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一种用于船舶空调和海水淡化的开放式空气-蒸汽压缩制冷系统
摘要
本文介绍了一种用于海水冷却船舶空调和海水淡化的开放式空气-蒸汽压缩制冷系统，并通过性能模拟证明了其可行性。夹点技术用于分析表面换热器中的热交换，夹点处的温差选择为6°C。淡水来自涡轮机之前的压缩湿空气的除湿以及冷却水的闪蒸和冷凝。它的制冷主要取决于空气和蒸汽，比传统的空气循环更有效，而涡轮机械的使用使这成为可能。该系统可以使用海水中的冷却器，此冷却器不能直接用于冷却空气。此外，从该系统排出的热量可以用于海水淡化。给出了性能系数COP对hc和ht的敏感性分析以及循环周期的模拟结果T4，T7，T8，q1，q2 和wm 。模拟结果表明，该系统的性能系数COP主要取决于T7，hc和ht，并且随着T3或Twet的变化而变化，尽管性能系数COP对轴流式压缩机和涡轮机的效率敏感，但该循环在船上是可行的。该系统中的最佳压力比可以更低，这导致轴向压缩机的级数更少。 采用该系统将使空调房间更加舒适，因为它的空气温度非常低。潮湿的空气是船上中央空调和海水淡化的理想工作液，对用户来说是免费的。因为在涡轮机之前使用冷却的海水来冷却空气使得该系统效率更高。此外，夹点技术是分析湿空气与水的热交换的较为完善的方法。
关键词：涡轮机械；海水淡化；空调机组；天然工作液；制冷；夹点技术。
1.引言
夏季南海的外界空气温度可达27-34°C，相对湿度接近90％。然而，海平面以下10米的海水温度为18-25°C，远低于海平面的海水温度可能更低。如果海水直接用于冷却空调中的空气，则由于温差小且泵的工作量大，所以效率不高。
空气压缩制冷循环很久以前就研究过。几个缺点使得空气在制冷中不能用作工作流体。这些缺点包括低体积制冷效果，这可能导致压缩机体积过大，并且由于压缩机和膨胀机效率低而导致性能系数COP低。在1930年代CFC的发明之后，人们很少关注实际的空气压缩制冷。
最近，由于氯氟烃（CFC）对臭氧层的破坏和环境保护方面的压力，对空气制冷循环的研究受到越来越多的关注。空气循环的优化也使用有限时间热力学（FTT）或熵产生最小化（EGM）进行。
陈等人研究了具有热传递损失或其他不可逆性的简单和再生空气制冷循环的冷却负荷与性能系数COP特性。罗等人通过寻找压缩机的最佳压力比和固定式换热器存量的冷热侧换热器热导率的最佳分配比，提高了一个简单的不可逆空气制冷循环的制冷负荷和制冷系数。
斯宾塞等人报告了用于公路运输的空气循环制冷机组的设计，建造和测试以及用于公路运输的可行空气循环制冷系统的性能分析。
周等人提出了内可逆空气制冷机的冷负荷密度分析和优化，内可逆变温蓄热器空气制冷机的冷负荷密度特性，再生空气制冷机的理论优化和再生空气制冷机的冷负荷密度优化。
陈和苏为不可逆转的布雷顿制冷循环提供了充满有效的效率优化。陈等人提出了不可逆变温蓄热器空气冷冻机的性能优化。威廉姆森和班赛尔研究了空气循环系统在热回收低温制冷应用中的可行性。
随着航空工业的发展，高效的轴流压缩机和涡轮机已成为现实。目前，单级轴流压缩机和涡轮机的停滞等熵效率可达到0.88-0.91。如今，高速风扇已经用于普通的空调系统中。
然而，在上述所有关于空气压缩制冷循环的研究中，并未考虑工作流体中的水蒸气，并且在大多数研究中使用的设备是离心式压缩机和向心式涡轮机，其效率低于轴向压缩机和涡轮机。从高压湿空气中提取的水的量可以达到18-30g /kg。从蒸汽冷凝排出的潜热量约为45-75kJ /kg，超过来自空气的显热，30-50kJ /kg。
侯和李提出了一种用于空调的轴流式空气-蒸汽压缩制冷系统，其中湿空气是工作流体，轴流压缩机和涡轮机被使用，但这些还没有引起人们的注意。
侯和张介绍了一种用循环水冷却的空调轴流式空气-蒸汽压缩制冷系统，其中湿空气是工作流体，轴流式压缩机和涡轮机使用，湿空气通过循环水冷却。论文通过性能仿真证明了其可行性，并指出了其优点。其中包括简化空调系统，减少空调系统初始投资的数量以及使空调房间更舒适的可能性。他们成功地将夹点技术应用于太阳能增湿-除湿海水淡化工艺的性能优化，并且对太阳能多效加湿海水淡化阳离子脱盐过程进行了（㶲）分析。
