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

1、隨著國際社會對環(huán)境保護的日益加強，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，對設(shè)備的承壓能力和密封性要求很高，而且無法用環(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，簡稱ACR)循環(huán)制冷劑。本文通過理論分析和模

2、擬計算相結(jié)合的方法研究了帶有冷卻分凝熱交換器(FractionationHeat Exchanger，簡稱FHEX)的R744/R290ACR系統(tǒng)的性能，并對各關(guān)鍵設(shè)備進行計算。在此基礎(chǔ)上搭建了R744/R290ACR系統(tǒng)實驗臺，并進行了實驗測試與驗證。
　　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，混合物各組元總

3、摩爾分數(shù)、氣相摩爾分數(shù)、液相摩爾分數(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)方程法計算了混合物的飽和蒸氣壓、比容、密度等參數(shù)值。并通過余函數(shù)法求解余自由能方程、余焓方程和余熵方程，計算了混合物的比焓、比熵等熱力性質(zhì)，為系統(tǒng)理論計算奠定基礎(chǔ)。
　　對以R744/R290作制冷劑的ACR理論循環(huán)開展了熱力學(xué)分析及性能研究。首先比較有、無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、過程。然后對兩種ACR循環(huán)分別進行理論建模，并對比分析FHEX對循環(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，提高進入低溫環(huán)路制冷劑中R744的質(zhì)量分數(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)量分數(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)量分數(shù)下，降低冷凝器出口干度對減小壓縮機功率消耗、提高循環(huán)COP有積極意義。
　　建立了以COP為目標優(yōu)化函數(shù)的參數(shù)優(yōu)化模型，結(jié)果表明當冷凝溫度和蒸發(fā)溫度一定時，帶有FHEX的ACR循環(huán)的最佳冷凝壓力隨總R744質(zhì)量分數(shù)和冷凝溫度的升高而升高;最佳總R744質(zhì)量分數(shù)隨冷凝溫度的升高而變小。優(yōu)化結(jié)果為實驗裝置系統(tǒng)的設(shè)計提供參考依

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。進行了各熱交換設(shè)備的傳熱計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及強度校核計算工作。制作加工各熱交換設(shè)備，搭建了系統(tǒng)實驗裝置臺和參數(shù)測試系統(tǒng)，并分析了測試參數(shù)的不確定性。
　　在不同總R744質(zhì)量分數(shù)條件下分別對FHEX起作用和不起作用兩種循環(huán)模式進行系統(tǒng)測試，并將實驗數(shù)據(jù)與理論模擬結(jié)果進行了對比分析，結(jié)果表