一种跨临界二氧化碳制冰系统充注量预测方法

本发明涉及制冷剂充注量，特别是涉及一种跨临界二氧化碳制冰系统充注量预测方法。

背景技术：

1、跨临界co2制冰系统中co2直接流经蒸发盘管，与冰场进行换热，省去了载冷系统的换热损失；并且co2管内流动阻力较低，使得蒸发盘管内部压力和温度下降不明显，制冰效果较好。跨临界co2制冰系统中压缩机排气压力和温度均较高，因此其气冷器侧热回收潜力较高，回收的热量可以用于生活用水、浇冰用水和防冻用水等，其系统冷热综合利用系数较高

2、制冷系统中压缩机、蒸发器和气冷器(冷凝器)是影响系统运行效率的主要设备，其充注量会影响其换热能力；而过多或过少的充注量均会影响制冷热泵系统运行效率。

3、目前对于跨临界co2制冷系统的充注量预测主要集中于家用空调和汽车空调，跨临界co2制冰系统的最优充注量研究几乎没有，而该系统具有庞大的蒸发器、气冷器和设备管线；制冷量和热回收潜力巨大，充注量的预测对系统前期的调试和后期运维至关重要。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术中跨临界co2制冰系统的充注量计算不满足实际需求的技术缺陷，而提供一种跨临界二氧化碳制冰系统充注量预测方法。

2、为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

3、一种跨临界二氧化碳制冰系统的充注量预测方法，包括以下步骤：

4、步骤1：确定目标制冰系统的基本运行参数；

5、步骤2：分别获得压缩机、蒸发器和气冷器的进出口参数和结构参数；获得各设备连接管道内的二氧化碳状态参数和管道结构参数；

6、步骤3：将步骤1和2获得的参数分别输入压缩机充注量预测模型、蒸发器充注量预测模型、气冷器充注量预测模型和管道充注量预测模型，获得压缩机、蒸发器、气冷器和管道的充注量；

7、步骤4：将压缩机、蒸发器、气冷器和管道的充注量加和计算得到制冰系统的充注量。

8、在上述技术方案中，步骤1中，所述基本运行参数包括各设备进出口温度、压力、比焓、流量和冰场制冷负荷。

9、在上述技术方案中，步骤3中，所述压缩机充注量预测模型通过压缩机进出口处的二氧化碳密度和压缩机的内腔体容积，计算压缩机充注量。

10、在上述技术方案中，利用公式(1)计算压缩机充注量；

11、

12、其中，mcom为压缩机充注量，单位为kg；ρcom,in和ρcom,out分别为压缩机进出口处的二氧化碳密度，单位为kg/m3；vcom为压缩机的内腔体容积，单位为m3。

13、在上述技术方案中，所述蒸发器充注量预测模型包括以下步骤：

14、步骤a：利用蒸发器进出口处的二氧化碳比焓和蒸发盘管内管管径以及目标制冰系统的制冷负荷计算质流密度；

15、步骤b：将蒸发器进行微元划分，并将焓差均分到每个微元段；

16、步骤c：计算出第i段微元段的空泡系数；

17、步骤d：计算出第i段微元段的空泡系数对应的密度和制冷剂质量；

18、步骤e：重复上述步骤c和步骤d，计算全部微元段的制冷剂质量；求和得到蒸发器充注量。

19、在上述技术方案中，步骤a中，利用公式(2)计算质流密度；

20、

21、其中，g为质流密度，单位为kg/(m2·s)；hev,out和hev,in分别为蒸发器进出口处的二氧化碳比焓，单位为kj/kg；qev为冰场制冷负荷，单位为kw；dev,i为蒸发盘管内管管径，单位为m；

22、步骤b中：利用公式(3)将焓差均分到每个微元段；

23、

24、其中，dh为微元段焓差，单位为kj/kg；nev为蒸发器所分微元段数；

25、步骤c中，假设第i段空泡系数利用公式(4-8)计算出第i段微元段的空泡系数α(i)，并与假设进行比较，若结果不在误差范围内，则调整假设重新计算公式(4-8)，若结果在误差范围内则第i段空泡系数计算完成；

26、

27、其中，αh(i)为第i段均相流空泡系数；ρev,g和ρev,l分别为气态co2密度和液态co2的密度，单位为kg/m3；x(i)为第i段制冷剂干度；

28、

29、其中，reα(i)为通过加权的雷诺数；为第i段假设空泡系数；μev,g和μev,l分别为气态co2动力粘度和液态co2动力粘度，单位为pa·s；g为质流密度，单位为kg/(m2·s)；dev,i为蒸发盘管内管管径，单位为m；

