毕业论文（设计）相变波转子自复叠制冷系统

1、相变波转子自复叠制冷系统摘 要 传统的蒸汽圧缩制冷系统在以r718为制冷剂时，存在着圧缩机的大圧比和蒸汽过热问题， 使得共成木较高。本文在提出了一种相变波转子自复叠制冷系统的基础上，利用nist.refprop 9.() 比较该制冷系统在不同制冷剂条件下cop,并h将该制冷系统与双级蒸汽压缩制冷、喷射式蒸汽压缩 制冷以r718制冷剂做比较。比较发现r718具有非常高的理论cop,且该制冷系统具有高cop,设 备结构简单-易开发的特点。关键词r718；相变波转了；白复叠；cop0前言水(r718)作为一种天然制冷和载冷剂，具有高潜热、无毒、不燃不爆和环境友好 特性(全球变暖指数gwp=0,消耗臭

2、氧潜能值odp=0), r718的理论能效比(cop) 高。随着蒙特利尔协议时间的推进，近年来以r718为制冷剂的技术引起世界广泛关注。 根据kilicarslan和muller"1对r718与常规r134a、r22等在系统cop、运行成本、制 冷量以及对环境的影响等方面的比较，在系统其他参数相同，冷凝温度20°c以上和蒸发 温度为5°c吋，水作为制冷剂的压缩系统cop值最高。将r718用于蒸汽压缩制冷系 统，另一优点是制冷剂、载冷剂和冷却水为同一物质，这样蒸发器和冷凝器可设计成直 接接触式换热，换热效率高。但是，将r718制冷剂用于蒸汽压缩制冷系统，需要工作在真

3、空状态(在蒸发温度 为0°c时，蒸发压力0.61 kpa；冷凝温度为40°c时，冷凝压力为7.4kpa)。由于在真空状 态下蒸汽流动雷诺数小(比r134a或r22小约300倍)，升压吋不利于边界层保持而易 从压缩机的叶片和扩压管处发生分离，显著降低扩压效率和输气系数。r718同时具有 比常规制冷剂大很多的压缩比(7.4kpa/0.61kpa,为r134a的2倍)和小很多的容积制 冷量(11.3kj/m3),需要开发高转速、大排量的专用制冷压缩机删。目前，r718专有制 冷压缩机生产技术多掌握在york、inegral、ide等大公司中。除此z外，水蒸汽 压缩系统对于压缩机入

4、口处的过热度非常敏感，其造成的不可逆损失占系统损失的98% (远大于r134a的23%)。尽管大压比工况下采用多级压缩、闪蒸式中间冷却和直接接 触式换热器能够提高cop值，但由于固定投入较大，冃前经济性仍不如卤代桂制冷 循环。上述原因阻碍r718制冷剂在蒸汽压缩制冷系统的广泛应用，要全面推广r718蒸 汽压缩制冷系统，迫切需要一种新型技术解决大压比和蒸汽过热问题。本文提出了相变波转子(phase-transitional wave rotor)自复叠制冷系统，系统中 的相变波转子是一种基于非定常流动的相变波转子设备，利用其通道内产生的激波和膨 胀波的相互作用，完成能量的直接交换，整个过程绝热效

5、率会显著提高，可有效降低压 缩机的压比和级数，有望解决r718单级系统的大压比和蒸汽过热问题。本文将对文屮 提出的制冷系统进行热力学分析，比较在不同制冷剂条件系统的cop,并且将该制冷与 传统的双级蒸汽压缩制冷、喷射式蒸汽压缩制冷比较，得出相变波转子自复叠制冷系统以r718为制冷剂有巨大的优势。=11.1制冷循环系统描述所提出的相变波转子自复叠制冷系统的示意图如图1 (a)所示。该系统由相变波转 子增压器、蒸汽压缩机、冷凝器、高温节流阀、不凝气真空泵、过冷器、低温节流阀、 蒸发器组成，和一般的制冷系统相比增加了相变波转子增压器，使得r718作为制冷剂 的大压比和蒸汽过热问题得以解决。r718在

