２０１０年第３８卷第９期 流体机械 ７３ 文章编号：１００５—０３２９（２０１０）０９—００７３—０６ 复叠制冷系统热力分析与冷凝蒸发器 冷凝温度的优化 余晓明，冯熙。李金峰，申文军 （上海理工大学，上海２０００９３） 摘要：对ＣＯ：／ＮＨ，复叠制冷系统进行合理的假设，并将与压比有关的压缩机等熵效率拟合公式引用到计算中，其结 果与实验数据吻合的比较好。通过热力分析，可知系统各主要部件由不可逆而多消耗的附加功在不同的 下对系统 的影响程度是不同的。对数据进行分析并应用多元线性回归法拟合出以 、 和△ 为自变量的最优 及相应 ｃ０Ｐ一数学表达式。 关键词： ＣＯ ／ＮＨ ；复叠制冷系统；热力分析；优化；性能系数 中图分类号：ＴＢ６５７．１ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—０３２９．２０１０．０９．０１８ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃａｓｃａｄｅ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚｅ Ｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｃａｓｃａｄｅ—－ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ ＹＵ Ｘｉａｏ—ｍｉｎｇ，Ｆｅｎｇ Ｘｉ，ＬＩ Ｊｉｎ—ｆｅｎｇ，ＳＨＥＮ Ｗｅｎ－ｊｕｎ （Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ，２０００９３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｈｙｐｏｔｈｅｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃａｓｃａｄｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｔｈａｔ ｕｓｅｓ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ ａｎｄ ａｍｍｏｎｉａ ａｓ ｒｅｆｒｉｇｅｒ－ ａｎｔｓ，ａｎｄ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｈｅ ｉｓｅｎｔｒｏｐｉｃ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｆｉｔｔｉｎｇ ｆｏｒｍｕｌａｓ ｔｈａｔ ａｒｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｔｏ ｃｏｍｐｒｅｓｓ ｒａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ｉｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅｏ— ｒｅｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ，ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｇｒｅｅｄ ｃｌｏｓｅｌｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｐｏｒｔｅｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌａ ｄａｔａ．