1.緒論 

1.1  課題研究背景及意義
能源是人類(lèi)賴以生存和發(fā)展的根本因素，而能源并不是取之不盡用之不竭的，在漫長(zhǎng)的人類(lèi)發(fā)展進(jìn)程中，既有能源數(shù)量隨著消耗的增加不斷在減少。我國(guó)是一個(gè)能源大國(guó)，其中水資源總量位居世界第一，煤炭資源可開(kāi)采量位居世界第三，但由于我國(guó)人口眾多，人均占有量非常低，不到世界平均水平的二分之一[1]。同時(shí)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展長(zhǎng)期粗放型的發(fā)展模式，造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染，由于受到技術(shù)水平的限制以及人們觀念的淡薄，我國(guó)能源利用率僅為33％左右，比世界一些發(fā)達(dá)國(guó)家低10％左右；粗放型的發(fā)展模式還帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞，給我國(guó)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。因此，節(jié)約能源、提高能源利用率成為我國(guó)保持可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵措施。 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與人民生活水平的不斷提高，暖通行業(yè)得到迅速發(fā)展，與人們?nèi)粘Ｉ钤絹?lái)越密切，與此同時(shí)也造成了能源消耗的不斷上升。目前，我國(guó)的建筑運(yùn)行能耗占能耗總量的 20~27%，其中以暖通空調(diào)所占比例最大。在我國(guó)北方地區(qū)，供暖所占能耗約為 56~58%,采暖、通風(fēng)及空調(diào)所占能耗達(dá)到 60~70%[2]。由此而出現(xiàn)了電量、燃料供應(yīng)緊張等一系列問(wèn)題。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)保持快速增長(zhǎng)的同時(shí)，重要能源的緊缺正逐步成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，因此，開(kāi)發(fā)和研制高性能、低能耗的制冷、熱泵系統(tǒng)是該技術(shù)領(lǐng)域的重要課題之一，也是“可持續(xù)發(fā)展”國(guó)策的迫切要求。 另一方面，臭氧層的破壞和溫室效應(yīng)的日益加重，成為了一個(gè)全球共同面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題。上世紀(jì) 70 年代，當(dāng)時(shí)的英國(guó)科學(xué)家通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在地球南極上空的大氣層中，臭氧的含量開(kāi)始逐漸減少，尤其是每年的 9-10 月減少更為明顯。2011 年，國(guó)家衛(wèi)星氣象中心監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在北極上空出現(xiàn)一個(gè)明顯的臭氧低值區(qū)，在該區(qū)內(nèi)臭氧總量是正常情況下的平均值的 50%左右。雖然還沒(méi)有形成南極上空那樣的臭氧洞，但由于北半球的人口密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于南半球，臭氧低值區(qū)范圍內(nèi)紫外線對(duì)人類(lèi)健康的影響比南極的臭氧空洞更為大。同時(shí)，政府氣候變化委員會(huì)研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)去的幾十年里，氣溫逐步上升。按照這種趨勢(shì)發(fā)展，預(yù)計(jì)從 1990 年到 2110 年，全球氣溫將會(huì)上升 1.4~5.8℃，全球氣候變暖。 
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1.2 HFCs/HC 混合工質(zhì)的研究概況
表 1.2[11]列出了幾種具有代表性的 HFCs、HCs 制冷劑的主要性能參數(shù)，與傳統(tǒng)工質(zhì) R22 相比，R600a、R290 等 HCs 類(lèi)環(huán)保工質(zhì) ODP 值為 0，GWP 值也很低，不分解有害物質(zhì)，大氣壽命只有 0.019 和 0.041 年，說(shuō)明 R600a、R290對(duì)環(huán)境的影響非常小，并且 HCs 工質(zhì)還具有效率高、傳熱性能好、充灌量少、壓縮機(jī)排氣溫度低、與礦物油能相互溶解等優(yōu)點(diǎn)。歐盟是推廣使用 HCs 最廣的區(qū)域，尤其是在北歐和德國(guó)等國(guó)家，目前歐洲新生產(chǎn)的家用冰箱中，約 25%左右的使用 HCs 制冷劑[12-13]。許多歐洲國(guó)家的家用冰箱以 R600a 作制冷劑的甚至超過(guò)了 95%。目前在中國(guó)市場(chǎng)上，也有海爾、美的、TCL 等廠家出售的 R600a環(huán)保冰箱[14]。R290 因其提煉方便，價(jià)格低廉，且不需要繳納專利費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于石油、天然氣中，并且表現(xiàn)出良好的性能。但同時(shí) HCs 的易燃易爆性阻礙了它更廣泛的推廣使用，雖然它在家用冰箱、汽車(chē)空調(diào)等裝置中充注量比較小，及時(shí)泄露也達(dá)不到燃燒的極限，但在一些大型空調(diào)裝置中，充注量比較大，一旦泄露，將會(huì)造成安全事故，所以必須采取一定的安全措施。R125 作為 HFCs類(lèi)工質(zhì)的代表，不含氯離子，對(duì)臭氧層破壞系數(shù)為 0，也是一種能有效減少大氣臭氧層破壞的優(yōu)良替代品之一，但此類(lèi)化合物溫室效應(yīng)（GWP）一般較高，只能作為過(guò)渡性替代工質(zhì)。 
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2.混合工質(zhì)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型  

