高于平衡点温度时，热泵供热 量有余；当环境温度低于平衡量有余；当环境温度低于平衡 点温度时，热泵供热量不足。不足部分则由辅助加热设备供热。点温度时，热泵供热量不足。不足部分则由辅助加热设备供热。 当压缩机的输气量可调时（如当压缩机的输气量可调时（如 利用变频器调节压缩机转速），利用变频器调节压缩机转速）， 则供需关系就能得到满足。此外，则供需关系就能得到满足。此外， 采用多台热泵并联工作时，也能采用多台热泵并联工作时，也能 较好地满足供需的平衡。图示出较好地满足供需的平衡。图示出 采用压缩机变频或多台热泵来满采用压缩机变频或多台热泵来满 足供需平衡。足供需平衡。 热泵设计原则：热泵设计原则： 一般在热泵设计时，一般在热泵设