156 过低冷凝温度对制冷系统制冷能力负面影响的原因分析

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1、过低冷凝温度对制冷系统制冷能力负面影响的原因分析华中科技大学岑敏婷，杨礼桢，王劲柏摘要：本文利用稳态分布参数法建立了超市冷藏柜的数学模型,并用MATLAB语言编制仿真程序，并利用该模型对不同室外温度、使用不同孔径膨胀阀下的冷藏柜制冷系统进行模拟仿真，通过对模拟出来的系统性能参数结果进行分析，揭示现有制冷系统存在的一种非热力学制约因素——节流装置，为深入了解现有制冷系统存在的冷凝压力不能过低的问题提供了研究方向。关键词：仿真模型；膨胀阀；流量；制冷量；蒸发压力1引言平常，到了冬天，当室外温度很低时，那些仍需要制冷的场所往往会把冷却塔风机关掉，有的冷却水系统会增加一旁通管来调节冷却塔的出水温度

2、，以避免冷却水温度过低。因为很多人都知道，对于现有制冷机组来说，冷凝温度不能太低，否则就会出现制冷量不足、蒸发压力过低（低压故障报警）等问题。因此，为了防止上述问题的发生，需要限制制冷系统的最低冷凝温度，如很多制冷机组的产品说明书中往往都会注明最低冷却水温度等性能参数。然而，从热力学角度上讲，制冷系统的冷凝温度应该是越低越好的。因为由制冷循环的基本理论可知，在蒸发温度不变的情况下，冷凝温度越低，压缩机功耗越小，制冷量越大，制冷效率也越高。那为什么实际却不是这样呢？针对这一问题的原因分析，在当前国内外文献中还不统一，有些认为是闪蒸汽的原因[1,2]，有的认为是液态制冷剂温度过低的原因[3]，

3、还有些认为是膨胀阀全开后不再具有流量调节作用的原因[4,5]。显然，对于那些室内机与室外机之间的制冷剂连接管较长、高度差较大的空调机组来说，闪蒸汽是很容易产生的，相关文献[2]针对闪蒸汽对制冷系统的影响已做了较为详细的研究，相关文献[1]还提出了在膨胀阀前加液体增压泵的方法来防止闪蒸汽的形成。然而我们不知道，如果没有闪蒸汽，制冷系统是否就可以不受最低冷凝温度的限制。第二种观点认为制冷剂液体温度过低导致膨胀阀开度变小，然而这会导致蒸发器出口过热度增大，那么根据膨胀阀的工作原理可知，膨胀阀开启度将会变大，可见这种观点应该是不正确的。因此，本文比较认同第三种观点。根据膨胀阀的制冷剂流量（kg/s

4、）计算公式[6]：（1）式中：A为膨胀阀流通面积，m2；△P为膨胀阀进出口压差，pa；为膨胀阀进口处制冷剂的密度，Kg/m3；CD为流量系数，与阀门进出口物性参数、Re、阀门开度等有关。可知，当膨胀阀的制冷剂进出口状态和流通面积一定时，通过膨胀阀的制冷剂流量就会随着△P的减小而减少。如果把△P近似看作是冷凝压力与蒸发压力之差，即Pc-Pe，那么当室外温度降低时，Pc也随之降低，从而使△P减小。因此当室外温度降得很低时，△P很小，制冷剂流量就会减少得很厉害，从而导致制冷量不足、蒸发压力过低等问题。因此我们认为Pc不能过低是因为△P不能过小。而上面说过采用液体增压泵的办法，其实也可以认为是通过

5、增加膨胀阀前的制冷剂压力来维持△P的。因此，我们认为在现有制冷系统的运行中存在着非热力学方面的制约，那就是受节流装置本身的制约。研究该制约对系统性能的影响就是本文的研究目的。为此，本文通过建立关于超市冷藏柜的稳态分布参数模型,并用MATLAB语言编程仿真模拟了超市冷藏柜在不同室外温度、采用不同孔径膨胀阀下的稳态性能,并对仿真结果进行分析。2仿真对象制冷系统的介绍本文以文献[7]中的超市冷柜制冷系统作为仿真的参考对象，但只选择其中的部分组合进行模拟。蒸发器选择TFF（敞开式冷冻食品柜）；压缩机用一台Copeland的D4DT-220X压缩机；冷凝器的换热单元个数选2个。上述部件的具体结构参数

6、详见文献[7]。膨胀阀：每个蒸发器换热盘管配一个DANFOSSTUA/TUAE型膨胀阀。根据文献[8]和丹佛斯的膨胀阀选型计算方法，额定工况膨胀阀的孔径取1mm。过热度设定值为9℃。制冷工质：R404A。制冷剂充注量：由于文献[7]没有给出系统的充注量，故本文根据文献[9]大致确定系统的制冷剂充注量为9.5kg。额定工况：室外温度取23℃，相对湿度取70%；蒸发器侧进风干球温度取-15℃，进风相对湿度取80%。3制冷系统数学模型的建立3.1压缩机的数学模型⑴压缩机的流量计算[10]（2）式中：mcom为压缩机流量，kg/h；Vth为活塞式压缩机的理论容积输气量，m3/h；suc为压缩机的吸

7、气比容，m3/Kg；为输气系数。Vth和的计算公式详见文献[10]。⑵功率计算[10]（3）（4）（5）（6）式中：Nel为压缩机的电机输入总功率，KW；Nth为压缩机的理论功率，KW；el为电效率；Pc为冷凝压力，kPa；Pe为蒸发压力，kPa；i为指示效率；m为机械效率；mo为电机效率；T为温度系数；Te为蒸发温度，K；m为多变过程指数。ηmo是电机负载和电机频率的函数，计算公式详见文献[11]。⑶温度计算[11]压