基于二氧化碳跨临界制冷系统的高级㶲分析方法
阅读说明：本技术 基于二氧化碳跨临界制冷系统的高级㶲分析方法 (Advanced exergy analysis method based on carbon dioxide transcritical refrigeration system ) 是由 谢晶 高建业 王金锋 于 2021-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及制冷领域,具体涉及到制冷循环高级??分析方法,特别是涉及到以二氧化碳为制冷剂的跨临界双级压缩制冷循环高级??分析方法。本发明提供了一种将二氧化碳跨临界制冷系统内各设备??损分为内源可避免??损、内源不可避源??损、外源可避免??损、外源不可避免??损的方法,从而对二氧化碳跨临界制冷循环进行高级??分析,获得对系统的改进方向,提高系统能效。(The invention relates to the field of refrigeration, in particular to a high-grade exergy analysis method of a refrigeration cycle, and particularly relates to a high-grade exergy analysis method of a transcritical double-stage compression refrigeration cycle with carbon dioxide as a refrigerant. The invention provides a method for dividing exergy loss of each device in a carbon dioxide transcritical refrigeration system into inner source avoidable exergy loss, inner source unavoidable exergy loss, outer source avoidable exergy loss and outer source unavoidable exergy loss, so that advanced exergy analysis is carried out on carbon dioxide transcritical refrigeration circulation, the improvement direction of the system is obtained, and the energy efficiency of the system is improved.)
技术领域
本发明涉及制冷领域，具体涉及到制冷循环高级㶲分析方法，特别是涉及到以二氧化碳为制冷剂的跨临界双级压缩制冷循环高级㶲分析方法。
背景技术
㶲作为一种评价能量的价值参数，从“量”与“质”的结合上规定了能量的“价值”。在给定环境条件下任何形态的能量最大限度能够转变为有用功的那部分能量称为该能量中的㶲，而不能转变为有用功的那部分能量称为该能量中的。㶲这一物理量提供了正确评价不同形态的能量价值的统一标尺。对于制冷系统，㶲损越大意味着系统可改进的空间越大，在制冷系统中应用㶲分析可帮助我们对制冷系统进行更全面的性能分析。
对于制冷系统，常规㶲分析可获得系统㶲损失最大的部件，从而获得对系统的改进方向，但其并未提供部件内相互作用关系。对于制冷系统内的㶲损，其中的不可逆损失并非全部由本身不可逆性而引起，还可能是由于系统其他部件所导致，因此在提出系统的改进方向时应考虑部件间相互作用的影响，而不仅仅是改进系统㶲损失最大的部件。高级㶲分析将部件内的㶲损分为内源可避免㶲损、内源不可避源㶲损、外源可避免㶲损、外源不可避免㶲损。内源可避免㶲损是指由部件自身不可逆性引起，可通过改进部件而消除的那部分㶲损失，内源不可避免㶲损则是指由部件自身不可逆性引起，目前不可通过改进部件而消除的那部分㶲损失，外源可避免㶲损是指系统内除所研究部件之外的所有部件对该研究部件所产生的可消除的那部分㶲损失，外源不可避免㶲损是指系统内除所研究部件之外的所有部件对该研究部件所产生的不可消除的那部分㶲损失。