2.1  制冷劑蒸發(fā)性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和總溫度懲罰因子 
從熱力學(xué)的角度來(lái)看，傳熱系數(shù)越大，需要的傳熱驅(qū)動(dòng)溫差就越小，這樣可以減小系統(tǒng)由傳熱帶來(lái)的不可逆損失；但是，從傳熱學(xué)來(lái)看，當(dāng)熱負(fù)荷一定時(shí)，較小的傳熱溫差需要較大的換熱面積。這會(huì)引來(lái)兩個(gè)問(wèn)題：一是換熱器結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)隨著增加，從而增加了系統(tǒng)的制造成本；二是較大的換熱面積往往會(huì)使制冷劑在流動(dòng)過(guò)程中的摩擦壓降增加，由摩擦壓降帶來(lái)的系統(tǒng)不可逆損失也會(huì)隨之增加；也就是說(shuō)，傳熱不可逆損失隨著換熱面積的增大而減小，壓降不可逆損失恰恰相反，，因此，在熱負(fù)荷一定的情況下，存在一個(gè)蒸發(fā)器最優(yōu)換熱面積，通過(guò)對(duì)傳熱和壓降耦合作用的研究可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題。 
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2.2  傳熱系數(shù)和摩擦壓降的計(jì)算
在已有的文獻(xiàn)中已經(jīng)有一些關(guān)于平滑管中的傳熱和壓降的關(guān)聯(lián)式。例如，Gungor[48]和  Wojtan [49]的模型提供了傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式，F(xiàn)riedel[50] 和 Moreno Quiben  等[51]理論研究了蒸發(fā)器水平管內(nèi)兩相區(qū)的壓降。圖2.3顯示了 R22的壓降處罰因子（sr?T ）的估量與換熱系數(shù)（ɑ）的關(guān)系，圖中數(shù)據(jù)由上文提到的換熱系數(shù)和壓降關(guān)聯(lián)式得到，整個(gè)制冷劑性質(zhì)的計(jì)算使用了 REFPROP  9.0�？梢园l(fā)現(xiàn)：采用 Gungor[48]模型的曲線是間斷的（注：  流動(dòng)變化曲線有急劇的變化)，其他相似的關(guān)聯(lián)式也是這種情況。這不足為奇，因?yàn)?Gungor[48]關(guān)聯(lián)式?jīng)]有基于流程的變化，而 Wojtan et al.[49]模型考慮了流程的因素。圖2.4表示在 Friedel[50]和 Moreno Quiben[51]壓降關(guān)聯(lián)式下，制冷劑 R236ea，R134a 和  R290的壓降處罰因子（sr?T ）隨換熱系數(shù)（ɑ）的變化關(guān)系。可以看到兩個(gè)壓降關(guān)聯(lián)式在環(huán)狀流時(shí)  （在斜坡發(fā)生顯著變化的曲線右側(cè)部分)的結(jié)果類(lèi)似，對(duì)于重力流（在斜坡發(fā)生顯著變化的曲線左側(cè)部分）結(jié)果差別較大。同樣的，這是因?yàn)?Friedel[50]壓降關(guān)系式不是基于流程  。因此，在本文接下來(lái)的部分，純工質(zhì)換熱關(guān)系式將采用Wojtan  et  al.[49]模型，壓降關(guān)聯(lián)式由 Moreno Quiben[51]模型得到；對(duì)于混合工質(zhì)傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式，本文將采用 T.Y.Choi 等[52]的傳熱模型，壓降關(guān)聯(lián)式根據(jù)文獻(xiàn)[53]得到。 
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3.蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果分析 ........ 32 
3.1  建立蒸發(fā)器仿真模型 ........ 32 
3.1.1  微元模型 .... 32 
3.1.2  數(shù)學(xué)模型 .... 33 
3.1.3  換熱系數(shù)和壓降關(guān)聯(lián)式 .... 34 
3.2  蒸發(fā)器仿真模型的程序流程 .... 36 
3.2.1  對(duì)混合工質(zhì)蒸發(fā)器管長(zhǎng)優(yōu)化的仿真模型程序流程 .... 36 
3.2.2  對(duì)混合工質(zhì)蒸發(fā)器熱流密度優(yōu)化的仿真模型程序流程 .... 39 
3.3  仿真計(jì)算結(jié)果與簡(jiǎn)單理論模型數(shù)據(jù)對(duì)照 ........ 41 
3.4  本章小結(jié) ........ 44 
4.結(jié)論與展望 .... 45 
4.1  研究結(jié)論 ........ 45 
4.2  主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn) .... 46 
4.3  研究展望 ........ 46 

