一种立式分离容器的制冷量计算方法及装置与流程

本发明涉及制冷处理技术领域，具体涉及一种立式分离容器的制冷量计算方法及装置。

背景技术：

制冷系统在各个行业得到广泛的发展，比如食品加工行业、化工行业、农牧行业等。在设计制冷系统之初，需要完成制冷系统中各种容器的选型计算。其中，国内制冷系统中压缩机、蒸发器、冷凝器都是使用制冷量来表示它们的制冷能力和排热能力，而制冷量的确定需要根据不同的制冷剂、供热温度、蒸发温度、冷凝温度等工况参数来确定，但是分离容器(包括气液分离器、中间冷却器、低压循环桶闪发式经济器等)，却还没有制定出这种表示方式。分离容器按照外形划分，包括立式分离容器和卧式分离容器。

在实践中发现，在国内制冷系统中虽然也采用了上述工况参数来确定制冷量，但是却没有制定出具体计算公式，导致制冷量的确定流程比较繁琐，且精确度比较低，也使得国内的制冷系统设计没有与国际设计接轨。可见，在国内制冷系统行业中，亟需研发出制冷量的表示方式。

技术实现要素：

本发明实施例公开了一种立式分离容器的制冷量计算方法及装置，能够简单快速地计算出立式分离容器的制冷量，精确度较高。

本发明第一方面公开了一种立式分离容器的制冷量计算方法，可包括：

获取制冷剂的热力学基本参数，所述热力学基本参数包括所述制冷剂的饱和液体密度、所述制冷剂的液滴直径和所述制冷剂的饱和气体密度；

根据所述热力学基本参数，获得制冷剂液体与制冷剂气体在立式分离容器样机中分离时的分离速度V_t；

根据所述分离速度V_t，以及所述立式分离容器样机的制冷量的计算公式，计算制冷系统中目标立式分离容器的制冷量。

作为一种可选的实施方式，在本发明第一方面中，所述根据所述热力学基本参数，获得制冷剂液体与制冷剂气体在立式分离容器样机中分离时的分离速度V_t包括：

根据所述制冷剂的饱和气体密度、所述制冷剂的液滴直径和所述分离速度V_t，获得作用于所述立式分离容器样机中的浮力；

以及，根据所述制冷剂的饱和液体密度、所述制冷剂的饱和气体密度和所述制冷剂的液滴直径，计算所述制冷剂的液滴的重力；

根据所述浮力与所述重力，获得所述制冷剂液体与所述制冷剂气体在立式分离容器样机中分离时的分离速度V_t。

作为一种可选的实施方式，在本发明第一方面中，所述分离速度V_t：

其中，所述ρ_f为所述制冷剂液体的饱和液体密度，所述ρ_v为所述制冷剂气体的饱和气体密度，所述C_D为阻力系数，所述g为重力加速度，所述d为所述制冷剂液体的液滴直径。

作为一种可选的实施方式，在本发明第一方面中，所述制冷量的计算公式为：

M_制冷量＝((V_t×S₀)÷M_{单位质量流量})×k；

其中，所述S₀为所述立式分离容器的截面积，所述M_{单位质量流量}为所述立式分离容器的制冷剂在工作温度下的单位质量流量，所述k为安全系数。

作为一种可选的实施方式，在本发明第一方面中，所述制冷剂为氨或者氟利昂；当所述立式分离容器的制冷剂为氨，所述安全系数k的值为第一预设值；当所述立式分离容器的制冷剂为氟利昂，所述安全系数k的值为第二预设值；其中，所述第二预设值不同于所述第一预设值。

作为一种可选的实施方式，在本发明第一方面中，所述工作温度包括蒸发温度、和/或冷凝温度、和/或供热温度。

本发明第二方面公开了一种立式分离容器的制冷量计算装置，可包括：

第一获取单元，用于获取制冷剂的热力学基本参数，所述热力学基本参数包括所述制冷剂的饱和液体密度、所述制冷剂的液滴直径和所述制冷剂的饱和气体密度；

第二获取单元，用于根据所述热力学基本参数，获得制冷剂液体与制冷剂气体在立式分离容器样机中分离时的分离速度V_t；

计算单元，用于根据所述分离速度V_t，以及所述立式分离容器样机的制冷量的计算公式，计算制冷系统中目标立式分离容器的制冷量。

作为一种可选的实施方式，在本发明第二方面中，第二获取单元具体用于，根据所述制冷剂的饱和气体密度、所述制冷剂的液滴直径和所述分离速度V_t，获得作用于所述立式分离容器样机中的浮力；以及，根据所述制冷剂的饱和液体密度、所述制冷剂的饱和气体密度和所述制冷剂的液滴直径，计算所述制冷剂的液滴的重力；根据所述浮力与所述重力，获得所述制冷剂液体与所述制冷剂气体在立式分离容器样机中分离时的分离速度V_t。

