空气制冷应用于空调系统的分析研究

    1 引 言

    随着社会的发展,空气调节和制冷系统越来越多的被用于商业、工业以及建筑等许多领域。尽管使用氟氯烃(即CFCs)类作为制冷剂的制冷循环具有较高的制冷效率,并且对这类制冷剂的应用技术也较为成熟。但是,由于氟利昂这类制冷剂破坏大气臭氧层和生态平衡的缺点,现在正日益被淘汰使用或被其它对环境友好的制冷剂所替代。目前,人们除了用HCFC和HFC类等含氢元素的制冷剂来代替以前的CFCs以外,对利用天然制冷工质来代替CFC类制冷剂也进行了深入的研究。天然工质以其来源丰富,易于取得,并且对环境的无污染友好性而比前者具有更好的优越性。空气作为制冷工质的制冷系统的特性研究受到人们的重视。本文以空气作为制冷剂,利用空气制冷循环作为空气调节的冷源部分,分析比较了高压循环和真空循环、闭式循环和开式循环的热力特性。利用空气循环制冷的特点,将其与被冷却空间相结合,采用一次回风的形式,达到节能的目的。

    2 空气制冷系统循环系统的热力分析

    将空气看作是理想气体,其系统循环的基本热力过程具有理想气体的特性。在图1所示的空气制冷理论循环中,包括了等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀、和等压吸热4个热力过程,如图2为4个过程在p-V图和T-S图上的示意图[1]。

    通过理论分析,可以得到空气制冷循环的制冷系数(COP)如下式:

    3 空气制冷系统的高压循环和真空循环性能分析

    图3a、图3b分别描述了空气制冷系统在周围环境相同的条件下的空气高压循环制冷(图3a的1-2-3-4-1)和空气真空循环制冷(图3b的8-7-5-6-8)。

    在利用空气的高压循环的闭式系统中,图3a中的状态点1的设计值通常为系统周围环境空气的状态[2]。压缩机吸入状态点1的空气,对其进行压缩(过程1-2),空气的温度和压力随着压缩的过程逐渐升高,当空气的状态被压缩到状态点2时,其被排出压缩机进入换热器1进行等压冷却(过程2-3)。空气被等压冷却温度达到T3时,将进入膨胀机进行等熵膨胀,等熵降压降温(过程3-4)。当空气在膨胀机中被膨胀至状态点4时,其压力与环境空气压力相同,而温度却低于被冷却空间的温度。因此,空气?制冷系统中的循环空气在低温换热器中吸收热量,温度升高,重新达到状态点1的空气状态(过程4-1),进入压缩机下一个制冷循环。在上述的制冷循环中,空气状态点的最低压力为环境的空气压力,整个循环都处于高于环境空气压力的状态下循环,所以被称为空气高压循环系统。

    在空气真空循环系统中,图3b中的状态点8的设计值同样为系统周围环境空气的状态[3]。状态为8的空气首先进入膨胀机中等熵膨胀(过程8-7)。当膨胀到状态点7时(假设状态点7的温度与高压空气循环制冷的状态点4的温度相等),其压力和温度值都已经低于被冷却空间的压力和温度值,这时循环空气进入低温换热器,并在其内等压与被冷却空间进行热交换,同时循环空气本身温度升高(过程7-5)。低温低压的循环空气经过低温换热器后进入压缩机进行压缩,升温升压后达到环境压力(过程5-6),经过高温换热器对状态点6的空气进行等压冷却后重新使用。开始下一个循环过程(6-8)。在上述的制冷循环中,空气状态点的最高压力为环境空气压力,整个循环都处于低于环境空气压力的状态下循环,所以被称为空气真空循环系统。