1.      背景

 

空調(diào)系統(tǒng)普遍應(yīng)用于工廠、住宅、商場、辦公場所、汽車等領(lǐng)域。在空調(diào)設(shè)計過程中，包含了壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器的熱力計算過程以及各部件之間的相互影響，尤其是蒸發(fā)器和冷凝器中的換熱計算是非常繁瑣的過程，需要進(jìn)行多次迭代。一維熱流系統(tǒng)設(shè)計仿真軟件Flownex能夠很好的幫助設(shè)計者快速對空調(diào)系統(tǒng)的各部件進(jìn)行選型，同時，能夠仿真蒸發(fā)器熱負(fù)荷變化時系統(tǒng)的響應(yīng)，從而幫助設(shè)計者優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)的控制策略，提高空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

 

2.      制冷系統(tǒng)設(shè)計工況確定

 

根據(jù)運(yùn)行條件，選擇合適的制冷劑、冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、過冷度和過熱度。然后根據(jù)選擇的參數(shù)，對空調(diào)系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行熱力計算。

 

2.1.  冷凝溫度

 

為了保證冷凝效果，一般取冷凝溫度為環(huán)境溫度（考慮我國的氣候因素，43℃能夠滿足絕大部分地區(qū)的使用要求）+（保證冷凝效果），當(dāng)冷凝器另一側(cè)選用水時，我們選用冷凝溫度為：Tk=Tw+7=50℃

 

2.2.  蒸發(fā)溫度

 

蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度應(yīng)該綜合考慮使用的制冷劑的類型和蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)類型以及車用空調(diào)的制冷溫度需求。提高蒸發(fā)溫度可以改善空調(diào)的經(jīng)濟(jì)性，使空調(diào)的單個制冷循環(huán)的制冷量得到提升，空調(diào)的制冷系數(shù)也得到提升，但是蒸發(fā)溫度越高，蒸發(fā)器與空氣的傳熱溫差越小，這就需要加大蒸發(fā)器的尺寸才能達(dá)到制冷量的需求。另外，當(dāng)蒸發(fā)器表面的溫度低于0℃時就會造成蒸發(fā)器的表面結(jié)霜使空氣不能流經(jīng)蒸發(fā)器的表面。此外，為了保證空調(diào)的舒適性，空調(diào)風(fēng)的溫差應(yīng)控制在 8℃至 10℃之間。將蒸發(fā)溫度選取為0℃。

 

2.3.  過冷度

 

在制冷系統(tǒng)中考慮到管道內(nèi)部的摩擦影響和靜壓變化影響，應(yīng)該有適當(dāng)?shù)倪^冷度才能保證到達(dá)節(jié)流裝置的制冷劑是液態(tài)制冷劑。一般選取比當(dāng)前壓力下的冷凝溫度低3℃至5℃的溫度作為冷凝器出口的過冷度。到達(dá)節(jié)流裝置的總過冷度達(dá)到5℃至8℃。

 

2.4.  過熱度

 

蒸發(fā)器的過熱度如果太小就無法保證制冷劑在蒸發(fā)器中的完全蒸發(fā)，并且會造成壓縮機(jī)的液擊；而過熱度太大又會造成蒸發(fā)器蒸發(fā)能力的浪費(fèi)。通常選擇5℃至7℃作為蒸發(fā)器出口的過熱度，到達(dá)壓縮機(jī)進(jìn)口時的總過熱度大約是 10℃至 18℃。

 

2.5.  制冷系統(tǒng)設(shè)計工況確定

 

1）最大制冷量。根據(jù)實(shí)際需求，本設(shè)計中最大制冷量為90KW。

 

2）選用的制冷劑類型為R22。

 

3）設(shè)計工況參數(shù)。選用50℃為冷凝溫度時，對應(yīng)的飽和壓力為1.95MPa；0℃為蒸發(fā)溫度時，對應(yīng)的飽和壓力為0.5MPa（可通過Flownex查詢得到）。選擇7℃作為過冷度，12℃為過熱度。

 

制冷劑R22的TS圖

 

制冷循環(huán)熱力圖和主要位置點(diǎn)參數(shù)如下

 

制冷循環(huán)熱力循環(huán)圖

 

制冷循環(huán)主要參數(shù)表

注：各設(shè)計點(diǎn)的參數(shù)由Flownex計算查詢得到，F(xiàn)lownex提供了快速查詢工質(zhì)物理化學(xué)特性的功能。

 4）熱力計算

3.      制冷系統(tǒng)部件選型

 

根據(jù)前面的熱力計算結(jié)果，利用Flownex軟件對空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進(jìn)行選型。

 

3.1.  壓縮機(jī)基本參數(shù)

 

 

3.2.  冷凝器參數(shù)

 

 

3.3.  蒸發(fā)器參數(shù)

 

 

3.4.  制冷系統(tǒng)集成

 

將參數(shù)設(shè)計好的壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器在Flownex上進(jìn)行快速集成，并進(jìn)行整體參數(shù)計算，驗(yàn)證方案的合理性。

 

初始時刻，給定壓縮機(jī)進(jìn)口邊界條件：指定壓力為1.95MPa，溫度為8℃；給定膨脹閥進(jìn)口邊界條件：指定壓力為1.95MPa，溫度為48℃。

 

Flownex計算結(jié)果顯示在這兩處位置均由能量輸入，分別為0.1KW和1.25KW。將兩處邊界條件放松后得到系統(tǒng)的真實(shí)平衡結(jié)果。

 

制冷系統(tǒng)運(yùn)行圖

 

制冷系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

 

4.      結(jié)論

 

Flownex能夠很好的幫助用戶設(shè)計空調(diào)系統(tǒng)，快速準(zhǔn)確計算各部件的性能，包括換熱器的設(shè)計與選型，相變過程的計算以及部件性能匹配等。本算例旨在對設(shè)計工況下的制冷系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與選型，在實(shí)際過程中，蒸發(fā)器的熱負(fù)荷并不是一個固定值，當(dāng)蒸發(fā)器熱負(fù)荷發(fā)生變化時，需要調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的功率，以保證達(dá)到設(shè)計需求，如何調(diào)節(jié)壓縮機(jī)以滿足實(shí)際需求將是下一個工作內(nèi)容。