作为一种可选的实施方式，在本发明第二方面中，所述分离速度V_t的计算公式为：

其中，所述ρ_f为所述制冷剂液体的饱和液体密度，所述ρ_v为所述制冷剂气体的饱和气体密度，所述C_D为阻力系数，所述g为重力加速度，所述d为所述制冷剂液体的液滴直径。

作为一种可选的实施方式，在本发明第二方面中，所述制冷量的计算公式为：

M_制冷量＝((V_t×S₀)÷M_{单位质量流量})×k；

其中，所述S₀为所述立式分离容器的截面积，所述M_{单位质量流量}为所述立式分离容器的制冷剂在工作温度下的单位质量流量，所述k为安全系数。

作为一种可选的实施方式，在本发明第二方面中，所述制冷剂为氨或者氟利昂；当所述立式分离容器的制冷剂为氨，所述安全系数k的值为第一预设值；当所述立式分离容器的制冷剂为氟利昂，所述安全系数k的值为第二预设值；其中，所述第二预设值不同于所述第一预设值。

作为一种可选的实施方式，在本发明第二方面中，所述工作温度包括蒸发温度、和/或冷凝温度、和/或供热温度。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

在本发明实施例中，先获取制冷剂在饱和温度下的热力学基本参数，该热力学基本参数包括制冷剂在饱和温度下的饱和液体密度、制冷剂的液滴直径和制冷剂在饱和温度下的饱和气体密度；然后根据热力学基本参数，获得制冷剂液体与制冷剂气体在立式分离容器样机中分离时的分离速度V_t；最后根据分离速度，以及立式分离容器样机的制冷量的计算公式，进一步计算制冷系统中的任意立式分离容器(目标立式分离容器)的制冷量。可以看出，通过本发明实施例得到立式分离容器样机的制冷量的计算公式，之后则可以利用该计算公式简单快速地计算出任意立式分离容器(目标立式分离容器)制冷量，适用于所有立式分离容器，而且计算得到的制冷量的精确度也较高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的立式分离容器的能量计算方法的流程示意图；

图2为本发明实施例公开的立式分离容器的能量计算装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种立式分离容器的制冷量计算方法，能够简单快速地计算出立式分离容器的制冷量，精确度较高。本发明实施例还相应地公开了一种立式分离容器的制冷量计算装置。

在制冷系统设计之初，通常需要完成对制冷系统中各种容器的选型。在选型时一个重要任务是确定出容器与系统匹配的制冷量。本发明实施例主要用于研发制定立式分离容器的制冷量的计算公式，以用于制冷系统选型时，快速精确地计算出立式分离容器的制冷量。

实施例一

请参阅图1，图1为本发明实施例公开的立式分离容器的能量计算方法的流程示意图；如图1所示，一种立式分离容器的制冷量计算方法可包括：

101、获取制冷剂在饱和温度下的热力学基本参数，该热力学基本参数包括制冷剂的饱和液体密度ρ_f、制冷剂的液滴直径d和制冷剂的饱和气体密度ρ_v；

在制冷系统的应用计算中，经常用到制冷剂的热力学基本参数，热力学基本参数通常可以从制冷剂的热力性能表查找得到。其中，热力学基本参数包括制冷剂的饱和液体密度ρ_f、制冷剂的饱和气体密度ρ_v和制冷剂的液滴直径d等。其中，饱和液体密度ρ_f是制冷剂在能够成为液体的饱和温度时对应的密度，制冷剂的饱和气体密度ρ_v是制冷剂在能够成为气体的饱和温度时对应的密度，可以理解，制冷剂的饱和液体对应的饱和温度与饱和气体对应的饱和温度是不一样的。

102、根据热力学基本参数，获得制冷剂液体与制冷剂气体在立式分离容器样机中分离时的分离速度V_t；

作为一种可选的实施方式，步骤具体102包括：根据制冷剂的饱和气体密度和分离速度V_t，获得作用于立式分离容器样机中的浮力；以及，根据制冷剂的饱和液体密度ρ_f、制冷剂的液滴直径d，计算制冷剂的液滴的重力；根据浮力与所述重力，获得制冷剂液体与制冷剂气体在立式分离容器样机中分离时的分离速度V_t。热力学基本参数包括：制冷剂液体在饱和温度下的饱和液体密度ρ_f、制冷剂气体在饱和温度下的饱和气体密度ρ_v和制冷剂液体的液滴直径d。

