1、低温与超导第 47 卷第 1 期制冷技术efrigerationCryo SupercondVol 47No 1收稿日期: 2018 09 20作者简介: 陈清华( 1978 ) ， 男， 教授， 研究方向为传热传质学。复叠式制冷循环软件设计及应用陈清华1，吴宇1， 苏国用1， 宋皓然1， 王皖南2( 1 安徽理工大学， 淮南 232001;2 广东立佳实业有限公司， 东莞 523000 )摘要:设计了一款由 Matlab 中 GUI 界面开发研制的制冷软件， 包括参数输入， 制冷环境、 界面互换， 焓值检测以及结果显示五个窗口界面。该制冷软件， 基于蒸发式压缩制冷循环原理， 对复叠式制冷系统
2、进行分析， 根据蒸发温度， 冷凝温度， 制冷量确定压缩机功率， 得出系统 COP。同时， 根据环境计算所需制冷量， 并应用于恒温恒湿试验箱。通过实际制冷循环对比， 发现计算结果与实际值的误差小于 5%， 从而证明软件的准确性。关键词:Matlab; 制冷软件; 复叠; 制冷量; 功率中图分类号: TB65文献标识码: ADOI: 10 16711/j 1001 7100 2019 01 016Software design and application of cascade refrigeration cycleChen Qinghua1， Wu Yu1，Su Guoyong1，Song H
3、aorang1， Wang Wannan2( 1 Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China;2 Guangdong Lijia Industrial Co Ltd ， Dongguan 523000， China)Abstract:A refrigeration software was developed by the GUI interface in matlab，including parameter input，cooling envi-ronment，interface interchange，
4、threshold detection and results display five window interfaces The refrigeration software，basedon the principle of the evaporative compression refrigeration cycle，determined the compressor power based on the evaporationtemperature， the condensation temperature， and the cooling capacity and obtains t
5、he system COP At the same time， the requiredcooling capacity was calculated according to the environment and applied to the constant temperature and humidity test chamberThrough the comparison of the actual refrigeration cycle， it is found that the error between the calculated result and the actual
6、val-ue is less than 5%，thus proving the accuracy of the softwareKeywords:Matlab，efrigeration software，Cascade，Cooling capacity，Power1引言制冷循环过程离不开对制冷设备的设计， 人们在进行制冷设备的选型时， 往往依据经验， 由于缺少计算机智能软件辅助， 既花费大量的设计时间， 又受制于先前的设计模型， 这对制冷循环的发展是不利的1 3 。目前， 市场上针对制冷系统的仿真软件较多， 有 EASY5、 ANSYS 等。而在复叠制冷领域， 存在配置冷量偏大， 计算方法繁琐