本文提出了一种开放式系统，即船用海水制冷空调和海水淡化的开放式空气-蒸汽压缩制冷系统，并对其性能进行了仿真。在这种开放式空气-蒸汽制冷循环中，使用来自深海的海水。因此，我们可以在涡轮机之前获得较低的湿空气温度。此外，来自冷却水的能量可用于海水淡化。
2.系统
如下所示为船用海水冷却空调和海水淡化用开放式空气压缩制冷系统的焓-熵坐标和电路图，分别为图1和图2。
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图1.用于海水冷却船舶空调和海水淡化的开放式空气压缩制冷系统的焓-熵坐标表示
2处的室外空气被吸入雾化室，在3处用一些细小的水滴冷却成饱和空气，然后通过轴向压缩机压缩。 获得4℃的压缩空气流，其具有更高的温度T4和高压P4。 然后，在轴向压缩机出口之后，在表面热交换器中通过冷却海水将4处的压缩空气冷却成7℃的饱和空气，温度为T7。一些蒸汽冷凝成淡水，蒸汽的潜热从4到7排出。然后，7处的饱和空气膨胀并冷却到涡轮机中8℃的冷空气中。 然后将8处的冷空气输送到船上的空调房间。 海水在表面热交换器中被加热，并在具有非常低压力的罐中闪蒸。 来自闪蒸的蒸汽在另一个罐中冷凝成淡水。
AC：雾化室C：压缩机SHE：表面换热器T：涡轮机
图2.用于海水冷却船舶空调和脱盐的开放式空气压缩制冷系统的电路图
轴流式压缩机之前的淡水喷射旨在降低工作流体的温度和压缩过程中的多变指数。因此，我们可以节省一些压缩工。当战斗机加速时，该方法已用于喷气发动机。然而，不同之处在于喷射发动机喷射的是水，酒精等。
压缩空气中的水蒸气可以通过表面热交换器容易地提取。在相同的温度下，高压P4处的饱和湿空气的湿度比仅为压力P3处的P3 / P4的湿度比。在中国南方的一些车间中使用了使用压缩空气来获取干燥空气的方法。
上述系统不同于传统的空气循环系统。这种气流制冷循环中有许多特征。
首先，在上述系统中使用轴流式压缩机和涡轮机。涡轮机的特点是质量流量大，效率高。 而其他类型的压缩机和膨胀机没有上述优点。其次，该制冷系统吸入预冷的湿空气和细小的水滴，一些蒸汽在空气冷却过程中从4到7冷凝。从高压湿空气中提取的水量可达18-30g/kg。并且从45-75kJ/kg冷凝的蒸汽冷凝的潜热量超过来自空气的显热，30-50kJ /kg。因此，该空气-蒸汽制冷系统中的制冷负荷取决于空气的显热和蒸汽的潜热的组合。最后，使用冷却海水的冷却液，通常不能使用。
3.性能仿真
3.1湿空气
湿空气的湿度比d得自
湿空气的焓h由下式计算得出
饱和压力与饱和温度之间的水蒸气关系式为或
这些都是根据AHRAE手册中的数据拟合的.
3.2轴流压气机
在湿空气的压缩过程中，空气中细小的水滴会蒸发，因为水分的蒸发吸收热量，我们可以把压缩机中湿空气的理想压缩过程看作是一个多方过程。因此，我们可以获得每千克干空气wc压缩机的理想功。来自
其中，n是压缩过程的多变指数。
轴流式压缩机消耗的实际工作是wc/eta;c，其中eta;c是压缩机的热效率。
3.3涡轮
在涡轮机通过冷却海水在表面热交换器中除湿之前，压力为P7且温度为T7的饱和空气。在点7处，饱和空气中包含的蒸汽量非常小，包括在P3处的饱和空气中的底座的P3 / P7左右。因此，在空气中冷凝的水是雾状。然而，涡轮机中饱和空气的膨胀不能被视为理想气体的绝热膨胀。随着涡轮机中湿气压力的降低，温度也随之降低湿空气减少，一些水蒸气冷凝时排出一些热量。 排出的热量可能导致涡轮机出口的温度和膨胀中的功增加。
对于这个问题，当我们计算膨胀过程所做的功时，我们可以想象在膨胀过程中不存在相变，并且湿空气中增加了一些热量。根据上述假设，该问题可以简化为理想气体的多方膨胀问题。因此，我们可以通过迭代得到由展开式wt所完成的理想功，然后得到由涡轮和涡轮出口的温度。
3.4表面式热交换器
表面换热器换热分析采用夹点技术，夹点处的温差为6°C，夹点技术是识别技术和经济上有意义的节能措施的图形化方法。因此，可以确定系统中的最小冷却和加热需求，以及每个温度水平的净热量。
根据夹点技术，可以从冷热曲线获得冷水与干燥空气的最佳质量流量比。
4.性能
每千克干燥空气排出的热量q1可以通过压缩机入口和第一表面热交换器出口之间的焓差来确定，使用下面的公式：
每千克干空气中的淡水产品率可通过以下公式确定：
每千克干燥空气的制冷量q2可以通过压缩机入口和涡轮机出口之间的焓差来确定，使用下面的公式：
