逆布雷顿制冷循环分析和板翅式换热器的设计.docx

2.逆布雷顿循环制冷系统循环分析与理论设计图2-2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”-3-4'-5'-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别很大。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ncs，在膨胀机中的膨胀过程要考虑到相对内效率Hto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4',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达到可逆，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埔效率。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1'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2',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0.60.8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0.50.7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，效率可以达到0.750.95,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B=0.1MPa,压比n=3.0,则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+T=T0+(T-T0)*(1-r)=231.7K,r=0.85为回冷热交换器的效率T5-=T4*(P5P4)(1.41-1)/1.41)=168.3K由=(T4-T5)/(T4-T5*)的得出T5=193.7K,其中"为等燧膨胀效率Tr=298.0KT2=T1*(p2p)(1.41-1)1.41)=410.2K由(T2,-1Y)/(T2-Tr)=ncs得T2=458.3K,其中ncs为压缩机效率综上可知各点温度：Tl=298.0K,T2=458.3KT3=298K,T4=231.7K,Ts=193.7KJ6=220K由HiSt软件可以计算各点的焰值图2-4制冷机的单位质量工质耗功量为W=We-W6式子中We是压缩机气体耗功，We是膨胀机膨胀气体做功。wc=h4-h5=37.49KJkgwe=h2-h1=162.22KJkg,其中ncs是压缩机绝热压缩效率空气单位质量制冷量q0=h6-h5=26.47KJkg则制冷系数COP=qw=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=Qqo=OO189kgs计算结果汇总回热器性能系数085,回热器冷热端传热温差为11.7K,质量流速为0.0189kgs状态点温度（K）燃值（KJkg）压力（MPa）1'（压缩机入口）298.0298.300.12（压缩机出口）458.3460.520.33（回热器热端入口）298.0297.840.34（膨胀机入口）231.7230.850.35（膨胀机出口）193.7193.360.16（回热器冷端入口）220.0219.830.11（回热器热端出口）186.3185.900.13.逆布雷顿循环制冷系统板翅式换热器设计3.1 板翅式换热器的主要优缺点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30300（千卡/米2小时C）,而一般管式换热器只达（千卡/米2小时C）；3.1.2 结构紧凑：板翅式换热器单位体积的传热面积可达Io（K）2500（米2/米3）,而一般管式换热器只有50150（米2/米3）；3.1.3 轻巧而牢固：由于结构紧凑，体积小，一般均采用铝镒合金制造，故重量轻，波形翅片既是主要传热表面又是两板支撑，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26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；检修探伤也比较困难。3.2 板翅式换热器的基本结构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）。再将半圆封头用氨弧焊焊在板束上，就制成了一个板翅式换热器。（见图3-1）图3-13.3 目前已经生产的翅片规格和参数翅片的型式有断续形（或者称片条形、百叶窗形）、光片形、光片打孔形;翅片的高度有9.5、6.5、4.7毫米。共三种形式九种规格。但是设计中一般选用三种，既是：对气相传热，选用高度为9.5毫米的断续形翅片；对液相传热，选用高度为4.7毫米的光翅片；相变的选用高度为6.5毫米的光片打孔形翅片。现在把三种规格的参数列在表3-1通道的截面如图3-2所示图3-2表3-13.4 设计计算公式传热方程式Q=KF其中：Q-换热量（KJh）K一传热系数（kJ/n?h）F一传热面积（m?）Atm一对数温差（）3.4.1 传热系数的计算略去平板的热阻，翅片间热冷流体的传热系数分别是:其中K,K2一分别是热冷流体侧面的传热系数（kJnh°C）.，一一是热冷流体侧面给热系数(kJ?h°C)7，小一是热冷流体侧面翅片的全效率F1,F2一是热冷流体侧面的传热面积(m2)3.4.2 给热系数的计算=GCpGf(kJm2h0C)其中G一单位面积质量流速(kgm2s)Cp流体的定压比热(KJkg°C)St-斯特顿准数St=jPr2y3J一传热因子，是雷诺准数Re的函数。有关j和Re的关系的计算公式较多，可以采用实验的j-Re曲线,如图3-3所示图3-3传热因子j和摩擦系数f与Re数之间的关系Pr-普朗特准数pr-从9。，360°一流体黏度(kgss2)g一重力加速度(ms2)一流体的导热系数(kJm2s0C)Re-雷诺准数Re=GD/gDe当量直径(m)3.4.2翅片全效率的计算翅片是板翅式换热器最基本的元件，冷热流体的热交换，一部分是直接接触的平隔板来完成，但是大部分是通过翅片来完成。由于翅片传热不想平隔板那样直接传热，故翅片被称为二次表面。在翅片高度方面有温度梯度，既存在着翅片效率，可以设翅片与平隔板接触处的温度是TW(eC),翅片平均温度是Tm(),流体温度是TbCO,可以得到翅片效率Ti-Tm_tan(wU)不二kml一式中：吸一翅片效率tan一为双曲正切函数tan¾c=,一+e式中：给热系数（千卡/米*小时七）L翅片材料的导热系数（千卡/米,小时6a翅片厚度（米）为计算方便，将函数值列成卜.表:XtanAx×XtanftjfXtanx×tanhx0.00Q.00000210.20700.420.39690.62C.55110,830.6806¢.01O.CIOO0.220.21650.430.40530.630.55810.840.6858«020C20Q0.2302200440.41360.640.56490.860.6911003003000.240.23550.45042190.65057170.860.69830.040.04000.2502449Q456042680.660.57840.870.701400590500C.2C0.2!>130460.43010.670.58500.880.70640060.05990.270.26360470.43820.680.5915080.71140070.06990.280.27290.480.44620.690.5980090071630.030.07980.290.28210.490.4S420.700.60440.910.72110.09008960.30O.29k30S004t2lI0.710.61070.920.72590.10OO970.310.30040.51XJ.47000.720.61690.930.73060110.10960.320.30950.52047770.730.6231Q.940.73520420.11940.330.31850.530.48540.740.62910950.7398«.139.12930.340.3275054Q.49300.750.63620.960.74430.140.13910.85033640.550.50060760.64110.970.74870.15944890.360.34520.5605080077064690.980.75310.16Q.15S7037035400.570.51540.7806527I0.90.7574170.16a40.380.36270.5805227079065841.000.7616“18517810390.37140590529908006640.190.18780.400.38000.600.53700810.6696-200.19740.410.38850.610.54410.820675l表3-2L值的计算如下：热流体在两冷流体之间，则l=h2,热流体一边是冷流体，另一边是热流体，则l=h,h是翅片高度序片全效率1(1-叫今为二次传热面积和总传热面枳之比值344对数温差Atm计算ZiHAt=".ajm-rt1,t2进口端和出口端热冷流体最大温差和最小温差3.4