7、， 设备投资多等不足， 需要一款偏向于设计计算的软件， 以提高设计速度和精度， 为实际制冷系统的选型提供参考。2002 年， 查世彤等人分析了 CO2NH3的物性特征并通过计算得出不同蒸发温度下的低温循环最佳冷凝温度和流量比4 。2005年， 马一太等人发现在 CO2NH3循环的节流减压过程中， 使用膨胀机可以大幅度提高制冷循环的 COP5 。2005 年， 孙洲阳等人利用 MATLAB软件实现了中央空调水系统平衡优化地热热泵的智能调控、 空调房间有效通风模拟和制冷空调系统节能优化调控与仿真等， 在制冷空调领域取得了突破6 。2011 年， 赖艳华等人采用热力学方法分析蒸发温度、 冷凝温度、
8、冷凝蒸发器的传热温差等因素与系统性能的关系， 从而得出最优制冷系数7 。2013 年， 谢钦使用 Visual Basic 编写计算软件， 为单级压缩式制冷循环提供了零部件选型的功能8 。上述研究主要针对的是复叠制冷循环的特性以及计算软件在其他制冷领域的应用。针对具体的复叠制冷恒温恒湿试验箱， 本计算软件根据实际制冷空间， 由内部空间的表面积得到空载时的制冷量， 再根据复叠式制冷循环计第 1 期陈清华等: 复叠式制冷循环软件设计及应用算公式， 分别得出低温级和高温级压缩机功率和排气量， 调整低温级和高温级的温度， 可以分析系统 COP 的变化趋势， 得出最佳工作状态。本软件同样适用于各种不同种
9、类的工质和其他种类的制冷循环。2软件原理2 1507a 23 制冷系统的工况分析507a 23 复叠式制冷系统由高低温级制冷循环组成， 低温级工质采用 23， 高温级工质为507a9 。23 低温级包括蒸发器， 气液分离器，压缩机， 油液分离器， 蒸发冷凝器， 过滤器， 单向阀和毛细管。507a 高温级包括蒸发冷凝器， 气液分离器， 压缩机， 油液分离器， 冷凝器， 过滤器， 单向阀和毛细管。开始工作时， 低温级冷媒在蒸发器中处于低温低压状态， 吸收热量形成饱和高温低压气体， 压缩机等熵压缩一部分气体时， 促进液体不断蒸发， 被压缩的蒸气此时处于高温高压状态， 经过蒸发冷凝器将热量散发到周围的
10、环境之中， 散发热量后的气体凝结成低温高压的液体， 液体流经毛细管时， 经节流降压处理， 形成低温低压液体。高温级冷媒吸收蒸发冷凝器中的热量， 经压缩机等熵压缩， 形成高温高压气体， 使冷凝温度高于周围环境温度。高温高压气体凝结成低温高压液体， 经过毛细管节流降压， 处于低温低压状态。根据复叠式制冷循环的压焓图对热力系统做理论分析， 做以下前提假设: 过冷度过热度均取 5摄氏度， 机组工作时为有效过热10 ， 内部气体呈稳态分布， 压缩过程均为等熵压缩11 ， 毛细管节流过程均为等焓过程， 压缩机与外界交换的热量忽略不计。复叠式制冷循环的低温级冷媒选23， 高温级选 507a， 制冷量为 20
11、kW， 中间温度由迈乐普拉萨特公式确定12 。2 2 低温级热力循环低温级蒸发温度为 50 摄氏度， 冷凝温度为 13 摄氏度。纵坐标为压力参数， 横坐标为焓值， 图中4 到1 为蒸发器中制冷剂蒸发吸热， 1 到1 对应为过热度， 1 到 2 为压缩机等熵压缩， 2到3 为冷凝器向外界放热， 3 到3 对应为过冷度，3 到 4 为等焓节流。其中简化了温度曲线， 等容曲线， 等熵曲线。图 1低温级 23 制冷循环压焓图Fig1Low temperature 23 refrigeration cycle pressure map具体计算公式如下:单位质量制冷量为:q0= h1 h4( 1)低温级
12、23 的质量流量:qm=Qh1 h4( 2)单位质量理论功耗:w0= h2 h1( 3)理论输气量与实际输气量:qv= qmv( 4)qsv=qmv( 5)低温级冷凝热负荷:Q1= Qh2 h3h1 h4( 6)h2=h2 h1+ h1( 7)上述式中， q0为低温级单位制冷量， hi为各状态点的焓值( i 为图 1 中各状态点) ， qm为低温级质量流量， Q 为低温级制冷量， w0为单位质量理论功耗， v 为低温级制冷剂比容， qv为低温级压缩机理论输气量， qsv为低温级压缩机实际输气量， Q1为低温级冷凝热负荷。2 3 高温级热力循环高温级蒸发温度为 30 摄氏度， 冷凝温度为35 摄