下面将结合立式分离容器的工作原理分析制冷量的计算公式的推导过程：立式分离容器中的制冷剂存在两种状态：分别为制冷剂液体(液态的制冷剂)和制冷剂气体(气态的制冷剂)。立式分离容器的主要作用是处理含有少量凝液的制冷剂气体，也就是将制冷剂液体从制冷剂气体中分离出来，大部分立式分离容器分离制冷剂液体和制冷剂气体主要依靠重力作用，也就是依赖于制冷剂液体的自由落体运动。可见，若要计算立式分离容器中的制冷量，需要知道制冷剂液体从制冷剂气体下落的相对速度，该相对速度即制冷剂液体从制冷剂气体中分离出来的分离速度V_t，以及立式分离容器的截面积和在工作温度下的制冷剂的单位质量流量。在工作温度下的制冷剂的单位质量流量可以根据工作温度从现有数据中查找得到，立式分离容器的截面积也可以根据其直径计算得到，因此，计算立式分离容器的制冷量只需要计算出制冷剂液体从制冷剂气体中分离出来的一个分离速度V_t。可选地，这里的工作温度包括蒸发温度、和/或冷凝温度、和/或供热温度。需要说明，蒸发温度、冷凝温度和供液温度可以各不相同，或者任意两个相同，或者3个均相同。

下面将分析一下立式分离容器的工作原理：

制冷剂液体在制冷剂气体流中主要存在三种力：分别包括重力、浮力和阻力，这三种力的合成将得到净力(合力)的方向。当立式分离容器中的阻力和浮力的合力小于重力时，将导致制冷剂液体的液滴脱离，即从制冷剂气体中分离出来。重力作用的方向总是向下，浮力与重力方向相反，阻力与液滴运动的方向相反。

在制冷系统中，将全部制冷剂液体从制冷剂气体中分离出来只是一个理想化的过程，实际上立式分离容器中有直径大小不同的液滴，通常只能成功将大液滴分离出来，而小液滴会被制冷剂气体带走，有些小液滴在回气管中蒸发掉，或者在进入其它容器之前也会消失，从而需要确定能够被制冷剂气体带走的液滴的最大直径，但是可以知道，能够被制冷剂气体带走的液滴的最大直径也因制冷剂的不同而有所差异，这个最大直径具体根据制冷剂的热力特性决定。

重力是用于从制冷剂气体中分离制冷剂液体和留住制冷剂液体在立式分离容器内的主要力量。当制冷剂液滴以自由落体的速度下落而静止不动时，重力就是其阻力，那么将没有净力(合力)可用于加速度，使得液滴悬浮着，能够悬浮是因为它们的直径还没有足够大(质量没有足够大)到能够落下来，而是给空气中的浮力给拖住，但是它们的直径也没有小到被带走或者蒸发掉，从而将这种液滴的临界直径定义为制冷剂的分离直径。

当这种液滴在自由落体时而又处于静止状态，其最大速度称为终端速度，而此时立式分离容器内的制冷剂气体以终端速度向上运动，临界直径的液滴仍然悬浮，小于临界直径的液滴会被制冷剂气体带走，而大于临界直径的液滴则被分离出来。液滴的运动速度达到终端速度，液滴的重力就是阻力，重力的计算公式为：

其中，上述ρ_f为制冷剂液体在饱和温度下的饱和液体密度，上述ρ_v为制冷剂气体在饱和温度下的饱和气体密度，g为重力加速度，d为制冷剂液体的液滴直径。

因此，液滴悬浮时，重力就是阻力，且此时重力等于浮力，浮力由分离速度计算得到，分离速度即为计算制冷量的一个因素。

那么，作用于立式分离容器的浮力的计算公式如下：

其中，V_t用于表示制冷剂液体与制冷剂气体在立式分离容器样机中分离时的分离速度。C_D是一个阻力系数，是雷诺系数R_e的一个函数，它的计算公式为：

其中，μ_v是气体的粘度，同时，d、ρ_v和V_t参照上述的说明。

由于分离直径的液滴仍然悬浮，悬浮的条件是重力等于浮力，从而有：

F_重力＝F_浮力 (公式4)

将公式1和公式2代入上述公式4，那么得到公式5，如下：

根据公式5，将解出制冷剂液体与制冷剂气体在立式分离容器样机中分离时的分离速度V_t，如公式6：

103、根据分离速度V_t，以及立式分离容器样机的制冷量的计算公式，计算制冷系统中目标立式分离容器的制冷量。

作为一种可选的实施方式，步骤103具体包括：获取立式分离容器样机的截面积；以及，获取制冷剂在立式分离容器样机中的单位质量流量；根据分离速度V_t、立式分离容器样机的截面积和单位质量流量，获得立式分离容器样机的制冷量的计算公式。