高级㶲分析在常规㶲分析的基础上考虑了系统部件相互间的影响，能够对不可逆损失产生的原因进行相较常规㶲分级更为准确的定位、提出更为准确的系统改进方向，因此对制冷系统采取高级㶲分析是十分必要的。
发明内容
本发明提供了基于二氧化碳跨临界制冷循环的高级㶲分析方法，本发明的目的在于提供一种将二氧化碳跨临界制冷系统内各设备㶲损分为内源可避免㶲损、内源不可避源㶲损、外源可避免㶲损、外源不可避免㶲损的方法，从而对二氧化碳跨临界制冷循环进行高级㶲分析，获得对系统的改进方向。
为实现上述目的，本发明一个实施方式提供了基于二氧化碳跨临界制冷系统的高级㶲分析方法，制冷系统的设备包括双级压缩机、中间冷却器、气体冷却器、蒸发器及电子膨胀阀；
所述单机双级压缩机包括低压级压缩机及高压级压缩机；
所述电子膨胀阀包括主路电子膨胀阀及辅路电子膨胀阀；
二氧化碳双级压缩制冷循环㶲分析方法的步骤如下：
1）绘制二氧化碳跨临界制冷循环系统图，并对状态点进行标记。状态点根据工质将要发生状态变化或设备进出口的位置进行设置。状态点0设为参考点；
2）选取制冷系统要进行高级㶲分析的工况，对系统制冷量、气体冷却器出口温度、蒸发温度、环境温度、气体冷却器压力进行数值的确定；
3）简化制冷系统分析过程，对系统做出假设；
4）根据㶲平衡方程计算系统中个部件的㶲损；
5）对系统各部件真实运行状态、理想运行状态、不可避免损失运行状态进行数学建模，用于区分部件以真实情况工作、理想情况工作和不可避免损失情况工作；
6）引入实际循环、不能避免损失循环、混杂循环；
7）将系统各部件㶲损分为内源可避免㶲损、内源不可避源㶲损、外源可避免㶲损、外源不可避免㶲损；
8）对系统内的部件进行上述步骤，计算完成后得到系统内每个部件的内源可避免㶲损、内源不可避源㶲损、外源可避免㶲损、外源不可避免㶲损的数值分布。根据高级㶲分析结果便可对部件内产生不可逆损失的来源进行相较常规㶲分析更为准确的定位，从而获得对系统的改进方向，减少系统能耗、降低碳排放，提高系统的性能。
优选的，本发明在步骤1）中所述参考点0的温度为298k,压力为101.325kPa。
优选的，本发明在步骤2）中所述对系统制冷量、气体冷却器出口温度、蒸发温度、环境温度、气体冷却器压力进行数值的确定，将系统制冷量设为0.57Kw,气体冷却器出口温度设为37℃，蒸发温度设为-23℃，环境温度设为32℃，气体冷却器压力设为9000kPa。
优选的，本发明在步骤3）中所述做出的假设为：
各组件部件处于稳定状态和稳定流动状态，各组成部件的动能和位能变化忽略不计；
压缩机的压缩过程不可逆，考虑压缩机等熵效率；
蒸发器出口为饱和状态，无过热现象；
各组成部件间的管内压降和热损失忽略不计，系统节流过程可近似等焓过程。
优选的，本发明在步骤4）中所述根据㶲平衡方程进行制冷系统中各部件㶲损的计算，各部件㶲损计算表达式如下：
低压级压缩机：
高压级压缩机：
气体冷却器：
蒸发器：
中间冷却器：
辅路电子膨胀阀：
主路电子膨胀阀：
其中状态点1为蒸发器出口处制冷剂状态，状态点2为低压级压缩机出口处制冷剂状态，状态点3为高压级压缩机入口处制冷剂状态，状态点4为气体冷却器入口处制冷剂状态，状态点5为气体冷却器出口处制冷剂状态，状态点6为中间冷却器主路出口处制冷剂状态，状态点7为蒸发器入口处制冷剂状态，状态点8为中间冷却器辅路入口处制冷剂状态，状态点9为中间冷却器辅路出口处制冷剂状态；为流经蒸发器制冷剂的质量流量，单位为kg/s；为流经气体冷却器制冷剂的质量流量，单位为kg/s；Tb为热量通过的边界温度，单位为k；e为制冷剂各状态点单位㶲值，单位为kJ/kg；Q为换热量，单位为kW；为制冷剂各状态点的比熵，单位为kJ/(kg · K)。
优选的，本发明在步骤5）中所述对系统各部件真实运行状态、理想运行状态、不可避免损失运行状态进行数学建模如下：低压级压缩机在真实运行状态下的等熵效率为 ，在理想运行状态下的等熵效率为，在不可避免损失运行状态下的等熵效率为；高压级压缩机在真实运行状态下的等熵效率为 ，在理想运行状态下的等熵效率为，在不可避免损失运行状态下的等熵效率为；气体冷却器在真实运行状态下的传热边界温差为 ，在理想运行状态下的传热边界温差为，在不可避免损失运行状态下的传热边界温差为；辅路电子膨胀阀在理想运行状态下的等熵效率为，在不可避免损失运行状态下的等熵效率为；主路电子膨胀阀在理想运行状态下的等熵效率为，在不可避免损失运行状态下的等熵效率为；蒸发器在真实运行状态下的传热边界温差为 ，在理想运行状态下的传热边界温差为，在不可避免损失运行状态下的传热边界温差为；中间冷却器在真实运行状态下的传热边界温差为 ，在理想运行状态下的传热边界温差为，在不可避免损失运行状态下的传热边界温差为。