Ｂｙ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｔｅ ｃａｓｃａｄｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｉｔ ｉｓ ｄｉｓｃｏｖｅｒｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ｐｏｗｅｒ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｅａｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｖｅ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｔｓｅｆｆ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｅｒｅｎｔ Ｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｔａ，ａ ｍｕｈｉｌｉｎｅａｒ ｒｅ— ｇｒｅｓｓｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｉｎ ｔｅｒｍ ｏｆ ｅｖａｐｏｒａｔｉｎｇ，ｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇ ａｎｄ ｃａｓｃａｄｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｄｅ— ｖｅｌｏｐ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｆｏｒ ｏｐｔｉｍａｌ ｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ＣＯ２ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｍａｘｉｍｕｍ ＣＯＰ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ＣＯ２／ＮＨ３；ｃａｓｃａｄｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ；ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ＣＯＰ １ 引言 免使用那些最终会排放到生物圈中的非自然工 质，重新起用自然工质是一种更安全的选择 Ｊ。 随着环保意识的增强，人们对自然工质的研 近年来国内外对自然工质的复叠式制冷研究较 究越来越深入，在冷库中使用ＣＯ ／ＮＨ，复叠式制 多，ＰｅｔｔｅｒｓｅｎＡ等的研究表明 ，与ＮＨ 复叠系统 冷系统应运而生。ＣＯ 和ＮＨ 都具有良好的热 相比，低温级采用ＣＯ：，其压缩机体积减小到原 物性且对环境友好，具有极佳的环境使用性。Ｇ． １／１０，ＣＯ２环路可达到一４５～一５０℃的低温。Ｈ． Ｌｏｒｅｎｔｚｅｎ教授认为ＣＯ 是“２ｌ世纪最具前景的制 Ｍ．Ｇｅｔｕ等研究了高温级用Ｒ７１７、Ｒ２９０、Ｒ１２７０、 冷剂”，并称自然工质是解决环境问题的最终方 Ｒ４０４Ａ低温级用Ｒ７４４的复叠式制冷系统 ｊ，结 案…。１９３２年ｗ．Ｒ．Ｋｉｔｚｍｉｌｌｅｒ曾提出将ＣＯ２／ 果表明高温级用Ｒ７１７是较好的选择。我国学者 ＮＨ 用于复叠式低温制冷循环的方案 ，但随着 查世彤等研究表明 。 ，与Ｒ１３／Ｒ２２，Ｒ７１７／Ｒ７１７ 氟利昂的推广应用，ＣＯ：／ＮＨ 复叠式制冷并没有 复叠式循环相比较，Ｒ７４４／Ｒ７１７复叠在低温制冷 得到发展。从对环境的长期安全来看，应尽量避 条件下有明显优势；卢苇对低温级用Ｒ７４４的复 收稿日期：２０１０—０６—２８ 基金项目：项目基金：上海市重点学科建设项目（￥３０５０３）资助。 ７４ ＦＬＵＩＤ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ Ｖｏ１．３８，Ｎｏ．９，２０１０ 叠式制冷系统的研究表明［７ ３，自然工质的ＣＯＰ值 与传统工质相当，综合考虑环境因素及设备的选 择，自然工质系统值得推荐。