（制冷及低温工程专业论文）新型双温循环冰箱用压缩机建模与改进及循环实验研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本课题从节能和环保这两方面对现有的冰箱循环进行了成功的改造。针对 现有冰箱使用氟里昂r 1 2 制冷剂不符合环保要求，本文采用了环保较友好的 r 13 4 a 做工质，在进行替代时，在冰箱制冷系统中r 1 3 4 a 热力性质与r 1 2 接近， 使用安全可靠，是r 1 2 的理想的替代工质。传统的双温冰箱中仅有一个蒸发温 度，在冷藏室中存在着较大的传热温差，将会使系统中存在较大的不可逆损失， 本文中采用了一种新型的使用中间补气压缩机的双温冰箱循环o 理论和实验研 究表明，研究取得了预期的效果，v 这种新循环的核心在于中间补气压缩机，本文中详细分析了这种压缩机的 工作过程，并建立了这种新的压缩机的热力学模型。中间补气压缩机工作过程 较为复杂，补气过程伴随着吸排气过程进行，本文中就膨胀、吸气、压缩、排 气各过程给出了不同情况下的能量平衡方程。 针对中间补气压缩机在实际应用易于磨损的缺陷，本文提出了三种新的中 间补气孔开孔方案。( 文中对这三种不同补气孔方案进行了仿真，研究了不同情 况下制冷剂质量流量，制冷量，功耗和能耗比和开孔位置大小之间的关系，文 中还给出了不同开孔方案下开孔的最佳取值范围。设计和进行了一种方案的实 验研究，实验结果与所建立的数学模型得到了很好的验证。实验证明新的循环 比旧有的循环能效比提高了约4 5 ，同时冰箱的开停比由原有的7 ：8 降到了 3 ：5 左右，表现出了很好的节能效果。户y 。 关键词：冰永双温循彩r 1 3 4 a ，中间补气压缩机了 压缩机模彰。补气方式实验研究 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e p u r p o s e o ft h i ss t u d yi st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h e r e f r i g e r a t o r f r e e z e r i nt h ef i e l do f e n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n t h er e f r i g e r a n t r 1 2i s w i d e l yu s e d i nt h er e f r i g e r a t o r 一 一f r e e z e r ，b u t i td o e sn o tm e e tt h er e q u e s to fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ， r 13 4 ah a sb e e nc h o s e nt or e p l a c er 1 2a sw o r k i n gs u b s t a n c eb e c a u s eo f i t ss i m i l a rt h e r m a lp r o p e r t i e st or 1 2a n di t sr e l i a b i l i t y t h e r ei so n l y o n ee v a p o r a t et e m p e r a t u r ei nt r a d i t i o n a lr e f r i g e r a t o r f r e e z e rs y s t e m ， i r r e y e r s i b l e1 0 s s e sw i l l b ei n c r e a s e db e c a u s eo ft h e b i g h e a t t r a n s f e r r i n gt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei nt h er e f r i g e r a t i n g c h a m b e r an e w t w ot e m p e r a t u r ec y c l eu s i n gg a sc