6、系统屮的运行经过：通入相变波转子增压 器驱动蒸汽入口 hp的高压蒸汽经过等爛膨胀过程与通入相变波转子增压器低压蒸汽入 口 lp的低压饱和蒸汽经过低于等爛压缩后等压混合成中压蒸汽，然后经由增压蒸汽出 口 mp排出，并进入蒸汽压缩机压缩成高温高压过热蒸汽，经冷凝器后以高压饱和液体 形式分为低温制冷剂与高温制冷剂两股；低温制冷剂经过冷器排出不凝气并降温为过冷 液体，通过低温节流阀降温降压至设定温度，以低温低压气液混合物形式进入蒸发器定 压吸热转换为低压饱和蒸汽完成制冷循环，然后作为相变波转子增压器的低压蒸汽；高 温制冷剂经高温节流阀降温降压后，通入过冷器吸热，以高温高压蒸汽形式作为相变波 转子增压器

7、的驱动蒸汽。图1 (b)是相变波转子自复輕制冷系统的p-h图，从图中可以看出点6“处高压过 热蒸气在相变波转子增压器中等爛膨胀至6h处与点1处的低压饱和蒸汽在相变波转子 增压器屮经过等爛压缩至处等压混合至2点，2点的过热蒸汽经蒸汽压缩机压缩至3 点的高温高压过热蒸汽，然后经冷凝器等压降温至4点的高压饱和液体，4点的高压饱 和液被分成低温制冷剂和高温制冷剂两股：低温制冷剂经过过冷器换热降温达到7点的 高压过冷液并通过不凝气泵排出不凝气，经过低温节流阀等焙降温、降压至8点的低压 气液两相状态，通过蒸发器吸热制冷后达到1点的低压饱和蒸气完成制冷循环，然后通 入相变波转子增压器的低压蒸汽入口；高温制冷

8、剂经过高温节流阀等焙降温、降压至5 点的高压气液两相状态，经过冷器换热升温达到6a点的高压过热和蒸汽状态并通入相 变波转子增压器的驱动蒸汽入口。由以上过程可以看到，相变波转子起到了增压、冷凝 的作用。1.2与多级vcr系统和vcr-喷射式系统的比较文屮提出的相变波转子自复叠制冷系统，与图2所示的两级蒸汽压缩制冷系统与喷 射式蒸汽压缩制冷系统相比具有明显的优势，表现在：（a）增压波转子预压缩作用，降低r718蒸汽压缩机的压比，降低了该压缩机开发 的难度，使得r718-vcr系统推广成为可能；（b）喷射器式制冷系统相比，基于非定常气波增压机制的增压波转子系统的过程效 率远高于喷射器。(b)图2两级

9、蒸汽压缩制冷循环（a）与喷射式蒸汽压缩制冷循环（b）示意图图3相变波转了自复叠制冷系统数学模型计算步骤（c）波转子具备优秀的带液操作性能，且具冇尺寸小、转速低、易于开发的设备开发优势。波转子独特的双开口结构优势，使得我们充分利用驱动蒸汽过度冷凝释放的潜 热成为可能。2相变波转子自复叠制冷系统的数学模型2. 1基本假设基本假设：蒸发器和冷凝器岀口制冷剂均为饱和状态；在蒸发器、冷凝器、管道中 压降均忽略；压缩机等爛效率取为0.72；用一维气体动力学激波方程来计算相变波转子 屮涉及正激波的流体物性参数，忽略反射激波。2. 2数学计算步骤图3所示为相变波转子自复叠制冷系统的数学模型计算步骤。2. 3数

10、学模型计算需要确定的原始输入参数如表1所示：表1相变波转子自复叠制冷系统热力学分析所需参数蒸发温度tc压缩机等爛效率冷凝温度高温节流阀出口压力过冷器热股出口过冷度波转子高压进口过热度3波转子压比prw各状态点的热力学参数计算如下：(a) 蒸发器出口(状态点1)t=t片二人 ftj(1)(b) 波转子出口(状态点2)£ =片 x prw(2)波转子中高压蒸汽压力突降，产生激波，压缩低压蒸汽，低压蒸汽温度上升，利用 移动正激波关系计算波转子出口温度：7；=7；.z.( + a±l) /(1+a11 空)(3)片 a r.-ih. =h(t2,p2)(4)(c) 冷凝器出口(状态

11、点4)te，p产 pge)，h尸(5)自复叠循坏总压比：pq=pj p、(d) 低温节流阀出口(状态点7)理想节流阀前后介质等焙pi=p 厲=：丿(马)一石7，h7=h(t1,p1)(6)(e) 蒸发器进口(状态点8)% = 14 二片,g =t(&,hj(. 7)液相分率x二人曲(吒)-饨hsai、v( a)- hsatj( a)(f) 压缩机出口(状态点3)p'=p"压缩机压比： p=pjp2(9)压缩机前后介质的比定压热容和绝热指数均变化很小，取压缩机进口状态点的比 定压热容和绝热指数：/2'h = c/>27；(pc " -1) /jl