欧美和日本已开始 应用ＣＯ ／ＮＨ 复叠制冷系统，其高温级采用 ＮＨ ，低温级采用ＣＯ ，避免因地震等可能导致的 Ｉ７４ 氨泄漏，减少系统氨的用量，提高使用安全性。 ２ ＣＯ：／ＮＨ 复叠制冷循环 ＣＯ ／ＮＨ 复叠制冷循环由两个的单级 压缩制冷循环系统组成，１—２—３—４—１称低温 级循环，５—６—７—８—５称高温级循环部分，如图 １所示。高温级循环的制冷剂为ＮＨ，，低温级循 环的制冷剂为ＣＯ：，两个循环通过冷凝蒸发 器联系在一起，构成完整的循环。高温级制冷剂 和低温级制冷剂在冷凝蒸发器中进行热交换， ＣＯ：被冷凝而ＮＨ，吸热蒸发。在冷凝蒸发器中 ＮＨ 蒸气带走低温级制冷剂ＣＯ 的冷却冷凝热， 经高温级循环将热量传递给环境。在冷凝蒸发器 中ＣＯ 被冷凝为液体经低温级节流阀节流降压， 进入蒸发器吸收被冷却物的热量，获得所需低温。 图１中 分别是低温级制冷剂ＣＯ：的冷 凝温度和高温级制冷剂的ＮＨ。的蒸发温度，Ｑ 是在冷凝蒸发器中交换的热量。 图１ ＣＯ ／ＮＨ，复叠式制冷循环不意 图２（ａ）、（ｂ）分别是复叠制冷循环的Ｔ—Ｓ和 Ｐ—ｈ，图２中的各点与图１中的各点相对应。图 ２中的ＡＴ是低温级循环的冷凝温度与高温级循 环蒸发温度的差值（△ ＝ 一 ），以下简称 冷凝蒸发器温差。 蒸发温度、 冷凝温度和 △ 是ＣＯ：／ＮＨ 复叠制冷系统的３个非常重要参 数。 ．Ｏ ４．０ ８．０ Ｓ［ｋＪ／（ｋｇ。Ｋ）］ （ａ）Ｔ—ｓ １Ｏ ０ １Ｏｏｏ ｈ（ｋＪ／ｋｇ） （ｂ）Ｐ—ｈ 图２ ＣＯ２／ＮＨ，复叠式制冷循环Ｔ—ｓ和Ｐ—ｈ ３ ＣＯ：／ＮＨ３复叠制冷系统的热力分析 对ＣＯ：／ＮＨ，复叠式制冷系统理论模型的研 究，是基于Ｙａｂｕｓｉｔａ和Ｋｉｔａｕｒａ对ＣＯ２／ＮＨ３复叠 制冷循环的实测条件 ］，并在同一制冷量，不同 蒸发温度 、冷凝温度 和凝蒸发器的传热温差 △ 下进行更深入研究。为研究方便对模型做适 当简化和假设如下： （１）管内制冷剂的流动为稳态流动，其流动 磨擦损失及与外界的热交换忽略不计。 （２）压缩过程绝热但非等熵压缩，压缩过程 的等熵效率可由一个与压比有关的关系式来 确定。 （３）工质在两膨胀阀中的膨胀均为等熵膨 胀，高、低温级的螺杆压缩机的机械效率均为 ０．９３。 （４）冷凝器出口、蒸发器出口及冷凝蒸发器中 制冷剂进行热交换后工质均处于相应的饱和状态。 ３．１ 压缩机的等熵效率和容积效率 ＮＨ，压缩机的容积效率和指示效率式关系 Ｊ： ２０１０年第３８卷第９期 流体机械 ７５ 叼 ＝一０．０００９７ａ 一０．１０２６ａ＋０．８３９５ （１） 式中 ——压缩机的压比，ｏｔ＝Ｐ ／Ｐｏ ｒ／ ＝０．０００７６ａ 一０．０５０８ａ＋１．０３２３１ （２） ３．２各状态点参数在ＥＥＳ软件中的表达 ＣＯ 压缩机的容积效率和指示效率式关 基于以上假设，图２各点状态参数可用ＥＥＳ 系 ： 软件进行计算，各状态点参数关系式见表１，已知 ｒ／ｉ＝０．００４７６ 一０．０９２３８ ＋０．８９８１ ｆ３） 两参数便可求出工质的其它相关物性参数。 ｒ／ ＝０．００８１６ａ 一０．１５２９３ａ＋１．１３４１３ （４） 表１各状态点参数在ＥＥＳ软件中的表达式 蒸发器出口 压缩机出口 冷凝器出口 膨胀阀出口 Ｐｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｐ２ ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｐ３＝Ｐ２ ，ｏ４＝Ｐｌ （Ｒ。