o m p e n s a t i n gc o m p r e s s o rw a sa d o p t e di n t h i sa r t i c l e t h e k e yc o m p o n e n t o ft h en e wc y c l ei st h e g a sc o m p e n s a t i n g c o m p r e s s o r t h ep r o c e s s o ft h e c o m p r e s s o r w a s a n a l y z e d a n d t h e t h e r m o d y n a m i cm o d e lo ft h ec o m p r e s s o rw a se s t a b l i s h e di n t h i ss t u d y t h ep r o c e s so ft h eg a sc o m p e n s a t i n gc o m p r e s s o risv e r yc o m p l e xb e c a u s e t h ei n s p i r a t i o na n dc o m p r e s sw i l la c c o m p a n yw i t ht h eg a sc o m p e n s a t i n g p r o c e s s f o r f o u rp r o c e s so fr e c i p r o c a t i n g e x p a n d ，i n s p i r a t i o n ， c o m p r e s s a n de x h a u s t ，t h ee n e r g ye q u a t i o ni nd i f f e r e n ts t a t u s w a s g i y e n t h r e en e ww a y so fg a sc o m p e n s a t i n gm e t h o dw a sp u tf o r w a r di no r d e r t os o l v et h ep r o b l e mo f f r e ti f lt h e g a sc o m p e n s a t i n gc o m p r e s s o r s i m u l a t i o nw a sc a r t i e do u tf o rt h e s et h r e em e t h o d s ，t h er e f r i g e r a n t m a s s f l u x ，t h ec o o l i n gc a p a c i t ya n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o nc h a n g ew i t ht h e v a r ie t yo ft h eg a sc o m p e n s a t i n gg a pxa n dt h es h a p eo fc o m p e n s a t i n gh o l e t h e o p t i m iz e d n u m e r i ca r e ao f xw a sf o u n df o re a c hm e t h o d a n 华中科技大学硕士学位论文 11 问题的提出 1 绪言 随着生产力的发展，人类不断的向自然晃索取越来越多的东西，这使得 环境和能源成为当今世界所共同面临的两大问题。如何在尽可能多的获取能 量同时而不对环境造成伤害是人们在开发自然时所追求的目标。 1 9 18 年世界上第一台家用电冰箱在美国诞生后，冰箱已成为了现代生活 昕不可缺少的生活必需品。我国自从1 9 5 4 年于沈阳生产出2 0 0 升单门冰箱后， 生产规模不断扩大。目前我国已有数十台电冰箱生产线，年产能力几千万台， 是世界冰箱生产大国之一，电冰箱在我国也有着极大地市场潜力。伴随着我 国人民生活水平的提高，越来越多的冰箱将进入千家万户，而在众多的家用 电器中，冰箱的耗电量是比较大的，这也就意味着能耗的增加，因此研制节 能冰箱具有十分重要的意义。 