优选的，本发明在步骤6）中所述其中实际循环是指系统所有部件均处于真实状态下运行；不能避免损失循环是指系统内所有部件在考虑不可避免㶲损状态下运行；混杂循环是指使所计算的部件在真实状态下工作，而系统剩余部件在理想状态下工作，计算该部件的内源㶲损，所计算部件在考虑不可避免㶲损情况下工作，而系统剩余部件在理想状态下工作，计算该部件内源不可避免㶲损。
优选的，本发明在步骤7）中所述将系统各部件㶲损分为内源可避免㶲损、内源不可避源㶲损、外源可避免㶲损、外源不可避免㶲损，公式如下：
其中为部件k的㶲损失，单位为kW，为部件k的内源可避免㶲损失；为部件k的内源不可避免㶲损失；为部件k的外源可避免㶲损失；为部件k的外源不可避免㶲损失。
内源不可避免㶲损可通过步骤6）中所述，使系统在不能避免损失循环情况下运行，进行计算，步骤7)公式中的未知量通过下式求出：
优选的，本发明选取制冷系统要进行高级㶲分析的工况：系统制冷量、气体冷却器出口温度、蒸发温度、环境温度、气体冷却器压力的数值并不唯一，可根据研究要求进行设置。
本发明提供了基于二氧化碳跨临界制冷系统的高级㶲分析方法，应用本高级㶲分析方法可将二氧化碳跨临界制冷系统内各设备㶲损分为内源可避免㶲损、内源不可避源㶲损、外源可避免㶲损、外源不可避免㶲损，从而对二氧化碳跨临界制冷循环进行高级㶲分析，获得对系统的改进方向。
附图说明
图1为本发明设计的基于二氧化碳跨临界制冷系统的高级㶲分析方法的制冷系统结构示意图，设备包括：A-低压级压缩机、B-高压级压缩机、C-气体冷却器、D-辅路电子膨胀阀、E-中间冷却器、F-主路电子膨胀阀、G-蒸发器；标号为制冷剂状态点，状态点1为蒸发器出口处制冷剂状态，状态点2为低压级压缩机出口处制冷剂状态，状态点3为高压级压缩机入口处制冷剂状态，状态点4为气体冷却器入口处制冷剂状态，状态点5为气体冷却器出口处制冷剂状态，状态点6为中间冷却器主路出口处制冷剂状态，状态点7为蒸发器入口处制冷剂状态，状态点8为中间冷却器辅路入口处制冷剂状态，状态点9为中间冷却器辅路出口处制冷剂状态。
图2为本发明设计的基于二氧化碳跨临界制冷系统的高级㶲分析方法的制冷循环示意图，其中的数字为制冷剂状态点标号，其与图1中状态点相对应。
图3为本发明设计的基于二氧化碳跨临界制冷系统的高级㶲分析方法的计算结果，图中分别为低压级压缩机、高压级压缩机、气体冷却器、辅路电子膨胀阀、主路电子膨胀阀、蒸发器和中间冷却器的内源可避免㶲损、内源不可避源㶲损、外源可避免㶲损和外源不可避免㶲损这四种㶲损的分布情况。
具体实施方式
下面结合附图，以具体实施例为例，详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，本发明设计的基于二氧化碳跨临界制冷系统的高级㶲分析方法的制冷系统结构示意图，设备包括：A-低压级压缩机、B-高压级压缩机、C-气体冷却器、D-辅路电子膨胀阀、E-中间冷却器、F-主路电子膨胀阀、G-蒸发器；标号为制冷剂状态点，状态点1为蒸发器出口处制冷剂状态，状态点2为低压级压缩机出口处制冷剂状态，状态点3为高压级压缩机入口处制冷剂状态，状态点4为气体冷却器入口处制冷剂状态，状态点5为气体冷却器出口处制冷剂状态，状态点6为中间冷却器主路出口处制冷剂状态，状态点7为蒸发器入口处制冷剂状态，状态点8为中间冷却器辅路入口处制冷剂状态，状态点9为中间冷却器辅路出口处制冷剂状态。
如图2所示，本发明设计的基于二氧化碳跨临界制冷系统的高级㶲分析方法的制冷循环示意图，其中的数字为制冷剂状态点标号，其与图1中状态点相对应。
如图3所示，本发明设计的基于二氧化碳跨临界制冷系统的高级㶲分析方法的计算结果，图中分别为低压级压缩机、高压级压缩机、气体冷却器、辅路电子膨胀阀、主路电子膨胀阀、蒸发器和中间冷却器的内源可避免㶲损、内源不可避源㶲损、外源可避免㶲损和外源不可避免㶲损这四种㶲损的分布情况。
具体实施例1
1）绘制二氧化碳跨临界制冷循环系统图，并对状态点进行标记。状态点根据工质将要发生状态变化或设备进出口的位置进行设置。状态点0设为参考点，该点温度为298k,压力为101.325kPa，将状态点按制冷剂流通顺序进行标号；