￥，Ｔ＝Ｔｅ， ＝１） （Ｒｌ￥，Ｔ＝ ， ＝１） ｈｌ＝ｅｎｔｈａｌｐｙ ｈ２ｓ＝ｅｎｔｈａｌｐｙ 低 （Ｒ１￥，Ｔ＝Ｔｌ， ＝１） （Ｒｌ￥，Ｐ＝Ｐ２， ＝ｓ１） ＝ Ｔ４＝Ｔｅ 温 级 （Ｒ ￥，Ｔ＝Ｔ１，ｌ＝ｅｎｔｒｏＰＹ ＝１） ｈ２＝ｈｌ＋（ｈ２ 一ｈ１）￣ｎｉｌ （Ｒ ￥，ｈ３＝ｅｎｔＰ＝Ｐ３，Ｔ＝ ）ｈａｌｐｙ ｈ４：ｈ３ 循 环 Ｔ＝ｌ＝Ｔｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ３ ｅｎｔｒｏｐｙ ｓ４ ｅｎｔｒｏｐｙ （Ｒ１￥，Ｐ＝Ｐ２，ｈ＝ｈ２） （Ｒｌ￥，Ｐ＝Ｐ３， ＝０） （Ｒ１￥，Ｐ＝Ｐ４，ｈ＝ｈ４） Ｒｌ非＝’Ｒ７４４’ （Ｒ２＝ｅｎｔｒｏｐｙ ｌ￥，Ｐ＝Ｐ２，ｈ＝ｈ２） Ｐ５ ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｐ６ ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｐ７＝Ｐ６ Ｐｓ＝Ｐ５ （Ｒ２￥，Ｔ＝ ， ＝１） （Ｒ２￥，Ｔ＝ ， ＝１） ｈ５＝ｅｎｔｈａｌｐｙ ｈ６ ＝ｅｎｔｈａｌｐｙ 高 （Ｒ＝Ｔｃ ＝Ｔｃａｓｅ ２￥，Ｔ＝ ， ＝１） （Ｒ２￥，Ｐ＝Ｐ２，ｓ＝ｓ１） 温 ５ ｅｎｔｒｏｐｙ ｈ７＝ｅｎｔｈａｌｐｙ 级 循 （Ｒ２￥，Ｔ＝ ， ＝１） ｈ６＝ｈ５＋（ｈ５ 一ｈ５）／ｒ／ （Ｒ２￥，Ｐ＝Ｐ７，Ｔ＝ ） ｈ８＝ｈ７ 环 Ｔｃａｓ＝Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓ ：ｅｎｔｒｏｐｙ ｓ８＝ｅｎｔｒｏｐｙ ＝ｅ ＿（Ｒ２￥，Ｐ＝Ｐ６，ｈ＝ｈ６） （Ｒ２￥，Ｐ：Ｐ７， ＝０） （Ｒ２￥，Ｐ＝Ｐｓ，ｈ：ｈ８） Ｔ：噼 ＝Ｔｔ 一Ｋ Ｔ （Ｒｓ６＝ｅｎｔｒｏｐｙ 非，Ｐ＝Ｐ６，ｈ＝ｈ６） Ｒ２￥＝’胛ｌ７’ ２３．３ 系统的循环计算及循环过程的熵分析 ｃｏＰ＝Ｑｏ／（ＰＬ＋Ｐ ） （１２） 制冷量： 式中 Ｇ 、Ｇ ——低温和高温级循环质量流量， Ｑ０＝ＧＬ（ｈ。一ｈ４） （５） ｋｇ／ｓ 低温级压缩机耗功： ｈ ～ ８——Ｐ—ｈ图中各对应点比焓，ｋＪ／ｋｇ Ｐ￡＝ＧＬ（ｈ２一ｈ１）／（叼 ＇７ ） （６） 由热力学理论可知，对制冷机及其环境（包 冷凝蒸发器换热量： 括被冷却物体及冷却介质）所构成的孤立系统， Ｑ ＝ＧＬ（ｈ 一ｈ３）＝Ｇ （ｈ 一ｈ，） （７） 当其过程完全可逆时系统的熵保持不变，若过程 高温级压缩机耗功： 不可逆，则系统的熵要增大，即： Ｐ日＝Ｇ日（ｈ６一ｈ５）／（叼 ，７ ） （８） ＡＳ ＝ＥＡＳ Ｉ＞０ （１３） 冷凝器散热量： 式中 ＡＳ ——各部分由于发生不可逆过程导致 Ｑ ＝Ｇ （ｈ 一 ） （９） 的熵增量 低温级性能系数： 对逆向循环，不可逆过程将多耗一部分附加 ＣＯＰ￡＝Ｑ０／ Ｌ （１０） 功。由Ｇｕｏｙ—ｓｔｏｄｏｌａ原理可知其附加功为大气 高温级性能系数： 环境温度Ｔ 与不可逆过程导致熵增的乘积。若 ＣＯＰＨ＝Ｑ ／ＰＨ （１１） 某不可逆过程引起系统熵增为ＡＳ ，则它多耗附 系统总性能系数： 加功： ７６ ＦＬＵＩＤ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ Ｖｏ１．３８，Ｎｏ．９，２０１０ ＝ＴｏＡＳ （１４） 循环的各部分不可逆过程引起总的附加功 应等于各过程附加功的总和。制冷系统中制 冷剂经循环变化后熵值不变，因此孤立系统的 墒增可由被冷却物及环境介质熵的变化来计 算。各循环过程因不可逆引起的损失可用下 列式子计算： 压缩过程的损失： 。 ．ｃ０，＝ （Ｓ２—５１）ＧＬ （１５） 。 ．Ｍ ＝ （Ｓ６一ｓ５）Ｇ （１６） 冷凝过程的损失为： ： ［Ｑ ／Ｌ一（Ｓ 一Ｓ ）Ｇ ］ （１７） 节流过程的损失为： 删胁Ｍ ＝ （ｓ８一ｓ７）ＧＨ （１８） 册胁Ｇ０，＝ （ｓ４一Ｓ３）ＧＬ （１９） 冷凝蒸发器不可逆过程损失： ＷＣＡＳ，ＣＯＮ＝ｒｏ［Ｑ肘／ 。＋ＧＬ（５３一Ｓ２）＋ＧＨ（ｓ５ —５８）一ＱＭ／ ］ （２０） 蒸发不可逆过程损失： ＷＥＶＡＰ＝ｒｏ［ （ 一 ）一Ｑ。／ ，］（２１） 式中 ～ ，——环境和被冷却环境温度，Ｋ ５ ～ｓ ——各状态点的比熵，ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ） ４结果与分析讨论 ４．