另一方面，目前对于冰箱产业影响最大，最突出，最迫切的问题，是c f c s 制冷工质的限制和禁用。1 9 7 4 年美国加利福尼噩大学的m o l i n a 和r o w l a n d 提 出由于c f c s 的大量使用，其中的氯原子对臭氧层有严重的破坏作用。经过 了十多年的争论，在1 9 8 7 年加拿大的蒙特利尔召开了专门的国际会议，并签 署了协定提出了对五种c f c s 的限定，其中就包括作为冰箱制冷剂的r 1 2 和 冰箱发泡剂的r 1 1 。 1 9 9 1 年六月在肯尼亚首都内罗毕召开的蒙特利尔协议书缔约国第三次会 议上，我国政府也宣布加入。现在国际社会对c f c s 的控制与逐步禁止已成 定局，电冰箱将因此面临产品改型的任务，这是电冰箱工业需正视的。各国 都在努力寻找合适的近远期替代工质，并力图加快对各种新型制冷系统的研 究及商品化进程。 作为r 1 2 的替代物，需要能符合压缩式制冷循环的制冷剂的基本要求， 在不污染环境的同时还必须在运行时有较低的能耗，而且也希望能尽量少改 变现有机器设备的结构。这就要求制冷剂有良好的热力性质，适当的粘度和 密度，良好的换热性，与润滑油的相溶性，制冷剂还应无毒，不燃烧，不爆 炸，有良好的化学稳定性，易检漏并价格低廉。为了评价制冷剂各种工质对 臭氧层的消耗作用和对全球温室效应的作用，提出了消耗臭氧潜能值o d p 值 _ _ 一一 1 华中科技大学硕士学位论文 和全球变暖潜能值g w p 这两个值，选择制冷剂时应考虑这两个值，显然制冷 剂这两个值越小越好。 综上所述，在尽量少地改动电冰箱现有的结构基础上采取新的循环方式 和新的制冷工质，从而提高冰箱的效率以节约能源并减少对环境的破坏具有 非常重大的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 制冷剂的替代方案 由于在1 9 9 2 年的蒙特利尔协议书缔约国第四次会议中规定，发展中国家 将于2 0 0 5 年完全停止使用c f c s 工质，对我国的制冷工质替代迫在眉睫。 根据d s j u n g 等人用1 5 种纯工质对单蒸发器冰箱的性能模拟结果， 只有r 2 2 ，r 1 4 1 a ，r 1 4 2 b ，r 1 5 2 a 具有比r 1 2 稍高的c o p 值，这也是r 2 2 ， r 1 2 在压缩式制冷系统中广泛应用的原因；与此同时r 1 4 l ，r 1 4 2 b ，r 1 5 2 a 的单位容积制冷量q 。却比r 1 2 小，这在相同的制冷量条件下需要有较大的输 气量。也就是说既比r 1 2 的c o p 值高，又有较大的q 。的制冷剂目前仅有r 2 2 。 所以目前事实上很多地方是用r 2 2 作为r 1 2 的暂时替代物，而r 2 2 作为一种 h c f c s 工质本身也将于2 0 2 0 年停止使用。现在经过各国大量的研究工作，对 于r 1 2 的长期替代有两种路线：一种是采用单组份工质，另种是采用混合 工质。 一、单工质替代方案 在单工质方面，目前的选择有r 1 3 4 a ，r 1 5 2 a 和r 6 0 0 a 等。r 1 3 4 a 为h f c s 工质，它的o d p 值为零，g w p 值为0 2 4 o 2 61 1 2 1 对臭氧层无破坏作用， 温室效应也较小。r 1 3 4 a 的热力性质与r 1 2 较为接近，目前被认为是替代r 1 2 的理想工质。 r 1 3 4 a 与r 1 2 相比，在同样的蒸发温度下，其蒸发压力稍低，而在相同冷凝温 度下，其冷凝压力略高于r 1 2 。r 1 3 4 a 的单位体积制冷量略低于r 1 2 ，其理论 循环效率也比r 1 2 略有下降，一般来讲采用r 1 3 4 a 的压缩机其制冷量和单位 功耗都将下降2 5 ，采用过冷和回热循环后，可缩小这种差距。与r 1 2 相比，水在r 13 4 a 中的溶解度更小，因此在使用r 1 3 4 a 的制冷系统中，尤其 是在低温系统中，需要采用吸水性能更好的干燥过滤器。r 1 3 4 a 的换热性能 比r 1 2 有较大的提高，它的冷凝过程和蒸发过程的表面传热系数一般与r 1 2 相比要提高15 3 5 ，这将提高r 1 3 4 a 系统的效率和性能。r 1 3 4 a 由于其 一一 2 华中科技大学硕士学位论文 极性较强，与传统制冷系统所使用的矿物油或烷基苯润滑油几乎不相溶。