水冷式空调用开式空气-蒸汽压缩制冷系统

水冷式空调用开式空气-蒸汽压缩制冷系统 摘要：本篇论文讲述一种水冷式空调用开式空气-蒸汽压缩制冷系统，并通过性能仿真证明

了其灵活性。使用夹点技术分析了表面式热交换器的换热量，夹点温度差选为6度。 制冷主要依赖于空气和蒸汽，比传统空气循环更加高效，透平机械的应用使之成为 可能。本系统用冷水冷却而非直接用风冷。同时，系统废热可以将冷水加热到33 至40度。分析了系统COP对?c和?t的敏感度，通过仿真计算了循环的T4, T7, T8, q1, q2和Wm。模拟结果显示系统COP主要依赖于T7,?c和?t，并且随T3 或 Twet 变化，虽然系统COP对轴流式压缩机和透平膨胀机的效率比较敏感，但该循环仍可 灵活应用于某些领域。此系统的最佳压比更低一些，从而使得轴流式压缩机需要更 少的级数。调节轴流式压缩机的旋转速度可以很容易地控制压比，质量流量和制冷 量。应用本循环将会是整个空调房间更加舒适，并且因为可获得很低温度的空气而 降低初投资。对中央空调系统，湿空气是极好的工作介质，并且对使用者来说是没 有费用的。在进入透平膨胀机之前用冷水冷却空气使循环效率更高。此外，夹点技 术是用于分析湿空气和水之间热量交换的好方法。

关键字：透平机械，空气循环，空气循环单元，自然流动介质，制冷，夹点技术

1. 前言

在夏季，中国中部的户外温度可达38至40度，此时来自供水系统和地下水的水温大

约是17度，重新填充的地下水温度可能更低。这些水用于人们在旅馆直接洗漱太凉了，通常需要锅炉加热之后才能洗漱。如果用这些冷水直接在空调中冷却空气，又由于温差小及大的耗水量而不划算。

空气压缩制冷循环很早就被开始研究。一些劣势阻碍了空气作为制冷循环中的工作介质，如低单位容积制冷量导致需要大的压缩机，而压缩机和膨胀机的效率低导致系统的COP低。在20世纪30年代CFC工质出现之后，人们就很少去关注空气压缩制冷了。

最近，因为CFC工质对大气臭氧层的破坏以及环境保护的压力，关于空气制冷循环的研究最近又得到了很多关注最小化(EGM)的应用

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【1-3】

。空气循环的优化也导致了有限时间热力学（FTT）或熵产

。

【8】

陈等人研究了一个简单的、可再生的

【9、10】

空气制冷循环的传热损失和其他不可逆损

失，分析了影响COP的冷负荷。罗等人

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通过找寻压缩机最佳压比和在定总热交换量情

况下换热器的热和冷两侧最佳热导率分布，优化了冷负荷和一个简单不可逆空气制冷循环的COP。

随着航空航天工业的高速发展，高效轴流压缩机和透平膨胀机成为现实。目前，轴流压缩机和透平膨胀机的单级等熵效率可以达到0.88-0.91调节系统中了。

然而，在以上空气压缩制冷循环的研究中，工作流体中的水蒸气都没有被考虑，并且所使用的设备是比轴流式压缩机和轴流式透平膨胀机效率低的离心式压缩机和内流式透平膨胀机。从高压湿空气中抽取的水量能达到18到30g/kg，蒸汽冷凝的潜热量大约45至75kJ/kg，超过空气的显热30至50kJ/kg。

1992年，侯和李研究了空调用轴向流动的空气-蒸汽压缩制冷系统，在该系统中湿空气是工作介质，并应用了轴流式压缩机和透平膨胀机注意。

在文献【14】（2004年）中，侯和张研究了一种用循环水冷却的空调用轴向流动空气-蒸汽压缩制冷系统，在该系统中，湿空气是工作介质，压缩机和透平膨胀机是轴流式的，湿空气用循环水冷却。该论文通过性能仿真证明了其可行性，也说明了该系统的优点。 其优点包括有可能简化空调系统、减少空气调节系统的初投资和使空气调节房间更加舒适。

本论文的目的是展示一种水冷式空调用开式空气-蒸汽压缩制冷系统，并模拟其性能。在此开式空气-蒸汽制冷循环中，用的水来自供应水或者地下水。这样，我们就能够在透平膨胀机前得到更低的湿空气温度。此外，冷却水被加热后可以用于洗漱。