制冷循环消耗的功由下式计算
该制冷系统的性能系数COP通过以下公式计算。（冷却水系统消耗的功不包括在内。）
5.结果
影响海水冷却船空调和海水淡化用开放式空气-蒸汽压缩制冷系统制冷系数的因素很多，包括轴流压缩机的压力比、P4/P3、轴流压缩机和涡轮的效率、大气的湿球温度Twet和冷却海水温度。淡水产出物依靠冷却压缩空气排出其热量。
在模拟过程中，轴流式压缩机的压力比从1.6到2.5变化，室外空气的湿球温度从20到30℃，冷却水温度为15-27℃。
轴流式压缩机前压力损失为300 Pa，轴流式压缩机和涡轮机之间压力为300 Pa，涡轮机后压力为600 Pa。
一些令人鼓舞的结果所示于图。性能系数COP的轴向压缩机和涡轮机的效率的灵敏度在图中示出。图3中的线是用于空调和热水冷却的开放式空气压缩制冷系统的COP线。当T7 = 30℃时，通过冷水，轴流式压缩机和涡轮机的效率分别为90％，88％，86％和80％。图4中的线是用于空调和热水的开放式空气压缩制冷系统的COP线。当T7 = 25℃时，用冷水冷却，轴流式压缩机和涡轮机的效率分别为90％，88％，86％和80％。如图3和4所示，轴流式压缩机和涡轮机的效率严重影响COP。当T7较低时，性能系数COP较高。
图3.当T7 = 30°C时，COP对轴流式压缩机和涡轮机效率的相关性
图4.当T7 = 25°C时，COP对轴流式压缩机和涡轮机效率的相关性
当P4/P3=2.2，=0.90和=0.90时，轴向压缩机和涡轮机的效率COP如图5所示。图5给出了COP与T3(Twet)和T7的变化。
图5.当P4 / P3 = 2.2， = 0.90和= 0.90时，轴向压缩机和涡轮机的效率的COP
虽然COP对轴流式压缩机和涡轮效率的敏感性很高，但这些循环是可行的。首先，这种新型涡轮机械在设计点附近工作，轴向压缩机和涡轮机的效率在设计点非常高，约为0.89-0.91。其次，进气是清洁无尘的，因此轴流式压缩机和涡轮机的效率将会很高。在工作时不会大幅下降。第三，涡轮机械中没有非常复杂的燃烧室和高温涡轮机。因此，它比许多人想象的要容易得多。 最后，通过额外的设计措施，轴流式压缩机和涡轮机的效率仍有改进的余地。
当 = 0.90，= 0.90，T7 = 30℃和P4 / P3 = 2.2时，用于海水冷却的船舶上的空调和海水淡化的开放式空气压缩制冷系统的模拟示于图中。图6给出了压缩机后的温度T4，涡轮前的温度T7和涡轮后的温度T8与压缩机前的温度T3（Twet）的关系。图7给出了每千克干燥空气的制冷量q2的关系。 每千克干燥空气的排放热量q1和制冷系统消耗的功率wm与压缩机前的温度T3（Twet）。 COP与压缩机前温度T3（Twet）的关系可以在图4中找到。
图6当 = 0.90， = 0.90，T7 = 30°C和P4 / P3 = 2.2时，用于海水冷却的船舶空调和海水淡化的开放式空气压缩制冷系统的模拟温度
图7对船用开放式空气压缩制冷系统在=0.90、=0.90、T7=30°C、P4/P3=2.2时的空调和海水淡化过程进行了模拟。
图8给出了当= 0.90，= 0.90和P4 / P3 = 2.2时，用于海水冷却的船舶上的空调和脱盐的开放式空气压缩制冷系统的。从图8可以看出，室外温度越高，每千克干燥空气的淡水产品率越高，。
图9是当= 0.90，= 0.90和P4 / P3 = 2.2时，表面热交换器中的湿空气和冷却海水的夹点图。在图9中，T4#39;和T4分别是T3 = 25℃和30℃时的点4。
图8当= 0.90，= 0.90和P4 / P3 = 2.2时，用于海水冷却船舶空调和海水淡化的开放式空气压缩制冷系统
图9.当= 0.90， = 0.90和P4 / P3 = 2.2时，表面换热器中的夹点图
6.结论
该研究表明了开放式空气-蒸汽压缩制冷系统在海水冷却船舶上进行空调和海水淡化的可行性。计算结果表明
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本文给出的海水冷却船舶空调和海水淡化的开放式空气-蒸汽压缩制冷系统可以利用冷海水中的冷
资料编号：[4145]
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