13、氏度。高温级制冷量等于低温级冷发器的负荷加上冷量损失。高温级制冷量:Q2=1 1Q1( 8)单位质量制冷量:q0 1= h1 h4( 9)高温级 23 的质量流量:38制冷技术efrigeration第 1 期qm 1=Q2h1 h4( 10)图 2高温级 507a 制冷循环压焓图Fig 2High temperature grade 507a refrigeration cyclepressure map单位质量理论功耗:w1= h2 h1( 11)实际输气量与理论输气量:qv1= qm1v1( 12)qsv1=qm1v11( 13)复叠式制冷的系统 COP: =QW( 14)上述式中， Q
14、2为高温级制冷量， q01为高温级单位制冷量， hj为各状态点的焓值( j 为图 2 中各状态点) ， qm1为高温级质量流量。w1为单位质量理论功耗， v1为高温级制冷剂比容， qv1为低温级压缩机理论输气量， qsv1为高温级压缩机实际输气量，W 为系统压缩机总功率。可以看出， 当已知制冷量时， 通过查阅压焓图， 可以得出单位质量流量， 并最终获得压缩机的实际功耗和实际输气量。图 3复叠式制冷系统设计计算软件Fig 3Design and calculation software for cascade refrigeration system3软件界面功能本文复叠式制冷系统设计计算软件见
15、图 3。本复叠式制冷软件的五个界面如下， 分别为输入参数界面， 制冷环境界面， 焓值检测界面， 界面互换以及计算结果界面。输入参数界面包括低温级蒸发温度， 高温级蒸发温度， 高温级冷凝温度， 低温级制冷剂种类和高温级制冷剂种类， 其中48第 1 期陈清华等: 复叠式制冷循环软件设计及应用根据迈乐普拉萨特公式， 可以得出低温复叠机组的冷凝温度。制冷环境界面包括前面， 上面， 左面， 聚氨酯发泡材料壁厚， 风机功率， 箱外温度和规定时间。焓值检测包括为压焓图中四个关键节点的数值， 分别为低温级 1 点焓值 h1， 低温级 1点焓值 h1 ， 低温级 2 点焓值 h2， 低温级 4 点焓值h4， 高
16、温级 1 点焓值 h1， 高温级 1 点焓值 h1 ， 高温级 2 点焓值 h2， 高温级 4 点焓值 h4。界面互换中有单级恒温箱按钮， 可以与单级恒温箱设计界面调用。计算结果界面包含低温级冷凝温度， 传热系数， 环境热负荷， 空载时空气热负荷， 所需制冷量， 低温级压缩机功率， 高温级压缩机功率， 低温级压缩机排气量和高温级压缩机排气量以及按钮。按钮分为计算按钮， 保存按钮， 清除按钮和退出按钮， 分别执行计算、 保存、 清除数据以及退出的功能。整个软件界面可以完成对实际所需冷量的计算以及高低温级压缩机的选型， 可以通过焓值检测来观察制冷剂的状态。图 4恒温恒湿箱内箱结构图Fig 4Str
17、ucture of the inner box of the constant temperature and humidity chamber图 5复叠式制冷系统设计计算软件计算结果Fig 5Cascade refrigeration system design calculation software calculation result58制冷技术efrigeration第 1 期本复叠式制冷软件主要应用 LKPTH 408S* 2 系列双层恒温恒湿箱产品， 该产品电压为380V/50Hz。该产品内箱结构如图 4 所示:内箱两侧为金属通风板， 加热丝位于风道偏向于风轮的一侧。风道两旁为聚
18、氨酯发泡材料，具有保温作用。因此计算试验箱内箱的制冷量，根据蒸发、 冷凝温度， 制冷剂种类等因素得出压缩机的功率， 对机组设计具有重要的参考价值。制冷环境界面完成了对试验箱所需冷量的计算。前面积， 上面积和左面积的确定， 既可以得出总表面积， 又可以得出该试验箱体的体积。根据传热学基本公式: = KAt( 1)K =11w+1n( 2)上述式中， K 为箱体结构总传热系数， 为温差修正系数， w为外表面传热系数， n为内表面传热系数， 为聚氨酯发泡材料壁厚， 聚氨酯发泡材料导热系数。忽略导热系数随温度变化的影响， 从而， 可以得出环境热负荷。空气热负荷的计算依据:1= V( hw hn)( 3