１ Ｔｃ 。对各主要部件多消耗的附加功及系统 ＣＯＰ的影响 在蒸发温度 ＝一５０℃、冷凝温度 ＝ ３５℃、冷凝蒸发器温差△ ＝５℃、制冷量 ＝ １７５ｋＷ的条件下，对低温级制冷剂冷‘凝温度 应用ＥＥＳ软件计算由各不可逆过程而引 起的损失如图４所示。图中表示复叠循环各 主要部件在不同 下多消耗的附加功随 变化的趋势及相应总的附加功随 。变 化关系。 高温级ＮＨ，循环过程中ＮＨ。压缩机和膨 胀阀、冷凝器由不可逆过程而引起多消耗附加 功随 …升高而降低。低温级ＣＯ：的循环过 程中ＣＯ：的压缩和膨胀过程多消耗附加功随 着 …升高而增加。蒸发器多消耗附加功无 明显变化，而冷凝蒸发器中由不可逆过程引起 多消耗附加功随 …升高而增加。有些部件 附加功随 。…变化较明显而有些部件则相对 变化不大。 （℃） （ａ）附加功 鼻１００ 妥 ８０ （ ） （ｂ）总附加功 图４ 对ＣＯ ／ＮＨ 复叠式系统附加功的影响 ＝一２８￣Ｃ时，ＮＨ 压缩过程多耗附加功 最大，然后依次为ＮＨ，冷却冷凝、ＮＨ。节流、ＣＯ： 压缩、冷凝蒸发、蒸发、ＣＯ：节流过程。 ＝３℃ 时，ＣＯ：压缩过程多消耗附加功最大，然后依次为 冷凝蒸发、ＣＯ：节流、ＮＨ 冷却冷凝、ＮＨ 压缩、蒸 发、ＮＨ 节流过程。整个系统中由于不可逆造成 多消耗附加功有的随 升高而增加，有的则随 升高而减少，故存在一最佳点使系统总的多 消耗附加功达到最小。从图４（ｂ）所示的工况下 当 ：一１５．６℃时，系统总的最小附加功为 ８３．９ｋＷ。 在上述工况下，理论模型的高、低温级的 ＣＯＰ随 变化曲线如图５（ａ）所示。高温部分 ＣＯＰ Ｈ随着 升高而增大，低温部分的ＣＯ 则随着 。升高而减小，势必存在使系统总ＣＯＰ 达到最大的最佳点。从系统总ＣＯＰ图５（ｂ）可见 理论模型在 ＝一１５．６￣Ｃ时，系统ＣＯＰ达到最 ２０１０年第３８卷第９期 流体机械 ７７ 大值１．１５１。图５（ｂ）散点图是在该条件下Ｙａ． 积和冷量损耗，也影响整个系统的经济性，一般取 ｂｕｓｉｔａ和Ｋｉｔａｕｒａ的试验数据，在 ＝一１５￣Ｃ时 系统ＣＯＰ达到最大值１．１４３，可见理论模型与试 验数据吻合的比较好。 ６．Ｏ １．０ —３Ｏ 一１２ ６ 一（℃） （ａ）ＣＯＰ、Ｈ、ＣＯＰ＿Ｌ （ｂ）ＣＯＰｇ 图５ 对ＣＯ：／ＮＨ，复叠系统的 ＣＯＰ Ｈ、ＣＯＰ＿Ｌ及ＣＯＰ总的影响 ３．２ 、 及△ 对 和最大ＣＯＰｍ￣ｘ的影响 对于不同的蒸发温度 和不同的冷凝蒸发 器温差△ ，冷凝温度 对最佳低温级制冷剂冷 凝温度 影响如图６所示。在相同蒸发温度 和传热温差下， 随 增加呈线性增加；在 相同蒸发和冷凝温度下， … 随传热温度△ 增 加而增加。 对于不同蒸发温度 和不同传热温差△ ， 冷凝温度 对ＣＯ ／ＮＨ 复叠制冷系统最大ＣＯＰ 影响如图７所示，在相同蒸发温度和相同传热温 差下，系统ＣＯＰ．￣随 增加呈线性下降；在相同 蒸发和冷凝温度下，ＣＤＰ一随传热温差△ 减小 而增大。冷凝蒸发器传热温差不仅影响其传热面 ＡＴ＝５～１Ｏｃｃ。 一ｌ 争Ｇ－１ ２ （ｑｃ） 图６冷凝温度 对 ，叩￡的影响 ｃＳ 霎 Ｏ （℃） 图７冷凝温度 对ＣＤＰ一的影响 （℃） 图８蒸发温度 对 的影响 ７８ ＦＬＵＩＤ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ Ｖｏ１．３８，Ｎｏ．９，２０１０ 量的拟合公式： ｃ，ｏｐｔ＝一１３．２１２５１＋０．４１８Ｖｃ ＋０．４０７８７￣＋０．６７３３３ＡＴ （２２） ＣＯＰ．￣＝３．６２３３６—０．０２１７６ ＋０．０３１２９ 一０．０２７８４ＡＴ （２３） ｌ 从表２回归结果中的决定系数可以看出拟合 公式的计算值与真实值有很好的拟合优度，能够 嵩 昌 满足工程应用要求。 １ ５结论 ０ （℃） 应用熵分析法对ＣＯ ／ＮＨ。