小型R744/R290自复叠制冷系统的理论分析与实验研究

摘要

随着国际社会对环境保护的日益加强，在制冷装置中使用R744、R290等天然物质作制冷剂重新受到人们的青睐。它们不破坏大气臭氧、温室效应影响非常小，而且热物理性质也十分优秀。但是，R744属于高压低温制冷剂，对设备的承压能力和密封性要求很高，而且无法用环境介质冷凝;而R290易燃、易爆，安全性很差。因此将R744和R290混合用作自复叠制冷(Auto-cascade Refrigeration，简称ACR)循环制冷剂。本文通过理论分析和模拟计算相结合的方法研究了带有冷却分凝热交换器(FractionationHeat Exchanger，简称FHEX)的R744/R290ACR系统的性能，并对各关键设备进行计算。在此基础上搭建了R744/R290ACR系统实验台，并进行了实验测试与验证。
　　利用PT状态方程和van der Waals混合规则结合逸度系数法，计算了R744/R290混合物的气、液相平衡特性。系统分析了处于气、液两相共存的平衡状态时，混合物各组元总摩尔分数、气相摩尔分数、液相摩尔分数、干度、平衡温度及压力之间的相互转换关系。用状态方程法计算了混合物的饱和蒸气压、比容、密度等参数值。并通过余函数法求解余自由能方程、余焓方程和余熵方程，计算了混合物的比焓、比熵等热力性质，为系统理论计算奠定基础。
　　对以R744/R290作制冷剂的ACR理论循环开展了热力学分析及性能研究。首先比较有、无FHEX的两种ACR循环流程，着重分析了FHEX的结构、作用及流体在其中的热量交换和状态变化过程。然后对两种ACR循环分别进行理论建模，并对比分析FHEX对循环性能的影响规律。研究结果表明FHEX能够继续分离相分离器出口的高压饱和气体，提高进入低温环路制冷剂中R744的质量分数，降低循环蒸发温度。在有FHEX的ACR循环中，降低FHEX高压侧出口与入口制冷剂质量流量比能够使低温环路R744质量分数增加、蒸发温度下降，但循环COP值变小。最后分析了冷凝温度、冷凝器出口干度等重要特性参数对有FHEX的ACR循环的影响规律。结果表明，降低冷凝温度能提高循环的COP值而且有利于获得较低的蒸发温度。在一定的冷凝器出口温度、压力或者R744质量分数下，降低冷凝器出口干度对减小压缩机功率消耗、提高循环COP有积极意义。
　　建立了以COP为目标优化函数的参数优化模型，结果表明当冷凝温度和蒸发温度一定时，带有FHEX的ACR循环的最佳冷凝压力随总R744质量分数和冷凝温度的升高而升高;最佳总R744质量分数随冷凝温度的升高而变小。优化结果为实验装置系统的设计提供参考依据。
　　在相同的蒸发温度下比较了R744/R290ACR循环与R22单级蒸气压缩制冷循环的性能，选择在自复叠制冷循环中使用R22低温压缩机。进行了各热交换设备的传热计算、结构设计以及强度校核计算工作。制作加工各热交换设备，搭建了系统实验装置台和参数测试系统，并分析了测试参数的不确定性。
　　在不同总R744质量分数条件下分别对FHEX起作用和不起作用两种循环模式进行系统测试，并将实验数据与理论模拟结果进行了对比分析，结果表明当总R744质量分数从0.22增加大到0.31,有FHEX的ACR循环蒸发温度比无FHEX的循环低大约9.1-20.3K，制冷量、压缩机输入功率和COP值由于蒸发温度的降低分别平均下降了50.0％，27.8％和29.2％。理论和实验验证了在循环中设置FHEX的实际可行性和有效性，为后续理论模型和实验装置的进一步改进提供依据和思路。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 臭氧层破坏

1．1．2 全球气候变暖

1．2 国内外研究进展

1．2．1 制冷剂替代研究进展

1．2．2 R744和R290制冷剂应用研究进展

1．2．3 自复叠制冷技术研究进展

1．3 本文的主要研究内容

2 R744／R290混合制冷剂热物性计算

2．1 R744、R290纯制冷剂热物性

2．1．1 R744、R290纯制冷剂基本参数

2．1．2 R744、R290纯制冷剂其它物性

2．2 R744／R290混合物热物性

2．2．1 状态方程

2．2．2 气、液相平衡计算

2．2．3 R744／R290混合物基本物性计算

2．3 本章小结

3 R744／R290ACR循环的热力学分析及性能研究

3．1 R744／R290ACR理论循环流程

3．1．1 无FHEX的ACR循环

3．1．2 有FHEX的ACR循环

3．2 R744／R290ACR系统理论模型

3．2．1 压缩机模型

3．2．2 冷凝器模型

3．2．3 相分离器和FHEX模型

3．2．4 冷凝蒸发器模型

3．2．5 节流机构模型

3．2．6 蒸发器模型

3．2．7 混合模型

3．3 FHEX对循环性能的影响

3．3．1 两种循环对比

3．3．2 FHEX高压侧出口与入口制冷剂质量流量比对循环性能的影响

3．4 特性参数对有FHEX的ACR循环性能的影响分析

3．4．1 冷凝温度对有FHEX的ACR循环性能的影响

3．4．2 干度对有FHEX的ACR循环性能的影响

3．5 有FHEX的ACR循环优化分析

3．5．1 参数优化模型

3．5．2 约束条件

3．5．3 优化计算

3．5．4 优化结果分析

3．6 本章小结

4 R744／R290ACR实验系统

4．1 实验装置系统原理图

4．2 制冷压缩机和节流机构

4．2．1 制冷压缩机

4．2．2 节流机构

4．3 热交换器

4．3．1 冷凝器

4．3．2 蒸发器

4．3．3 冷凝蒸发器

4．3．4 相分离器和FHEX

4．4 本章小结

5 R744／R290ACR系统的实验研究

5．1 测试系统

5．1．1 测量参数

5．1．2 测量参数的不确定性计算

5．2 实验步骤

5．3 实验研究内容

5．4 实验结果分析

5．4．1 开机过程动态实验结果

5．4．2 FHEX对循环性能影响

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介