这 不仅降低了润滑效果，而且易在系统传热器中形成油膜，降低传热效率及循 环的制冷效率，从而增加能耗，为解决这一问题，必须寻找新的润滑油。研 究表明，极性合成的润滑油，如聚酯油或聚醚油，可获得较好的兼容性。r o b e r t d o e r r 和s t e p h e nk u j a r 曾对r 1 3 4 a 及其与五种润滑油混合物同常用全封闭压 缩机点机绝缘材料的相容性进行了试验研究】，结果证明，r 1 3 4 a 及其润滑 油混合物与绝大多数电机绝缘材料是相容的，即以其替代r 1 2 一般不会发生 与电机绝缘材料的相容性问题。 另一种呼声较高的替代工质这是r 6 0 0 a ，即异丁烷。r 6 0 0 a 在常温下是 种无色无味、无毒的易燃易爆气体，溶于醇、醚、氯仿，微溶于水，性质稳 定。r 6 0 0 a 正常使用条件下的化学稳定性、热稳定性和储存稳定性均好。r 6 0 0 a 与碳钢、不锈钢、铜，铝等大多数金属相容性较好；但与某些塑料和橡胶如 聚乙烯、天然橡胶、氯丁橡胶等相容性较差。 r 6 0 0 a 的分子量是r 1 2 的一半，气态和液态时的密度比r 1 2 【小，但其 汽化潜热比r 】2 要大。其压缩机的出口温度较低，理论的c o p 值要比r 1 2 高 6 左右。但由于r 6 0 0 a 的单位容积制冷量仅为r 1 2 的4 8 ，对于相同制冷 量而言，r 6 0 0 a 的压缩机要比r 1 2 的大6 0 7 0 。r 6 0 0 a 的一个重大的优 点就是它能与任何矿物油互溶，用它做替换工质，无须更换原有系统中的润 滑油。其最大的缺陷就是易燃易爆，因此使用r 6 0 0 a 替换r 1 2 时，在安全上 必须采取严密的通风，隔离、防爆、防静电等措施。 r 15 2 a 也是一种可能的替代物，与其它的制冷剂相比有着低得多的g w p 指数。r 15 2 a 是一种热力性质较好的制冷剂，它的饱和压力略低于r 1 2 ，但 理论循环效率比r 1 2 略高。纯质的r 1 5 2 a 与矿物油及聚烯烃类油完全不互溶， 与聚酯类油和烷基苯油互溶性好，因此在采用r 1 5 2 a 为替代工质的制冷装置 中，不能使用矿物油或聚烯烃类油，而采用烷基苯油或者聚酯类油则能满足 其相溶性要求。【4 】【5 1r 15 2 a 具有可燃性，有一定的安全隐患，但与其他共质 混合到一定比例后就不再可燃，所以通常r i5 2 a 不作为单工质使用，现在也 未有采用r 1 5 2 a 的冰箱产品。 目前在世界范围内在单工质的替代方案已经主要趋向于r 6 0 0 a 和r 1 3 4 a ， 只是这两者间选择何者有两种不同的观点。欧洲的国家更注重环保，认为h f c s 具有较大的g w p 值，而且它们的化学性质稳定，释放后能够积累，这最终将 导致明显的温室效应，因此h f c s 也只是中间过渡方案。这些欧洲国家都倾 向于使用自然制冷剂，碳氢化合物在欧洲国家应用较多。他们认为可以作为 制冷剂的碳氢化合物原先就已存在，并不是因为需要作制冷剂而另外去合成， 也就不会改变自然界中原有的氢化合物量自然也不存在对温室效应的直接影 3 华中科技大学硕士学位论文 响。出于这一考虑，在欧洲各国采用的是r 6 0 0 a 作为r 1 2 的替代物。1 6 1 但美国则认为，r 6 0 0 a 的可燃性不仅只是在生产过程和因偶然的因素起 火而危及用户时存在，在冰箱的实际运行中也有潜在威胁。现在许多冰箱用 电加热器除霜，假如采用r 6 0 0 a 做工质，那么把一个起火源贴在蒸发器上， 同时蒸发器里是易燃物，易导致事故发生，与之相比，r 1 3 4 a 是不燃物质， 因而首先杜绝了生产、使用中的安全顾虑和对事故控制的后顾之忧，而且它 具有与r 1 2 相近的热力性质，这使得在原有系统中进行替换式的改造完全可 行。另外，目前的r 1 3 4 a 的制造技术成熟，压缩机生产工艺可靠，冰箱密封 性能相当好，泄漏可能非常小而且泄漏量微乎其微，这将使得它对温室效应 的影响大大降低。 二、混合工质替代方案 选用混合工质，可以使发挥各组分的优点，使工质的热物性比单一组分 时有所改善，达到c o p 值高和q ，值大的目的。为此，部分组元应有较大的q 。 