30、

31、其中，fr为弗劳德数；g为重力加速度，m/s2；

32、

33、其中，z为相关参数；

34、α(i)＝khαh(i)                                     (8)；

35、其中，α(i)为第i段微元段的空泡系数；kh为α(i)与αh(i)之间的校正系数；

36、步骤d中，分别利用公式(9)和(10)计算出第i段微元段的空泡系数对应的密度和制冷剂质量；

37、ρ(i)＝α(i)ρev,g+(1-α(i))ρev,l                               (9)；

38、其中，ρ(i)为第i段微元段对应的co2两相密度，kg/m3；ρev,g和ρev,l分别为气态co2密度和液态co2的密度，单位为kg/m3；

39、mev(i)＝aev×ρ(i)×dl                                (10)；

40、其中，mev(i)为第i段蒸发器的制冷剂质量，单位为kg；aev为蒸发器管道截面积，单位为m2；dl为微元段长度，单位为m；

41、步骤e中，

42、

43、其中，mev为蒸发器充注量，单位为kg；lev为蒸发器管长，单位为m。

44、在上述技术方案中，气冷器充注量预测模型具体包括以下步骤：

45、步骤1)：输入气冷器进出口参数和结构参数；

46、步骤2)：对气冷器进行微元划分；假设第i段气冷器co2出口温度，计算第i段气冷器水入口温度和co2侧散热量q1(i)；

47、步骤3)：计算出第i段co2侧的表面传热系数和第i段水侧的表面传热系数；

48、步骤4)：通过表面传热系数分别计算出第i段总传热系数和对数平均温差，最终得出第i段管道换热量q2(i)；

49、步骤5)：将q2(i)和q1(i)进行比较，若不在误差范围内则修正假设的co2入口温度，重复步骤2-4；若在误差范围内，则计算出第i段内部制冷剂质量；

50、步骤6)：按照步骤2)-5)计算所有微元段的内部制冷剂质量；迭代或求和得到气冷器充注量。

51、在上述技术方案中，步骤2)中，假设第i段气冷器co2出口温度，按照公式(12)计算第i段气冷器水入口温度和co2侧散热量q1(i)；

52、

53、其中：mco2和mwater分别为气冷器内co2和水的质量流量，kg/s；hgc,co2,in(i)和hgc,co2,out(i)为第i段气冷器co2侧进出口比焓，kj/kg；cp,water为水定压比热容，kj/(kg·℃)；tgc,water,in(i)和tgc,water,out(i)分别为第i段气冷器水侧进出口温度，℃；

54、步骤3)中通过公式(13-16)计算出第i段co2侧的表面传热系数；根据公式(17-19)计算出第i段水侧的表面传热系数；

55、

56、

57、

58、

59、其中：为第i段co2侧表面传热系数，w/(m2·k)；nugc,co2(i)为第i段co2管内努谢尔数；λgc,co2(i)为第i段气冷器co2导热系数，w/(m·k)；为气冷器co2管道当量直径，m；f(i)为第i段co2摩擦因子；regc,co2(i)为第i段co2管内雷诺数；prgc,co2(i)为第i段co2管内普朗特数；μgc,co2(i)为气冷器内co2动力粘度，单位为pa·s；

60、

61、

62、

63、其中：为第i段水侧表面传热系数，w/(m2·k)；nugc,water(i)为第i段水侧努谢尔数；λgc,water(i)为第i段气冷器水导热系数，w/(m·k)；为气冷器水管道当量直径，m；regc,water(i)为第i段水侧雷诺数；prgc,water(i)为第i段水侧普朗特数；ρgc,water(i)分别为管内水密度，单位为kg/m3；vgc,water(i)为管内水流速，单位为m/s；μgc,water(i)为气冷器内水动力粘度，单位为pa·s；

64、步骤4)中，通过表面传热系数按照公式(20-21)分别计算出第i段总传热系数和对数平均温差，最终通过公式(22)得出第i段管道换热量q2(i)；

65、

66、

67、

68、其中：dgc,co2,i和dgc,co2,o分别为气冷器中co2管道内外径，m；λcu是铜管导热系数，w/(m·k)；rgc,w是气冷器中的污垢热阻，(m2·k)/w；tgc,co2,in(i)和tgc,co2,out(i)分别为第i段co2管道进出口温度，℃；为第i段气冷器传热面积，m2；

69、步骤5)中，将上述q2(i)和q1(i)进行比较，若不在误差范围内则修正假设的co2入口温度，重复步骤2)-4)；若在误差范围内，则通过公式(23)计算出第i段内部制冷剂质量；

70、

71、其中：mgc(i)为第i段气冷器制冷剂质量，kg；ρgc,co2(i)为第i段co2密度，kg/m3；agc,co2(i)为第i段气冷器co2管道截面积，m2。

72、步骤6)中，气冷器充注量按公式(24)计算；

73、

74、在上述技术方案中，管道充注量预测模型计算公式如下所示：

75、mline＝(ρv)com→gc,line+(ρv)gc→th,line+(ρv)th→ev,line+(ρv)ev→com,line        (25)；

76、其中：mline为管道充注量，kg；ρcom→gcline、ρgc→thline、ρh→evline和ρev→comline分别为压缩机与气冷器之间管线内co2密度、气冷器与节流阀之间管线内co2密度、节流阀与蒸发器之间管线内co2密度和蒸发器与压缩机之间管线内co2密度，kg/m3；vcom→gcline、vgc→thline、vh→evline和vev→comline分别为压缩机与气冷器之间管线内容积、气冷器与节流阀之间管线内容积、节流阀与蒸发器之间管线内容积和蒸发器与压缩机之间管线内容积，m3。

77、在上述技术方案中，按照公式(26)加和计算得到制冰系统的充注量：

78、m＝mcom+mgc+mev+mline                       (26)；

79、其中，m为跨临界二氧化碳制冰系统总充注量，kg。

80、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

81、本发明提供的跨临界二氧化碳制冰系统充注量预测方法，可以通过计算各部件以及管线的充注量来预测系统高效运行状态下总充注量，为跨临界二氧化碳制冰系统总充注量提供参考；同时可以使得跨临界二氧化碳制冰系统处于较优充注量下运行，避免充注量过多或过少所带来蒸发器过热、制冷剂浪费和系统运行效率低等现象。