3.蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果分析 

為了分析本文第二章建立的基于傳熱和壓降耦合的混合工質(zhì)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型的合理性，接下來(lái)我們將利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，以蒸發(fā)器內(nèi)部傳熱為理論依據(jù)，建立能準(zhǔn)確并全面的反映蒸發(fā)器性能的數(shù)學(xué)模型，對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行一個(gè)工作性能的預(yù)測(cè)和模擬。這種模擬的目的是，找出 R125/R600a 混合工質(zhì)適用于優(yōu)化熱流密度時(shí)的最佳運(yùn)行狀態(tài)，并將這些結(jié)果與第二章簡(jiǎn)單的理論模型得到的結(jié)果進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證簡(jiǎn)單理論模型的可靠性。 

3.1  建立蒸發(fā)器仿真模型 

蒸發(fā)器仿真模型主要有動(dòng)態(tài)集中參數(shù)模型[60],穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型[61]，穩(wěn)態(tài)集中參數(shù)模型[62]。其中集中參數(shù)模型具有計(jì)算速度快，穩(wěn)定性較好等特點(diǎn)，一般用于定性分析；分布參數(shù)模型計(jì)算精度高，并能準(zhǔn)確和全面的反映對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)。本文采用穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型，模型中的蒸發(fā)器為套管式蒸發(fā)器，制冷劑在內(nèi)管中流動(dòng)，經(jīng)歷從兩相狀態(tài)到過(guò)熱狀態(tài)這兩個(gè)過(guò)程，冷卻介質(zhì)水在管外與管壁進(jìn)行強(qiáng)迫對(duì)流換熱。水和制冷劑之間的傳熱過(guò)程可視為逆流換熱。將蒸發(fā)器管沿軸向劃分為若干個(gè)微元，將上一微元段的出口狀態(tài)參數(shù)作為下一微元段的進(jìn)口狀態(tài)參數(shù)。劃分的微元段數(shù)量越多，計(jì)算的精度越高，計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確，但在計(jì)算機(jī)計(jì)算速度的限制下，只要能滿足工程精度的要求即可，一般我們將蒸發(fā)器劃分為 500 個(gè)微元段。在整個(gè)換熱過(guò)程中，制冷劑的焓值變化較大，所以我們對(duì)制冷劑焓差進(jìn)行等分來(lái)劃分微元。圖 3.1 為制冷劑和水流經(jīng)一基本微元段的過(guò)程。制冷劑在內(nèi)管中流動(dòng)，與外管內(nèi)逆向流動(dòng)的水換熱后，溫度、壓力和干度將發(fā)生變化，質(zhì)量流量保持不變，水的溫度也將發(fā)生改變。

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結(jié)論

(1)研究了 R125/R600a 混合工質(zhì)的蒸發(fā)換熱過(guò)程，利用混合工質(zhì)蒸發(fā)換熱性能潛力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) PEC，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合，得出了懲罰因子 PF 與傳熱系數(shù) α 之間的函數(shù)關(guān)系；由制冷劑和冷卻介質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)換熱過(guò)程的理想溫度曲線以及“總溫懲罰因子 TTP”，比較了制冷劑在壓降和傳熱這兩個(gè)方面的能量損失情況。 
(2)建立了基于總溫懲罰因子 TTP 最小化的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并分析了管徑、蒸發(fā)溫度管長(zhǎng)優(yōu)化結(jié)果的影響。發(fā)現(xiàn)，混合工質(zhì)蒸發(fā)器最優(yōu)化長(zhǎng)度隨著管徑的增大而增加，由此可見(jiàn)，小管徑的蒸發(fā)器最優(yōu)管長(zhǎng)更小，結(jié)構(gòu)更為緊湊，制造成本更低，而換熱效率更高，制冷劑的流動(dòng)摩擦阻力也會(huì)更�。换旌瞎べ|(zhì)蒸發(fā)器的最優(yōu)管長(zhǎng)隨著蒸發(fā)溫度的增大而增大；混合工質(zhì)熱流密度隨著換熱系數(shù)的增大先增減后減小，存在一個(gè)最優(yōu)熱流密度。 
(3)用 EES 等軟件模擬 R125/R600a（10/90)混合工質(zhì)套管式蒸發(fā)器的性能，并比較仿真結(jié)果與簡(jiǎn)單理論模型數(shù)據(jù)的吻合程度，分析了簡(jiǎn)單理論模型的可靠性和可用性。結(jié)果表明，關(guān)仿真模型計(jì)算結(jié)果與理論模型結(jié)果變化趨勢(shì)一致，總溫懲罰因子 TTP 隨著管長(zhǎng)的增大先是減小，當(dāng)?shù)竭_(dá)一個(gè)最小值后，其值開(kāi)始逐漸增大。最小總溫懲罰因子 TTP 對(duì)應(yīng)的管長(zhǎng)即為最優(yōu)管長(zhǎng)，理論模型的最優(yōu)管長(zhǎng)，相對(duì)于仿真模型來(lái)說(shuō)，相對(duì)誤差為 8.2%，是在可允許范圍內(nèi)。
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：61246