2）选取制冷系统要进行高级㶲分析的工况，对系统制冷量、气体冷却器出口温度、蒸发温度、环境温度、气体冷却器压力进行数值的确定，将系统制冷量设为0.57Kw,气体冷却器出口温度设为37℃，蒸发温度设为-23℃，环境温度设为32℃，气体冷却器压力设为9000kPa；
3）简化制冷系统分析过程，做出以下假设：
各组件部件处于稳定状态和稳定流动状态，各组成部件的动能和位能变化忽略不计；
压缩机的压缩过程不可逆，考虑压缩机等熵效率；
蒸发器出口为饱和状态，无过热现象；
各组成部件间的管内压降和热损失忽略不计，系统节流过程可近似等焓过程；
4）根据㶲平衡方程进行制冷系统中各部件㶲损的计算，各部件㶲损计算表达式如下：
低压级压缩机：
高压级压缩机：
气体冷却器：
蒸发器：
中间冷却器：
辅路电子膨胀阀：
主路电子膨胀阀：
其中状态点1为蒸发器出口处制冷剂状态，状态点2为低压级压缩机出口处制冷剂状态，状态点3为高压级压缩机入口处制冷剂状态，状态点4为气体冷却器入口处制冷剂状态，状态点5为气体冷却器出口处制冷剂状态，状态点6为中间冷却器主路出口处制冷剂状态，状态点7为蒸发器入口处制冷剂状态，状态点8为中间冷却器辅路入口处制冷剂状态，状态点9为中间冷却器辅路出口处制冷剂状态；为流经蒸发器制冷剂的质量流量，单位为kg/s；为流经气体冷却器制冷剂的质量流量，单位为kg/s；Tb为热量通过的边界温度，单位为k；e为制冷剂各状态点单位㶲值，单位为kJ/kg；Q为换热量，单位为kW；为制冷剂各状态点的比熵，单位为kJ/(kg · K)；
5）对系统各部件真实运行状态、理想运行状态、不可避免损失运行状态进行数学建模，用于区分部件以真实情况工作、理想情况工作和不可避免损失情况工作。数学建模如下：低压级压缩机在真实运行状态下的等熵效率为 ，在理想运行状态下的等熵效率为，在不可避免损失运行状态下的等熵效率为；高压级压缩机在真实运行状态下的等熵效率为 ，在理想运行状态下的等熵效率为，在不可避免损失运行状态下的等熵效率为；气体冷却器在真实运行状态下的传热边界温差为 ，在理想运行状态下的传热边界温差为，在不可避免损失运行状态下的传热边界温差为；辅路电子膨胀阀在理想运行状态下的等熵效率为，在不可避免损失运行状态下的等熵效率为；主路电子膨胀阀在理想运行状态下的等熵效率为，在不可避免损失运行状态下的等熵效率为；蒸发器在真实运行状态下的传热边界温差为 ，在理想运行状态下的传热边界温差为，在不可避免损失运行状态下的传热边界温差为；中间冷却器在真实运行状态下的传热边界温差为 ，在理想运行状态下的传热边界温差为，在不可避免损失运行状态下的传热边界温差为；
6）引入实际循环、不能避免损失循环、混杂循环。其中实际循环是指系统所有部件均处于真实状态下运行；不能避免损失循环是指系统内所有部件在考虑不可避免㶲损状态下运行；混杂循环是指使所计算的部件在真实状态下工作，而系统剩余部件在理想状态下工作，计算该部件的内源㶲损；所计算部件在考虑不可避免㶲损情况下工作，而系统剩余部件在理想状态下工作计算该部件内源不可避免㶲损；
7）将系统各部件㶲损分为内源可避免㶲损、内源不可避源㶲损、外源可避免㶲损、外源不可避免㶲损，公式如下：
其中为部件k的㶲损失，单位为kW，为部件k的内源可避免㶲损失；为部件k的内源不可避免㶲损失；为部件k的外源可避免㶲损失；为部件k的外源不可避免㶲损失；
内源不可避免㶲损可通过步骤6）中所述，使系统在不能避免损失循环情况下运行，进行计算，步骤7)公式中的未知量通过下式求出：
8）进行上述步骤计算，计算完成后得到系统内每个部件的内源可避免㶲损、内源不可避源㶲损、外源可避免㶲损、外源不可避免㶲损的数值分布如图3所示，可以看出双级压缩机和蒸发器的内源可避免㶲损较大且双级压缩机和蒸发器分别占系统总内源可避免㶲损的较大比例，故优化双级压缩机和蒸发器的性能是提高系统能效的重点。
本发明可在工况可变的情况下进行二氧化碳跨临界制冷系统的高级㶲分析，方法同上例相同，不再赘述。
上述实施例仅例示性说明本发明的设计原理及用途作用，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
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