12、c(10)耐=m ,石=7"(g，包)(11)(g) 高温节流阀出口(状态点5)理想节流阀前后等焙：力5二包，t,=1xp肿(12)液相分率:饥，(&) 一力5仏皿)如(13)(h) 波转子高压蒸汽进口(状态点6)p6=p5 t6=tsat,v(pj + athf(14)(i) 系统性能参数波转子进口质量比高压端/低压端：£二如二如(15)力6 力5蒸发器制冷量：ql =片_瓜(16)压缩机耗功：比=/一包(17)贝 u：cop =鱼一(18)(1 +幻叫3结果与讨论图4所示为文中提出模型系统的cop随蒸发温度和冷凝温度的变化。本文进行热 力学计算时根据自身实验室得

13、到的数据，波转子的压比取1.40可以看到在波转子压比 一定的情况下，提高蒸发温度或者降低冷凝温度均可以使得cop增大。由提出的相变波转子自复叠制冷系统的热力学模型，选取r718、r290、ri34a> r22、r717分别作为制冷剂计算得到图5 (a)所示的冷凝温度7>40°c吋，不同制冷剂 条件下蒸发温度与cop的关系。其中，各制冷剂物性参数引用自refprop9.0。由图4 (a)中可以看到，随着蒸发温度的增大，制冷系统cop跟随增大，这是因为冷凝压力 不变，蒸发温度增大即对应蒸发压力增大，压缩机需要做的功减少，系统制冷量变化不 大,从而导致系统cop增大。在本文所提

14、出的热力学模型中，儿种制冷剂的cop由大 到小依次为r718、r717、r290、r22、r134a,另外可以看到在相同蒸发温度和冷凝温 度下，r718作为制冷剂时cop要明显大于其它几种制冷剂，这主要是r718高潜热所 决定的。图5 (b)为7>10°c时，不同制冷条件下冷凝温度与cop的关系，cop随着 冷凝温度的增大而减小，蒸发温度与不变则制冷量不变，冷凝温度增大则冷凝压力增大, 压缩机需要做的功增大，导致系统cop减小。50图4制冷系统cop随蒸发温度和冷凝温度的变化tc/v(a)(b)图5不同制冷剂条件下的cop随蒸发温度(a)利冷凝温度(b)的变化图6所示为不同制冷

15、循环以r718制冷剂时的cop的对比。图中喷射式制冷循环、 两级蒸汽压缩循环以及本文提出的相变波转子自复叠制冷系统，从图屮可以明显看到在 相同的蒸发温度和制冷温度条件下，本文提出的制冷系统的cop具有明显的提高。表2为蒸发温度为10°c,冷凝温度为4()°c时三种制冷循环的系统性能的比较，其 中本文提岀的制冷循环波转子压比取为1.4,效率为1；两级蒸汽压缩制冷压缩机进口过 热度为1°c,中间压力取理论中间压力；喷射式制冷喷射器压缩比为1.5,效率0.2。表2不同制冷循环系统性能比较(7>10°c, 7>40°c)相变波转子制冷两级蒸

16、汽压缩制冷喷射式制冷cop6.746.042.57压缩机压比4.296.014.01热力学完善度0.710.640.27tc=10'cte=40c109- 10875-3638(b)图6不同制冷循环以r718为制冷剂时的cop随蒸发温度(a)和冷凝温度(b)的变化i两级怎汽圧编喷射式曲级蒸汽山缩4总结(1) 相变波转子本身具有增压和冷凝的作用，因此在蒸汽压缩制冷中引入相变波 转子使得以r718为制冷剂时的大压比和蒸汽过热问题得以解决；(2) 通过采用不同制冷剂进行热力学计算，发现r718理论cop高，且r718本身 对坏境友好，对于家庭空调制冷不存在安全问题；(3) 以r718制冷剂，

17、将相变波转子自复壳制冷系统与喷射式蒸汽压缩制冷以及双 级蒸汽压缩制冷的cop相比较，本主题的制冷系统的cop明显提高：在蒸发冷凝温度为 10°c和40°c下，系统cop达到6. 74,且热力学完善度较高。参考文献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 袁卫星，袁修干，于志强.水蒸汽压缩式制冷机性能研究j.制冷学报,2003 (3):16-19.yuan wcixing, yuan xiugan, yu zhiqiang