19、)上式中， 为试验箱中空气的密度， V 试验箱内箱的净体积， hw试验箱外空气的含热量， hn试验箱内空气的含热量。计算所需制冷量时， 还应当考虑到实际箱体内部的电机传热和设备负荷。由于试验箱照明灯位于箱外， 故忽略照明对箱内环境的散热， 仅考虑风轮对试验箱环境内部的影响。4计算结果与实际值输入低温级蒸发温度 223K， 高温级蒸发温度243K， 高温级冷凝温度 308K， 低温级制冷剂种类23， 高温级制冷剂种类 507A mix。假定工作环境为一立体空间， 前板面积为 0 5m2上板面积0 5m2， 左面板面积为 0 25m2， 聚氨酯发泡材料为0 1m， 环境温度为 305K， 在 36
20、00s 时达到制冷状态。计算结果如图 5 所示。计算结果低温级冷凝温度为 259 5K， 试验箱结构传热系数为 0 53W/( m2K) ， 环境热负荷为 118 7W， 空气每秒传热 1 7W。制冷量为 2556W， 要求在蒸发温度为223K 的时候， 压缩机的功率需要满足 111W， 高温级压缩机满足 298W。在冷凝温度不变的情况下， 蒸发温度越低， 活塞式压缩机的功率越低， 这与实际情况相符合。聚氨酯发泡材料的壁厚的设计同时应考虑凝露温度， 应根据当地不同季节不同时间段的露点来选择， 随着壁厚的增加， 传热系数减小， 箱体外表面温度逐渐增大， 即外表面温度高于当地露点温度。与实际恒温恒
21、湿箱高低温级制冷循环资料做对比如表 1， 2 所示:表 1低温级制冷循环对照表Tab 1Low temperature refrigeration cycle comparison table低温级软件计算值/( kJ/kg)资料值/( kJ/kg)误差h1335 5334 40 3%h1 350 4350 70 1%h2389 2386 40 1%h4169 9170 80 5%表 2高温级制冷循环对照表Tab 2High temperature refrigeration cycle comparison ta-ble高温级软件计算值/( kJ/kg)资料值/( kJ/kg)误差h1344
22、 2345 790 5%h1 354350 331%h2401 8407 71 4%h4242245 61 5%图 6COP 蒸发温度变化图Fig 6COP evaporation temperature change diagram通过软件计算值与资料值的比较， 发现对低温级 23 来说， 误差小于 0 5%， 对高温级 507a68第 1 期陈清华等: 复叠式制冷循环软件设计及应用而言， 误差小于 1 5%， 符合制冷软件的设计标准。调整低温级蒸发温度至 213K， 其他条件不变， 则低温级最佳冷凝温度应取 253 6K， 使得整个系统的 COP 最大。当试验箱所需制冷量及蒸发温度不变时，
23、 高温级冷凝温度越低， 低温级最佳冷凝温度也越低， 系统的 COP 逐渐增大。当试验箱所需制冷量及高温级冷凝温度不变时， 低温级蒸发温度越高， 系统 COP 呈线性增高。507a 23 制冷系统的系统 COP 随蒸发温度变化图如图 6 所示， 低温级蒸发温度的范围为 203K 223K。507a 23 制冷系统的系统 COP 随高温级冷凝温度变化图如图 7 所示， 高温级冷凝温度的范围为 308K 328K。图 7COP 冷凝温度变化图Fig 7COP condensation temperature change diagram5结论将恒温恒湿箱制冷系统程序化， 使得整个制冷系统的主体结构的
24、选型得以便捷化、 高效化、 智能化， 有利于研究不同制冷条件的制冷循环， 减少非标产品的开发周期， 具有一定的实践意义。本复叠式制冷软件设计可以增加制冷环节的各个结构选型， 如蒸发器， 蒸发冷凝器， 毛细管以及管道直径等辅助设备， 使软件更加系统化。对具体试验箱， 本软件可以增加结构设计及优化， 如风道的设计， 设备的布置， 空载时运行性能的分析及优化。随着工程技术和计算机软件的进步， 选型软件将在未来制冷循环设计中占有一席之地。参考文献 1何俊，陶乐仁，虞中旸 22、 410A、 32 制冷系统性能的比较与少量吸气带液循环的应用 J 流体机械， 2018( 3) 2赵波，杨善让，张辉， 等
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