复叠制冷系统进 行热力分析，得出系统各主要部分由于不可逆过 图９蒸发温度 对ＣＯＰ 的影响 程导致多耗附加功在不同 下所占比例是不 对于不同冷凝温度 和不同的冷凝蒸发 同的，由此可知复叠制冷系统各不可逆过程对系 器温差ＡＴ，蒸发温度 对最佳低温级制冷剂 统的影响程度，为改进系统经济性提供理论依据。． 冷凝温度 …影响如图８所示，在相同冷凝温 通过对ＣＯ ／ＮＨ 复叠制冷系统的热力分析，得出 度和传热温差下， …．。 随 增加几乎呈线性 系统低温级制冷剂最佳冷凝温度 和相应 增加。在相同的冷凝和蒸发温度下， …随△ ｃＯＰ 与冷凝温度、蒸发温度和冷凝蒸发器温差 增加而增加。由热力学可知制冷工质蒸发温 的关系： 度越低，传热温差的不可逆损失越大，低温复 （１）冷凝温度、蒸发温度和冷凝蒸发器温差 叠制冷机蒸发器的传热温差应取较小值，最好 中任意两个一定时，低温制冷剂最佳冷凝温度 小于５℃。 和传热温差将随另一个变量的增大呈线性增 对于不同冷凝温度 和不同传热温差 大； △ ，蒸发温度 对ＣＯ ／ＮＨ，复叠制冷系统的 （２）蒸发温度和冷凝蒸发器传热温差一定 最大ＣＯＰ影响如图９所示，在相同冷凝温度和 时，系统最大ＣＯＰ随冷凝温度 增加而减小。 传热温差下，系统的ＣＯＰ…随 的增加几乎 蒸发和冷凝温度一定时，系统最大ＣＯＰ随冷凝蒸 呈线性增加；在相同蒸发和冷凝温度下， 发器温差的增大而减小。冷凝温度和冷凝蒸发器 ＣＯＰ…随传热温差△ 的增加而增加。经多元 温差一定时，系统最大ＣＯＰ随蒸发温度增加而增 线性回归分析，结果如表２所示。 加； 表２多元线性回归结果 （３）本文的研究温度范围为冷凝温度３０— ＣＯＰ ． ４０℃、蒸发温度一３０～一５４ｑＣ温度的ＣＯ２／ＮＨ３复 项目 值 抽样 值 抽样 叠式制冷循环，鉴于ＣＯ 凝固点为一５６．５５℃，若 标准差 标准差 需要得到更低温度，则需要考虑干冰的粉末作用。 截距 一１３．２１２５ｌ ０．１４４５ ３．６２３３６ ０．０１９３１ 而过热、过冷对ＣＯ２／ＮＨ３复叠式制冷系统的影响 的系数 ０．４ｌ８ ０．０ｏ２１６ 一Ｏ．Ｏ２１７６ ３．１８８５９×１０一 还将有待进一步的深入研究。 的系数 ０．４Ｏ７８７ ０．００２３９ ０．０３１２９ ３．０６９２７×１０一 ＡＴ的系数 ０．６７３３３ Ｏ．００６２３ —０．０２７８４ ７．９９０５８×１０一 参考文献 数据点数 ４５ ７５ 估计标准差 Ｏ．Ｑ５９ｌ１ ０．０（ ９ ［１］Ｌｏｒｅｎｚｅｎ Ｇ．Ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔｓ：ａ ｃｏｒｎ． 决定系数 ０．９９９４８ ０．９９５６５ ｐｌｅｔｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ＣＦＣ／ＨＣＦＣ ｐｒｅｄｉｃａｍｅｎｔ［Ｊ］． Ｉｎｔｅｒｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ，１ ９９５，１ ８（３）： １９Ｏ～１９７． 从而可得 和ｃ０Ｐ～以 、 、ＡＴ为自变 （下转第６８页） ＦＬＵＩＤ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ ￣ｏｉ．３８，Ｎｏ．９，２０１０ 根据场协同理论，速度场和温度场的夹角越小，换 热越好，可以考虑在水箱内布置合适的插人物，充 分利用速度场与温度场的场协同作用，提高热水 加热速度。 ６结论 ｈｅａｔｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ［Ｊ］．ＡＳＨＲＡＥ Ｔｒａｎｓ．１９９４， １００（１）．９４８—９５４． ［３］ Ｓｈｕａｎｇｑｕａｎ Ｓｈａｏ，Ｗｅｎｘｉｎｇ Ｓｈｉ，Ｘｉａｎｔｉｎｇ Ｌｉ，ｅｔ．