冷库氨双级压缩制冷系统最佳工况研究

    引言

    冷库制冷装置中,活塞式双级压缩制冷系统目前大多选用单机双级压缩机,而单机双级压缩机的高、低压级输气容积比已被生产厂家定形化,且只有1:3(扇型8缸和V型4缸机)和1:2(扇型6缸机)两种。选型时,有些设计人员只考虑制冷量指标,即只选符合制冷量要求的机器,而忽视了应按工况选择较为合适的输气容积比,原因可能是低估了输气溶积比对系统综合性能的影响,所有厂家在其产品说明书中也没有向用户提供这方面的信息,致使许多机器长期处在不合理的状态下运行,浪费大量的能源。从节能的立场出发,我们研究了常见的各种双级运行工况条件下的最佳中间参数(温度或压力)和相应的最佳输气容积比,我们用计算机程序模拟运行特性,可计算任意冷凝温度和蒸发温度条件下系统的最大性能系数及相应的最佳中间温度和最佳高、低压级容积比,也可根据实际的容积比计算相应的中间温度和系统性能系数。本文从大量的计算结果中找出有重要意义的规律和现象,然后结合实际系统进行讨论。目的是帮助设计人员进行科学设计及合理选型。

    1 特性模拟及最佳工况确定

    双级压缩制冷系统中,在冷凝压力和蒸发压力给定的情况下,系统运行的性能系数COP值,即产冷量与耗功之比值,与中间压力值的大小有关,图1示出了双级压缩理论循环各状态点在Log P-H图上的位置,图中,点1,点2分别为制冷剂在低压机吸汽口和排气口处的状态,点3,点4分别为高压机吸汽口和排气口处的状态,点5为冷凝器出口处的状态,点6为过冷盘管出口处或节流阀进口处的状态,点7为节流阀出口处或蒸发器进口处的状态。0点为蒸发器出口处的饱和汽体状态。根据定义,性能系数的表达式为:

    式中 Q0为设计工况下低压级压缩机的产冷量

    WT为高、低压级压缩机的耗功总和;

    Hx各对应状态点制冷剂的焓值

    下标/x0指各状态点的标号,如:0,1,2,3,5,6,7等;(见图1)

    Gd为低压级压缩机的输气量kgPs;

    Gg为高压级压缩机的输气量kgPs。

    从中间冷却器的热质平衡可导出:

    Gg=Gd(H2-H6)P(H3-H5)   (2)

    把式(2)代入式1,得:

    式(3)表明,任何双级压缩系统的COP值,最终均可转化成纯运行状态参数的函数,而与系统容量的大小无关。因此,在冷凝压力和蒸发压力给定的条件下,COP便只是中间参数(中间温度或中间压力)的函数,而高、低压级压缩机的输气容积比与中间参数的关系也可由以下过程导出:

    设高压级的理论输气容积为Vg,其实际输气量Vg#Kg,低压级的理论输气容积为Vd,实际输气量为Vd#Kd,因Vg#Kg=DgV3,Vd#Kd=Gd#V1,即容积比: