逆布雷顿制冷循环分析和板翅式换热器的设计.docVIP

逆布雷顿循环制冷系统循环分析与理论设计

图2-2

图2-3

图2-1是逆布雷顿空气制冷循环热力过程原理图。理论循环由1-2＂-3-4ˊ-

5ˊ-6-1表示，但是由于各种因素的影响，空气制冷系统的实际循环和理论循环的差异很大。为了便于分析我们采用一些简化的处理方法，首先假设空气是理想气体，理想气体假设在这篇论文所讨论的温度和压力范围内所造成的误差很小，可以忽略不计；假设吸热和放热过程为等压过程，压缩很膨胀过程中的损失可以折算到进出口压力上去；在回热过程中考虑传热温差，此时的回冷热交换器的效率小于1，而且在处理回热过程时假设它没有流动阻力损失，并把漏热损失折算为用冷装置的热负荷；空气在压缩机中的压缩过程要考虑到绝热压缩效率ηCS，在膨胀机中的膨胀过程要考虑到相对内效率ηT。

在极限回热过程中，空气的温度经过冷凝器和回热器后可以到达4ˊ，但是由于回热效率的存在空气只能经回热器被冷却到4，空气经过理想绝热膨胀过程后可以到达状态点5＂，但是实际过程并不能完全到达可逆，因此膨胀后只能到达状态点5，点5的计算需要考虑到膨胀机的等熵效率。空气从膨胀机中出来后进入用冷装置，被用冷装置加热到状态点6,6点所对应的温度就是制冷温度，然后空气进入回热器中被加热至状态点1ˊ后进入压缩机，压缩过程不是完全的可逆过程，所以空气被压缩至状态点2而不是2ˊ，然后空气进入冷凝器被定压冷却至状态点3，再进入回热器被定压冷却至4，从而完成了一个完整的循环过程。

在工程实际中，空气压缩机可以采用活塞式以及螺杆式等，效率一般在0.6~0.8之间，通常为0.7左右；膨胀机采用径流式气体轴承膨胀机，在规定工况内的运行效率大约在0.5~0.7之间，通常为0.6左右；回热器采用高效紧凑的板翅式换热器，效率可以到达0.75~0.95，通常在0.8左右；环境温度为298K，制冷温度为220K，压力比根据实际和要求情况选取。

我在这里取压缩机入口处的空气压强P1ˊ=0.1MPa，压比π=3.0，那么压缩机出口处的压强是P2=0.3Mpa,cp是空气的定压比热容，在一般的使用压力和温度范围内看作常数

先来确定各点的温度

T4=T0+ΔT=T0+(TK-T0)*(1-ηR)=231.7K，ηR

T5〞=T4*〔P5/P4

由ηT=〔T4-T5〕/〔T4-T5〞〕的得出T5=193.7K，其中ηT为等熵膨胀效率

T1＇

T2ˊ=T1ˊ*〔p2ˊ/p1ˊ

由〔T2＇-T1＇〕/〔T2-T1＇〕=ηCs得T2=458.3K，其中ηCs为压缩机效率

综上可知各点温度：

T1＇=298.0K,T2=458.3KT3=298K,T4=231.7K,T5=193.7K,T6=220K

由nist软件可以计算各点的焓值

图2-4

制冷机的单位质量工质耗功量为w=we-wc;式子中we是压缩机气体耗功，wc是膨胀机膨胀气体做功。

wc=h4-h5

we=h2-h1＇=162.22KJ/kg，其中ηCs是压缩机绝热压缩效率

空气单位质量制冷量q0=h6-h5

那么制冷系数COP=q0/w=0.21要求计算的是500W制冷量，据此可计算空气质量流量为qm=Q/q0

计算结果汇总

状态点

温度〔K〕

焓值〔KJ/kg〕

压力〔Mpa)

1ˊ〔压缩机入口〕

2〔压缩机出口〕

3〔回热器热端入口〕

4(膨胀机入口〕

5〔膨胀机出口〕

6〔回热器冷端入口〕

1(回热器热端出口〕

逆布雷顿循环制冷系统板翅式换热器设计

3.1.1传热效率高：铝制板翅式换热器在强制对流空气的传热系数是30-300〔千卡/米2?小时?℃〕，而一般管式换热器只达〔千卡/米2?小时?℃〕；

3.1.2结构紧凑：板翅式换热器单位体积的传热面积可达1000~2500〔米2/米3〕，而一般管式换热器只有50~150〔米2/米3〕；

3.1.3轻巧而牢固：由于结构紧凑，体积小，一般均采用铝锰合金制造，故重量轻，波形翅片既是主要传热外表又是两板支撑，故强度高，能耐一定的压力。?3.1.4适应性大：可用作气-气，气-液，液-液热交换。也可用于冷凝和蒸发，流向上可用于逆流、顺流、横流、横逆流等，而且可以在同一设备中实现2~6种流体的热交换；

3.1.5缺点：由于流道小，容易堵塞，一旦堵塞后，清洗较困难，因而使用介质一般以清洁为宜，最后在入口前进行过滤；检修探伤也比拟困难。

在两块平金属板之间夹持一组波形翅片，两边以封条密封而组成一个单元体。对各单元体进行叠加排列，然后再用钎焊焊接，可以得到不同流向的组装件，称为板束。在板束的顶部和底部各留有一层主要起绝缘作用的假翅片层〔也称工艺层〕。再将半圆封头用氩弧焊焊在板束上，就制成了一个板翅式换热器。〔见图3-1〕

图3-1

翅片