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。现在高速风机已经用于常规空气

。但是到目前为止都没有引起人们的

2. 系统

水冷式空调用开式空气-蒸汽压缩制冷系统的焓-熵及系统流程图见图1。

图1. 水冷式空调用开式空气-蒸汽压缩制冷系统的焓-熵及系统流程图

2点状态下的户外空气被吸入雾化室，在雾化室被一些细小水滴冷却成饱和空气（状态点3）并被轴流式压缩机压缩。这样，就获得了高温（T4）高压（p4）的压缩空气流。然后，4状态下的压缩空气在位于轴流式压缩机出口后的热交换器表面被冷水或地下水冷却到

饱和状态7，其温度为T7。从状态4到状态7的过程中，部分蒸汽得以冷凝而释放出蒸汽潜热。然后，状态7下的饱和空气在透平膨胀机内膨胀成冷空气（状态8）。状态8下的冷空气被输送到空调房间。同时，冷水在表面式热交换器中被加热。

在轴流式压缩机之前，水的注入用以降低工作流体的温度和压缩过程中的多变指数，这样，可以减少一些压缩功。此方法已用于战斗机提高速度时的喷气引擎中。然而，区别是喷气引擎中注入的是水，酒精等等

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。

压缩空气中的水蒸气容易从表面式热交换器中抽取出来。相同温度下，饱和湿空气在高压p4时的含湿量大约仅是p3压力时的p3p4。此种用压缩空气获到干空气的方法在中国南方的一些工厂中已有所应用。

上述空气-蒸汽压缩制冷系统不同于传统的空气循环系统，它有许多特征：

第一，用到了轴流式压缩机和透平膨胀机。透平机械的特点是大质量流率和高效率。其他类型的压缩机和膨胀机没有上述特点。

第二，该制冷系统吸入含微小水滴的经预冷的湿空气，同时，当空气从状态4冷却到状态7时一些蒸汽将会冷凝出来。从高压湿空气中提取的水量可达18到18-30g/kg（干空气），蒸汽冷凝所放出的潜热大约可达45至75kJ/kg（干空气），超过空气的显热（约30至50kJ/kg。（干空气））。基于这个原因，此空气-蒸汽制冷循环的制冷量由空气的显热和水的潜热共同承担。

最后，冷水中的冷量得以利用。而该冷量在通常情况下是不能得到利用的。

3.性能仿真

3.1湿空气

湿空气的含湿量D可由下式计算

D?621.98Pvap （1）

B-Pvap湿空气的焓H由下式计算

H?1.006t?0.001D(2501?1.805t) （2）

水蒸气的饱和压力和饱和温度的关系满足ps?f?ts?参考文献【15】。 计算湿空气的饱和温度可用饱和焓、公式（1）、公式（2）和

ps?f?ts?。

3.2轴流式压缩机

湿空气的压缩过程中，空气中的小液滴可能会蒸发。由于水的蒸发会带走热量，我们将湿空气在压缩机中的理想压缩过程看作多变过程。因此，我们可以得到压缩每千克干空气的压缩机理想耗功Wc：

?1??np4nnWC?(Rair?0.001DRvapor)T3?1?()? （3）

n?1p3??其中n是压缩过程的多变指数。

轴流式压缩机的实际耗功是Wc/?c，其中?c是压缩机的热效率。

3.3透平膨胀机

压力为p7和温度为T7的饱和空气在进入透平膨胀机前就已经在表面式热交换器中被冷却水除湿。在状态7时，饱和空气中的蒸汽量很少，大约是p3压力时饱和空气中的量的

p3p7。因此，冷凝水在空气中是雾状的。但是透平膨胀机中饱和空气的膨胀不能视为理

想气体绝热膨胀。随着透平膨胀机中湿空气压力的下降，湿空气的温度下降，水蒸气在冷凝过程中就会放出热量。排出的热量可能会导致透平膨胀机出口的温度升高和膨胀过程中膨胀功的增加。

关于这个问题，我们在计算膨胀功时，假设膨胀过程无相变，且有些热进入到湿空气中。根据上述假设，该问题可以简化成理想气体的多变过程。因此，我们可以通过迭代法得到理想膨胀功Wt、透平膨胀机输出的实际功及透平膨胀机出口温度。

下面是计算Wt和T8的步骤。

1.通过T7确定ps7，再由ps7 和 p7确定D7，D7 和 T7决定H7。 2.用以下公式得出状态7下饱和空气的气体常数R：

R?0.001(287?0.461D7) （4）

3.根据理想气体绝热膨胀计算出初始的Wt以进行迭代。 4.计算状态8的饱和空气的焓：H8?H7?Wt。 5.利用H8和p8决定T8、ps8 和D8 。 6.计算n：

nlog(P7/P8)? （5） n?1log(T7/T8)