第一章 緒論

對(duì)于采用單一工質(zhì)的蒸氣壓縮式制冷技術(shù)而言，要獲得-40℃ 以下低溫，可以采用多級(jí)壓縮或是復(fù)疊循環(huán)的方式。多級(jí)壓縮式制冷技術(shù)通過將單一工質(zhì)壓縮到很高的壓力使之能夠在環(huán)境溫度下液化，經(jīng)過回?zé)崞骱蠊?jié)流制取所需低溫。其中，利用兩級(jí)壓縮一次節(jié)流制冷系統(tǒng)可以達(dá)到-60℃。由于多級(jí)壓縮式制冷循環(huán)中回?zé)崞鲀?nèi)為高壓液相與低壓氣相換熱，兩者比熱容差異巨大因此換熱效率較低，從而導(dǎo)致該類制冷系統(tǒng)在制取低溫時(shí)熱效率不高。相比之下，兩級(jí)復(fù)疊制冷系統(tǒng)最低可以達(dá)到-90℃，采用三級(jí)復(fù)疊制冷系統(tǒng)則可達(dá)到-120℃，，但要制取比-120℃ 更低的溫度時(shí)，則需要采用三級(jí)以上的復(fù)疊制冷循環(huán)系統(tǒng)。在復(fù)疊制冷系統(tǒng)工作時(shí)，高溫級(jí)將制冷量通過中間回?zé)崞鱾鬟f到低溫級(jí)系統(tǒng)中，然后該低溫級(jí)系統(tǒng)再作為下一級(jí)低溫級(jí)系統(tǒng)的高溫級(jí)系統(tǒng)，將獲得的制冷量通過兩級(jí)間的回?zé)崞鱾鬟f給下一級(jí)低溫級(jí)制冷系統(tǒng)，直到最后一級(jí)低溫制冷系統(tǒng)制取到所需低溫。從復(fù)疊制冷循環(huán)系統(tǒng)的工作原理上可以看得出，復(fù)疊級(jí)數(shù)越多，中間制冷量的傳遞過程就越多，則傳遞過程所帶來的冷量損失也就越大，從而制冷效率就越低。因此，由于系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜且制冷效率低下，相關(guān)設(shè)備投資高以及運(yùn)行維護(hù)成本高，一般很少采用三級(jí)以及三級(jí)以上復(fù)疊制冷系統(tǒng)來制取所需低溫。

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第二章 低溫混合工質(zhì)制冷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1低溫混合工質(zhì)制冷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

低溫混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、風(fēng)冷冷凝器、回?zé)崞�、�?jié)流閥以及蒸發(fā)器 5個(gè)主要部件組成。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用了三個(gè)串聯(lián)并且結(jié)構(gòu)尺寸一樣的釬焊板式換熱器作為回?zé)崞�，其目的在于將回�(zé)崞髦械牧鲃?dòng)傳熱過程分割在三個(gè)換熱器中進(jìn)行，然后可以根據(jù)運(yùn)行參數(shù)，將只包含了兩相流動(dòng)傳熱過程的換熱器篩選出來作為研究對(duì)象，從而對(duì)其兩相過程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量

要研究混合工質(zhì)低溫制冷系統(tǒng)回?zé)崞鲀上嗔鲃?dòng)與傳熱特性，需要對(duì)系統(tǒng)各運(yùn)行工況下的混合工質(zhì)組分濃度、質(zhì)量流量、各點(diǎn)溫度及壓力等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，所用到的測(cè)量設(shè)備及其對(duì)應(yīng)測(cè)量參數(shù)如表 2-3 所示，這些設(shè)備在系統(tǒng)中的安裝位置如圖 2-1 所示。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用安捷倫 34970A 模塊對(duì)溫度及壓力參數(shù)進(jìn)行采集，電磁閥開關(guān)采用研華 4068 模塊進(jìn)行控制，并且通過研華 4024 模塊和電力調(diào)整器對(duì)蒸發(fā)器中的電加熱功率進(jìn)行調(diào)整。由于混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)較多，所有測(cè)點(diǎn)參數(shù)完成一次數(shù)據(jù)采集和保存需要 15 秒的時(shí)間�；旌瞎べ|(zhì)制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集程序通過 LabView 平臺(tái)編寫，程序主界面如圖 2-4所示，各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度及壓力都會(huì)在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)顯示在程序中，然后保存在指定Excel 表格中。