Ａ ｎｅｗ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｏｐｅｒａｔｅｄ ａｌｌ ｙｅａｒ ｒｏｕｎｄ ｗｉｔｈ ｄｏｍｅｓ— ｔｉｃ ｈｏｔ ｗａｔｅｒ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ２００１，４５：２２５５—２２６８． ［４］ Ｍｉｎｓｕｎｇ ｋｉｍ．Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｔｈｅｒｍａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ａ ｗａｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｄｒｉｖｅｎ ａ ｂｅａｔ ｐｕｍｐ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ （１）采用Ｆｌｕｅｎｔ对环境干球温度２０￣Ｃ，湿球 温度１５￣Ｃ下水的加热过程进行了数值模拟，根据 实验结果选定恒热流边界，并按照实际计算结果 作为边界条件。介绍了Ｆｌｕｅｎｔ中参数的设置与计 算过程，对热水加热过程的温度场、速度场的变化 进行了分析说明； Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ，Ｊｕｎｅ，２００４：４１５—４２１． ［５］ Ｒｅｊａｎｅ Ｄｅ Ｃｅｓａｒｏ Ｏｌｉｖｅｓｋｉ，Ａｒｎｏ Ｋｒｅｎｚｉｎｇｅｒ，Ｈｏｒａｃｉｏ Ａ．Ｖｉｅｌｍｏ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍｏｄｅｌｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａ－ ｔｉｏｎ ｏｆ ｈｏｔ ｗａｔｅｒ ｓｔｏｒａｇｅ ｔａｎｋｓ［Ｊ］．Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ，２００３， ７５：１２１—１３４． ［６］ Ｎｅｃｄｅｔ Ａｈｕｎｔｏｐ，Ｍｅｖｌｕｔ Ａｒｓｌａｎ，Ｖｅｙｓｅｌ Ｏｚｅｅｙｈａｎ，ｅｔ． ａｃ．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ ｏｎ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｒａｔｉ？ｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｈｏｔ （２）通过对热泵热水器进行测试，验证了 Ｆｌｕｅｎｔ模拟结果的正确性，可为水箱和系统整体 性能的分析提供理论依据； ｗａｔｅｒ ｓｔｏｒａｇｅ ｔａｎｋｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ＂Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ， ２００５，２５：２２８５—２２９８． ［７］ 陈振豪．空气源热泵热水器季节性能实验及优化运 行研究［Ｊ］．能源技术，２００５，２６（３）：１１７—１１９． （３）本文的数值模拟结果和实验结果可以为 热泵热水器蓄热水箱的优化设计提供参考依据。 参考文献 ［８］ 陈振豪．空气源热泵热水器性能研究及其控制装置 开发［Ｄ］，上海交通大学，２００５． ［９］ 马一太，孙方田．中高温空气源热泵热水器的工质． 优选［Ｊ］．热科学与技术，２００６，５（２）：１６８—１７３． ［１］ 董天禄．世界各国空气源热泵近期市场发展概况 ［Ｊ］，制冷技术，２００８，２：３６—３９． ［２］ Ｈｉｌｌｅｒ ＣＣ，Ｌｏｗｅｎｓｔｅｉｎ ＡＩ，Ｍｅｒｒｉａｍ ＲＬ．Ｄｅｔａｉｌｅｄ ｗａｔｅｒ 作者简介：王祥（１９８６一），男，硕士生，通讯地址：２０００９３上 海市上海理工大学能源与动力工程学院。 （上接第７８页） ［２］ Ｋｉｔｚｍｉｌｌｅｒ Ｗ Ｒ．Ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ＣＯ２一Ａｍｍｏｎｉａ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｌｏｗ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ［Ｊ］ Ｐｏｗｅｒ，１９３２， （２）：９２—９４． 马一太，王志国，等．低温级以ＣＯ：为工质的 ［７］ 卢苇，复叠式制冷循环热力学分析［Ｊ］．天津大学学报， ２００４，３７（３）：５４２，６４２，７４２，８４２． ［８］ Ｙａｂｕｓｉｔａ，Ｋｉｔａｕｒａ．ＣＯ２／ＮＨ３ Ｃａｓｃａｄｅ Ｒｅｆｉｇｅｒａｉｒｏｎ ｓｙｓ— ［３］ 马一太，王景刚，魏东．自然工质在制冷空调领域的 ｔｅｍ［Ｒ］．Ｔｏｙｏ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｗｏｒｋｓ，ＬＴＤ．，２００５． ［９］ ＳｔｏｅｃｋｅｒＷ Ｆ，Ｉｎｄｕｓｔｉｒｌａ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ Ｈａｎｄｂｏｏｋ［Ｍ］． ＭｃＧｒａｗ Ｈｉｌｌ，１９９８，１３０—１３３． 应用分析［Ｊ］．制冷学报，２００２，（０１）：１—５． ［４］ＰｅｔｔｅｒｓｅｎＡ Ｊ，Ｊａｋｏｂｓｅｎ Ａ．Ａ ｄｒｙ ｉｃｅ ｓｌｕｒｒｙ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒｅｆｉｒｇｅｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｓｙｍｐｏ— ｓｉｕｍ ｏｎ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｅａ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｔｏｄａｙ ａｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｅｒ Ｎ，Ｆｉｌｉｐｐｏ Ｄ，Ｈａｖａｒｄ Ｒ，ｅｔ ａ１．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ［１０］ Ｐｅｔｔｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｏｎ ｓｅｍｉ—ｈｅｒｍｅｔｉｃ ＣＯ２ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｓ［Ａ］． Ｆｉｔｈ Ｉｎｔｅｒｆｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ ａｎｄ ｃｏｏｌ・ ｆｕｔｕｒｅ．Ｇｄａｎｓｋ，Ｐｏｌａｎｄ，ｓｅｐ／ｏｃｔ，１９９４． ［５］ Ｇｅｔｕ ＨＭ，Ｂａｎｓａｌ ＰＫ．Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｌｌ Ｒ７４４一Ｒ７ １７ ｃａｓｃａｄｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒ— ｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ，２００８，Ｉ（３）：４５—５４． ａｎｔｓ，［Ｃ］．ＩＩＲ，Ｓｌｏｖａｋ Ｒｅｐｕｂｌｉｃ，２００４． 作者简介：余晓明（１９５９一），男，教授，主要从事通用机械及 其测控技术研究和教学工作，曾获得五项省部级科技进步奖，两 项国家应用新型专利和软件著作权，通讯地址：２０００９３上海市军 工路５１６号上海理工大学动力学院。 ［６］查世彤，马一太，王景刚，等．ＣＯ 一ＮＨ，低温复叠式 制冷循环的热力学分析与比较［Ｊ］．制冷学报 ２００２，（２）１５—１９．
