第一章 緒論

對于采用單一工質(zhì)的蒸氣壓縮式制冷技術(shù)而言，要獲得-40℃ 以下低溫，可以采用多級壓縮或是復(fù)疊循環(huán)的方式。多級壓縮式制冷技術(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，利用兩級壓縮一次節(jié)流制冷系統(tǒng)可以達到-60℃。由于多級壓縮式制冷循環(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)在制取低溫時熱效率不高。相比之下，兩級復(fù)疊制冷系統(tǒng)最低可以達到-90℃，采用三級復(fù)疊制冷系統(tǒng)則可達到-120℃，，但要制取比-120℃ 更低的溫度時，則需要采用三級以上的復(fù)疊制冷循環(huán)系統(tǒng)。在復(fù)疊制冷系統(tǒng)工作時，高溫級將制冷量通過中間回?zé)崞鱾鬟f到低溫級系統(tǒng)中，然后該低溫級系統(tǒng)再作為下一級低溫級系統(tǒng)的高溫級系統(tǒng)，將獲得的制冷量通過兩級間的回?zé)崞鱾鬟f給下一級低溫級制冷系統(tǒng)，直到最后一級低溫制冷系統(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)備投資高以及運行維護成本高，一般很少采用三級以及三級以上復(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)制冷實驗系統(tǒng)

2.1低溫混合工質(zhì)制冷實驗系統(tǒng)

低溫混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)主要由壓縮機、風(fēng)冷冷凝器、回?zé)崞�、�?jié)流閥以及蒸發(fā)器 5個主要部件組成。本實驗系統(tǒng)采用了三個串聯(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)崞髦械牧鲃觽鳠徇^程分割在三個換熱器中進行，然后可以根據(jù)運行參數(shù)，將只包含了兩相流動傳熱過程的換熱器篩選出來作為研究對象，從而對其兩相過程實驗數(shù)據(jù)進行分析。

2.2實驗數(shù)據(jù)測量

要研究混合工質(zhì)低溫制冷系統(tǒng)回?zé)崞鲀上嗔鲃优c傳熱特性，需要對系統(tǒng)各運行工況下的混合工質(zhì)組分濃度、質(zhì)量流量、各點溫度及壓力等參數(shù)進行測量，所用到的測量設(shè)備及其對應(yīng)測量參數(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。本實驗系統(tǒng)采用安捷倫 34970A 模塊對溫度及壓力參數(shù)進行采集，電磁閥開關(guān)采用研華 4068 模塊進行控制，并且通過研華 4024 模塊和電力調(diào)整器對蒸發(fā)器中的電加熱功率進行調(diào)整。由于混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)測點較多，所有測點參數(shù)完成一次數(shù)據(jù)采集和保存需要 15 秒的時間。混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)采集程序通過 LabView 平臺編寫，程序主界面如圖 2-4所示，各測點對應(yīng)的溫度及壓力都會在實驗過程中實時顯示在程序中，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 兩相摩擦壓降計算模型........... 31
3.3 兩相摩擦壓降實驗結(jié)果................. 35
第四章 回?zé)崞髦谢旌瞎べ|(zhì)兩相傳熱特性..........46
4.1 兩相傳熱離散計算模型............ 47
4.2 傳熱經(jīng)驗關(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)組分濃度實際優(yōu)化計算模型.......... 80
5.4 優(yōu)化案例分析.............. 83
5.5 優(yōu)化結(jié)果驗證................. 88

第六章 混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)運行特性研究

6.1混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)運行濃度優(yōu)化

本文采用第五章所提出的策略對正丁烷/乙烷/甲烷三元混合工質(zhì)在本實驗系統(tǒng)中的循環(huán)濃度進行優(yōu)化，環(huán)境溫度為 20.1℃，目標制冷溫度為-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�；旌瞎べ|(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)熱負荷空載運行特性

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)在不加載熱負荷時，降溫曲線如圖 6-1 所示�；旌瞎べ|(zhì)制冷系統(tǒng)運行 30 min 后，達到-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 這個時間點為分界，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)所能達到最低溫度，因而制冷性能嚴重下降。因此，在運用混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)制取所需低溫時，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

本文對混合工質(zhì)在釬焊板式換熱器中的兩相流動及傳熱過程進行了實驗研究和理論計算分析，得到了預(yù)測準確的兩相摩擦壓降及傳熱系數(shù)經(jīng)驗關(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)運行控制難題，本文提出了一種新型的混合工質(zhì)運行濃度優(yōu)化調(diào)整策略，能夠根據(jù)混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)實際運行參數(shù)，對混合工質(zhì)運行濃度進行精確調(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，并對該充灌量下的混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)降溫特性進行了研究和分析。本文所得的主要結(jié)論如下：（1） 在實驗工況下，對于混合工質(zhì)在釬焊板式換熱器中的兩相壓降而言，進出口壓降、重力壓降及加速壓降占比很小，幾乎可以忽略不計，兩相摩擦壓降是其最主要部分�；旌瞎べ|(zhì)流動沸騰壓降在 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)在低溫工況下運行時，混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)在高溫工況下運行時，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沸騰壓降與冷凝壓降相差不大。

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參考文獻（略）

本文編號：239549