根据上述步骤103中得到的V_t，以及查找立式分离容器的制冷剂在工作温度下的单位质量流量，从而得到制冷量M_制冷量的计算公式：

M_制冷量＝((V_t×S₀)÷M_{单位质量流量})×k (公式7)

其中，V_t为分离速度，S₀为立式分离容器的截面积，M_{单位质量流量}为立式分离容器的制冷剂在工作温度下的单位质量流量，k为安全系数。

S₀为立式分离容器的截面积可以根据立式分离容器的直径计算得到。

优选地，制冷剂可以是氨或者氟利昂，当制冷剂为氨时，安全系数为第一预设值，当制冷剂为氟利昂时，安全系数为第二预设值，其中，第一预设值不同于第二预设值。

公式7为本发明实施例得到的制冷量M_制冷量的计算公式。

经过步骤101～103分析后，得到制冷量M_制冷量的计算公式。基于该制冷量M_制冷量的计算公式，步骤104包括：

在制冷系统的设计之初，对目标立式分离容器选型时，获取目标立式分离容器中已确定的制冷剂的热力学基本参数，即目标立式分离容器的制冷剂在饱和温度下的饱和液体密度ρ_f、制冷剂的液滴直径和制冷剂在饱和温度下的饱和气体密度ρ_v；

根据上述公式6计算得到目标立式分离容器中的制冷剂液体与制冷剂气体在立式分离容器样机中分离时的分离速度V_t；

获取目标立式分离容器的直径d，根据该直径d计算目标立式分离容器的截面积；

根据目标立式分离容器预设的蒸发温度、和/或预设的冷凝温度、和/或供液温度，查找对应的单位质量流量，然后根据公式7计算得到目标立式分离容器的制冷量。

在本发明实施例中，先获取制冷剂在饱和温度下的热力学基本参数，该热力学基本参数包括制冷剂在饱和温度下的饱和液体密度、制冷剂的液滴直径和制冷剂在饱和温度下的饱和气体密度；然后根据热力学基本参数，获得制冷剂液体与制冷剂气体在立式分离容器样机中分离时的分离速度V_t；最后根据分离速度，以及立式分离容器样机的制冷量的计算公式，进一步计算制冷系统中的任意立式分离容器(目标立式分离容器)的制冷量。可以看出，通过本发明实施例得到立式分离容器样机的制冷量的计算公式，之后则可以利用该计算公式简单快速地计算出任意立式分离容器(目标立式分离容器)制冷量，适用于所有立式分离容器，而且计算得到的制冷量的精确度也较高。

其中，上述饱和液体密度ρ_f、上述饱和气体密度ρ_v可以查阅制冷剂热力性能表。单位质量流量可以也可以查找得到，由现有的压焓图计算得到。

请参阅下表1，表1是根据公式7，分别计算相应工况下得到的制冷量。在表1中，制冷剂为氨R717，氨R717在饱和温度下的饱和气体密度为0.6424kg/m²，那么其在蒸发温度为-40℃、冷凝温度为35℃时，其对应的制冷量如表1所示：

表1

请参阅下表2，表2是根据公式7，分别计算相应工况下得到的制冷量。在表2中，制冷剂为R22，R22在饱和温度下的饱和气体密度为7.3943kg/m²，那么其在蒸发温度为-30℃、冷凝温度为35℃时，其对应的制冷量如表2所示：