第三章 回?zé)崞髦谢旌瞎べ|(zhì)兩相流動(dòng)特性...........30

3.1 兩相摩擦壓降與摩擦系數(shù)................... 30
3.2 兩相摩擦壓降計(jì)算模型........... 31
3.3 兩相摩擦壓降實(shí)驗(yàn)結(jié)果................. 35
第四章 回?zé)崞髦谢旌瞎べ|(zhì)兩相傳熱特性..........46
4.1 兩相傳熱離散計(jì)算模型............ 47
4.2 傳熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式............... 53
4.3 混合工質(zhì)兩相傳熱熱阻分析........ 60
4.4 回?zé)崞鱾鳠嵝史治?............. 61
4.5 結(jié)果分析與討論........... 62
第五章 低溫制冷系統(tǒng)中混合工質(zhì)濃度優(yōu)化........74
5.1 循環(huán)組分濃度優(yōu)化策略............. 74
5.2 初始充灌..................... 74
5.3 循環(huán)組分濃度實(shí)際優(yōu)化計(jì)算模型.......... 80
5.4 優(yōu)化案例分析.............. 83
5.5 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證................. 88

第六章 混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)運(yùn)行特性研究

6.1混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)運(yùn)行濃度優(yōu)化

本文采用第五章所提出的策略對(duì)正丁烷/乙烷/甲烷三元混合工質(zhì)在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的循環(huán)濃度進(jìn)行優(yōu)化，環(huán)境溫度為 20.1℃，目標(biāo)制冷溫度為-130℃，從而得到了合適的充灌量及充灌濃度，結(jié)果如表 6-1 所示。混合工質(zhì)總充灌質(zhì)量為 1014 g，其中正丁烷充灌質(zhì)量最多，其摩爾濃度接近 50%；甲烷充灌質(zhì)量最少，乙烷充灌質(zhì)量比甲烷稍多。

6.2系統(tǒng)熱負(fù)荷空載運(yùn)行特性

混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)根據(jù)表 6-1 中的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行充灌，在環(huán)境溫度為 21.4℃ 的條件下，系統(tǒng)在不加載熱負(fù)荷時(shí)，降溫曲線如圖 6-1 所示�；旌瞎べ|(zhì)制冷系統(tǒng)運(yùn)行 30 min 后，達(dá)到-140oC 左右的低溫，然后再經(jīng)過近 90 min左右，穩(wěn)定在-148.7℃ 的最低溫度。以 30 min 這個(gè)時(shí)間點(diǎn)為分界，制冷系統(tǒng)在前 30 min平均降溫速率為 5.3℃min-1，而在后 90 min 的平均降溫速率則驟降到 0.1℃ min-1，這主要是由于制冷溫度已十分接近系統(tǒng)所能達(dá)到最低溫度，因而制冷性能嚴(yán)重下降。因此，在運(yùn)用混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)制取所需低溫時(shí)，應(yīng)該選用能夠制取更低溫度的混合工質(zhì)，避免制冷系統(tǒng)在接近最低溫度的溫區(qū)附近運(yùn)行，以此保證制冷系統(tǒng)的制冷性能。
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結(jié)論

本文對(duì)混合工質(zhì)在釬焊板式換熱器中的兩相流動(dòng)及傳熱過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和理論計(jì)算分析，得到了預(yù)測(cè)準(zhǔn)確的兩相摩擦壓降及傳熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。此外，為了解決混合工質(zhì)液相積存造成的兩相濃度滑移帶來的混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)運(yùn)行控制難題，本文提出了一種新型的混合工質(zhì)運(yùn)行濃度優(yōu)化調(diào)整策略，能夠根據(jù)混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，對(duì)混合工質(zhì)運(yùn)行濃度進(jìn)行精確調(diào)整。然后，根據(jù)該策略獲得正丁烷/乙烷/甲烷三元混合工質(zhì)適合的充灌量，并對(duì)該充灌量下的混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)降溫特性進(jìn)行了研究和分析。本文所得的主要結(jié)論如下：（1） 在實(shí)驗(yàn)工況下，對(duì)于混合工質(zhì)在釬焊板式換熱器中的兩相壓降而言，進(jìn)出口壓降、重力壓降及加速壓降占比很小，幾乎可以忽略不計(jì)，兩相摩擦壓降是其最主要部分�；旌瞎べ|(zhì)流動(dòng)沸騰壓降在 2~25 kPa 范圍內(nèi)，而冷凝壓降在 2.5~13 kPa 范圍內(nèi)。當(dāng)板式換熱器中的流動(dòng)沸騰壓降約為冷凝壓降的2倍；但當(dāng)制冷系統(tǒng)在低溫工況下運(yùn)行時(shí)，混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)在高溫工況下運(yùn)行時(shí)，混合工質(zhì)循環(huán)質(zhì)量流量較大，混合工質(zhì)在釬焊合工質(zhì)循環(huán)質(zhì)量流量較小，混合工質(zhì)在釬焊板式換熱器中的流動(dòng)沸騰壓降與冷凝壓降相差不大。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：239549