小型R744-R290自復(fù)疊制冷系統(tǒng)的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益加強(qiáng)，在制冷裝置中使用R744、R290等天然物質(zhì)作制冷劑重新受到人們的青睞。它們不破壞大氣臭氧、溫室效應(yīng)影響非常小，而且熱物理性質(zhì)也十分優(yōu)秀。但是，R744屬于高壓低溫制冷劑，對(duì)設(shè)備的承壓能力和密封性要求很高，而且無(wú)法用環(huán)境介質(zhì)冷凝;而R290易燃、易爆，安全性很差。因此將R744和R290混合用作自復(fù)疊制冷(Auto-cascade Refrigeration，簡(jiǎn)稱ACR)循環(huán)制冷劑。本文通過(guò)理論分析和模

2、擬計(jì)算相結(jié)合的方法研究了帶有冷卻分凝熱交換器(FractionationHeat Exchanger，簡(jiǎn)稱FHEX)的R744/R290ACR系統(tǒng)的性能，并對(duì)各關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行計(jì)算。在此基礎(chǔ)上搭建了R744/R290ACR系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試與驗(yàn)證。
　　利用PT狀態(tài)方程和van der Waals混合規(guī)則結(jié)合逸度系數(shù)法，計(jì)算了R744/R290混合物的氣、液相平衡特性。系統(tǒng)分析了處于氣、液兩相共存的平衡狀態(tài)時(shí)，混合物各組元總

3、摩爾分?jǐn)?shù)、氣相摩爾分?jǐn)?shù)、液相摩爾分?jǐn)?shù)、干度、平衡溫度及壓力之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。用狀態(tài)方程法計(jì)算了混合物的飽和蒸氣壓、比容、密度等參數(shù)值。并通過(guò)余函數(shù)法求解余自由能方程、余焓方程和余熵方程，計(jì)算了混合物的比焓、比熵等熱力性質(zhì)，為系統(tǒng)理論計(jì)算奠定基礎(chǔ)。
　　對(duì)以R744/R290作制冷劑的ACR理論循環(huán)開(kāi)展了熱力學(xué)分析及性能研究。首先比較有、無(wú)FHEX的兩種ACR循環(huán)流程，著重分析了FHEX的結(jié)構(gòu)、作用及流體在其中的熱量交換和狀態(tài)變化

4、過(guò)程。然后對(duì)兩種ACR循環(huán)分別進(jìn)行理論建模，并對(duì)比分析FHEX對(duì)循環(huán)性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明FHEX能夠繼續(xù)分離相分離器出口的高壓飽和氣體，提高進(jìn)入低溫環(huán)路制冷劑中R744的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，降低循環(huán)蒸發(fā)溫度。在有FHEX的ACR循環(huán)中，降低FHEX高壓側(cè)出口與入口制冷劑質(zhì)量流量比能夠使低溫環(huán)路R744質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加、蒸發(fā)溫度下降，但循環(huán)COP值變小。最后分析了冷凝溫度、冷凝器出口干度等重要特性參數(shù)對(duì)有FHEX的ACR循環(huán)的影響規(guī)律。結(jié)果表明

5、，降低冷凝溫度能提高循環(huán)的COP值而且有利于獲得較低的蒸發(fā)溫度。在一定的冷凝器出口溫度、壓力或者R744質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，降低冷凝器出口干度對(duì)減小壓縮機(jī)功率消耗、提高循環(huán)COP有積極意義。
　　建立了以COP為目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)的參數(shù)優(yōu)化模型，結(jié)果表明當(dāng)冷凝溫度和蒸發(fā)溫度一定時(shí)，帶有FHEX的ACR循環(huán)的最佳冷凝壓力隨總R744質(zhì)量分?jǐn)?shù)和冷凝溫度的升高而升高;最佳總R744質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨冷凝溫度的升高而變小。優(yōu)化結(jié)果為實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考依

6、據(jù)。
　　在相同的蒸發(fā)溫度下比較了R744/R290ACR循環(huán)與R22單級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)的性能，選擇在自復(fù)疊制冷循環(huán)中使用R22低溫壓縮機(jī)。進(jìn)行了各熱交換設(shè)備的傳熱計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度校核計(jì)算工作。制作加工各熱交換設(shè)備，搭建了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置臺(tái)和參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，并分析了測(cè)試參數(shù)的不確定性。
　　在不同總R744質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下分別對(duì)FHEX起作用和不起作用兩種循環(huán)模式進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表