1.1 内部循环过冷方法
制冷空调系统内部循环过冷方法的本质就是利用循环中某一环节的部分或全部制冷工质吸收冷凝器出口工质的热量。根据利用部位的不同可以有如下四种方法:
( 1) 方法一
方法一为传统的采用回热器的回热循环,利用了蒸发器出口的低温气态制冷工质吸收冷凝器出口高温工质的热量实现过冷。采用回热循环的制冷空调系统示意图如图1 所示,这种方法在实现液态工质过冷的同时也会导致压缩机存在一定的吸气过热,且工质过冷度幅度一般不大。
该方法实现起来较为简单,只需增加一个间壁式换热器,或者直接将压缩机吸气管与冷凝器出液管紧密地固定在一起达到能够实现传热的效果即可。
( 2) 方法二
节流之后的制冷工质温度低,因此也可以在节流阀后、蒸发器供液前直接分流出一部分低温工质对冷凝器出口处的高温工质进行吸热过冷,采用该方法的制冷空调循环系统如图 2 所示。
系统中只有一个节流阀,进入蒸发器内的工质与分流进入过冷器内的工质的温度、压力相同,因此,压缩机的吸气压力可视为蒸发压力。节流后的工质在过冷器内吸热存在相变,汽化潜热大,因此,在过冷度相同的情况下方法二中的过冷器结构尺寸相对于方法一中的回热器会更加小巧紧凑。
( 3) 方法三
该方法是将冷凝器出口的高温制冷工质分流出一部分,利用分流出的一小部分制冷工质产生节流冷效应,在过冷器中实现对剩余制冷工质的吸热过冷。使用这种方法实现内部循环过冷的制冷空调系统示意图如图 3 所示。
由于辅助节流阀的存在,过冷幅度有一定调节能力,压缩机的吸气压力也不再与蒸发压力相同,而是蒸发器出口工质与过冷器出口工质混合后的压力。相对于方法二,方法三在冷凝器出口直接分流可能导致辅助节流后工质干度过大,分流工质的比例增大。
( 4) 方法四
在过冷器出口进行工质分流,分流出的一部分制冷工质通过辅助节流阀节流降温再进入过冷器为冷凝器出口的高温工质过冷,采用该方法实现内部循环过冷的制冷空调系统示意图如图 4 所示。
压缩机的吸气压力同样受到两组工质节流后的流量、压力影响。由于分流出的制冷工质在节流前经过了过冷,因此,相同的节流工况下,方法四中辅助节流后的工质干度更小。
1.2 热力学计算模型的建立
本文采取热力循环计算的方式进一步分析前述四种内部循环过冷方法对制冷空调系统性能的影响,下面对四种过冷循环的热力学模型做出如下假设:
①忽略管道与换热器内部制冷工质流动的阻力与动能变化;
②各换热器在进行热量交换时无能量损失;
③除蒸发器、冷凝器外,系统其余部件不与外界环境发生热量交换;
④节流前后认为制冷工质的焓值不发生变化;
⑤冷凝器出口制冷工质为冷凝压力下的饱和液体;
⑥蒸发器、过冷器出口制冷工质为各自对应的蒸发压力下的饱和气;
⑦压缩机吸气前有气液分离装置,吸气为蒸发器、过冷器出口制冷工质发生混合后对应压力下的饱和气;
⑧制冷工质压缩过程按照等效率 0.7 进行。
1.2.1 系统 COP 计算方法
系统 COP 是评价制冷空调系统性能的一个重要指标,采用上述四种过冷方法的制冷空调系统 COP 计算方法分别介绍如下:
( 1) 方法一
采用方法一进行过冷的系统循环压焓图如图 5 所示,对应的系统循环 COP 计算公式为:
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