表2

实施例二

请参阅图2，图2为本发明实施例公开的立式分离容器的能力计算装置的结构示意图；如图2所示，一种立式分离容器的制冷量计算装置可包括：

第一获取单元210，用于获取制冷剂的热力学基本参数，所述热力学基本参数包括所述制冷剂的饱和液体密度、所述制冷剂的液滴直径和所述制冷剂的饱和气体密度；

第二获取单元220，用于根据所述热力学基本参数，获得制冷剂液体与制冷剂气体在立式分离容器样机中分离时的分离速度V_t；

计算单元230，用于根据所述分离速度V_t，以及所述立式分离容器样机的制冷量的计算公式，计算制冷系统中目标立式分离容器的制冷量。

在本发明实施例中，第一获取单元210先获取制冷剂在饱和温度下的热力学基本参数，该热力学基本参数包括制冷剂在饱和温度下的饱和液体密度、制冷剂的液滴直径和制冷剂在饱和温度下的饱和气体密度；第二获取单元220根据热力学基本参数，获得制冷剂液体与制冷剂气体在立式分离容器样机中分离时的分离速度V_t；最后计算单元230根据分离速度V_t，以及立式分离容器样机的制冷量的计算公式，进一步计算制冷系统中的任意立式分离容器(目标立式分离容器)的制冷量。在得到通用计算公式后，制冷量计算单元220可以基于该通用计算公式计算制冷系统中的任意立式分离容器(目标立式分离容器)的制冷量。可以看出，通过本发明实施例得到立式分离容器样机的制冷量的计算公式，之后则可以利用该计算公式简单快速地计算出任意立式分离容器(目标立式分离容器)制冷量，适用于所有立式分离容器，而且计算得到的制冷量的精确度也较高。

作为一种可选的实施方式，第二获取单元220具体用于，根据所述制冷剂的饱和气体密度、所述制冷剂的液滴直径和所述分离速度V_t，获得作用于所述立式分离容器样机中的浮力；以及，根据所述制冷剂的饱和液体密度、所述制冷剂的饱和气体密度和所述制冷剂的液滴直径，计算所述制冷剂的液滴的重力；根据所述浮力与所述重力，获得所述制冷剂液体与所述制冷剂气体在立式分离容器样机中分离时的分离速度V_t。

在制冷系统的应用计算中，经常用到制冷剂的热力学基本参数，热力学基本参数通常可以从制冷剂的热力性能表查找得到。其中，热力学基本参数包括制冷剂的饱和液体密度ρ_f、制冷剂的饱和气体密度ρ_v和制冷剂的液滴直径d等。其中，饱和液体密度ρ_f是制冷剂在能够成为液体的饱和温度时对应的密度，制冷剂的饱和气体密度ρ_v是制冷剂在能够成为气体的饱和温度时对应的密度，可以理解，制冷剂的饱和液体对应的饱和温度与饱和气体对应的饱和温度是不一样的。

作为一种可选的实施方式，所述分离速度V_t：

其中，ρ_f为制冷剂液体的饱和液体密度，ρ_v为制冷剂气体的饱和气体密度，C_D为阻力系数，g为重力加速度，所述d为所述制冷剂液体的液滴直径。

其中，公式6是根据上述液滴的重力等于浮力，然后根据公式5计算得到V_t。

作为一种可选的实施方式，通用计算公式为：

M_制冷量＝((V_t×S₀)÷M_{单位质量流量})×k； (公式7)

其中，M_制冷量为立式分离容器中的制冷量，V_t为分离速度，S₀为立式分离容器的截面积，M_{单位质量流量}为立式分离容器的制冷剂在工作温度下的单位质量流量，k为安全系数。

作为一种可选的实施方式，制冷剂为氨或者氟利昂；

作为一种可选的实施方式，工作温度包括蒸发温度、和/或冷凝温度、和/或供热温度。需要说明，蒸发温度、冷凝温度和供液温度可以各不相同，或者任意2个相同，或者3个均相同。

当立式分离容器的制冷剂为氨，安全系数k的值为第一预设值；

当立式分离容器的制冷剂为氟利昂，安全系数k的值为第二预设值；其中，第二预设值不同于第一预设值。

作为一种可选的实施方式，在制冷系统的设计之初，对目标立式分离容器选型时，上述制计算单元210获取目标立式分离容器中已确定的制冷剂的热力学基本参数，即目标立式分离容器的制冷剂在饱和温度下的饱和液体密度ρ_f、制冷剂的液滴直径和制冷剂在饱和温度下的饱和气体密度ρ_v；根据上述公式6计算得到目标立式分离容器中的制冷剂液体与制冷剂气体在立式分离容器样机中分离时的分离速度V_t；获取目标立式分离容器的直径d，根据该直径d计算目标立式分离容器的截面积；根据目标立式分离容器预设的蒸发温度、和/或预设的冷凝温度、和/或供液温度，查找对应的单位质量流量，然后根据公式7计算得到目标立式分离容器的制冷量M_制冷量。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质包括只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存储器(Random Access Memory，RAM)、可编程只读存储器(Programmable Read-only Memory，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM)、一次可编程只读存储器(One-time Programmable Read-Only Memory，OTPROM)、电子抹除式可复写只读存储器(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)、只读光盘(Compact Disc Read-Only Memory，CD-ROM)或其他光盘存储器、磁盘存储器、磁带存储器、或者能够用于携带或存储数据的计算机可读的任何其他介质。

以上对本发明实施例公开的一种立式分离容器的制冷量计算方法及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。