值，即是中压工质或低沸点工质；同时另一部分组元应是低压工质或高沸点 工质，此时可能的非共沸制冷剂用r 3 2 或r 1 4 3 a 作为易挥发组分，用r 1 2 3 、 r 1 2 4 、r 1 3 4 a 、r 1 4 1 b 、r 1 4 2 b 或r 1 5 2 a 作为难挥发组分。为了得到较高的c o p 值，每一个组分都应具有较高的c o p 值，这样来，有希望的非共沸制冷剂 由r 3 2 作为易挥发组分，由r 1 4 1 b 、r 1 4 2 b 或r 15 2 a 作为难挥发组分。再考虑 到q 。与c o p 的一致性，则有r 3 2 r 1 4 2 b 和r 3 2 r 1 5 2 a 是比较合适的。研究表 明采用这一混合制冷剂后系统c o p 值仅增加2 3 ”】。 也有出于用r 6 0 0 a 同样的考虑，而使用碳氢混合物与r 1 5 2 a 的混合物替 代r 1 2 的。选用了沸点与r 1 2 相近的四种碳氢混合物：r 2 9 0 ( 丙烷) 、r c 2 7 0 ( 环 丙烷) 、r 1 2 7 0 ( 丙烯) 、r 6 0 0 a ，混合制冷剂为r 1 5 2 “r 2 9 0 、r l5 2 a r c 2 7 0 、 r 15 2 a r 1 2 7 0 、r 2 9 0 爪6 0 0 a 。其中r 1 5 2 “r 2 9 0 、r 1 5 2 a r c 2 7 0 、r 1 5 2 a r 1 2 7 0 所取成分在冷量，功率和r 1 2 相当时的综合热力循环性能是相近的。 r 15 2 a r 2 9 0 有较高的c o p 值，也有良好的共沸性。同时加入r 2 9 0 有助于改 善r 15 2 a 的溶油性，提高r 15 2 a 的回热性能：r 2 9 0 r 6 0 0 a 也是性能较好的替 代工质，在实际循环中有望得到较高的e e r 值；r 15 2 a r c 2 7 0 其优点是近共 沸性好，c o p 高。但对r c 2 7 0 的制冷循环性能还只停留在理论上1 【9 l ，它 在制冷循环工况下稳定性以及和材料的相容性也有待研究：r 15 2 a r 1 2 7 0 其 性能与r 15 2 a r 2 9 0 相比无明显优势，由于r 1 2 7 0 溶水性强，可能会使它在小 型制冷系统中的应用受到限制。【i 也有提出用r 3 2 r i3 4 a 的混合工质来替代r 1 2 ，这种混合工质的性能系 数c o p 或能效比e e r 随成分改变变化不大，但其单位容积制冷量和制冷量相 4 华中科技大学硕士学位论文 差较大，计算得到的其主要制冷性能优于r 13 4 a 。制冷量提高1 3 3 3 1 9 ， 能效比提高2 o 3 3 ，温室效应比r 1 3 4 a 降低l 1 0 3 。s b k i s e l e v 和m l h u b e r 做过一系列混合制冷剂在临界区附近的热力性质与传热性质 的分析。1 1 3 1 关于非共沸制冷剂的试验有很多矛盾的报道，如1 9 7 8 年s t o e c k e rw 在 一个实验性冰箱系统中使用r 】2 r 1 1 4 未得到c o p 增加的结果1 43 0 另外，1 9 8 2 年橡树岭国家实验室用r 2 2 r 1 1 4 做工质没有发现很大的性能变化”，这说 明尽管理论上应用非共沸制冷剂是很好的，但实际上能否成功取决于实际运 行情况。而且在实际的操作中，按比例充灌也存在者一定的难度，而使用时 若组份有变显然会极大地影响制冷系统的性能，因此非共沸制冷剂在实际应 用中仍存在一定的困难。 制冷剂替代后会给压缩机带来一些变化，因此在研究制冷效率的同时也 需要研究制冷剂改变后给压缩机系统带来的影响。如s s a f a r i 和m h a d f i e l d 研究了全封闭压缩机制冷工质改变后活塞销的轴承工况16 1 ；c m e u r e r 等人 研究了c f c 和h c f c 替代工质的电性质7 1 郭航和刘志刚研究了采用 r 15 2 a r 2 2 混合工质后对压缩机阀片的优化，在未制冷系统进行任何变化时， 采用替代工质冰箱的在冷却速度和耗电量这两项指标上就已好于r 1 2 的冰 箱：对阀片进行优化后，冷却速度基本相当，耗电量略有降低，但压缩机阀 片运动规律得到了较明显的改善”。 1 2 2 冰箱循环的研究改进状况 要提高双温冰箱的效率，一方面可以通过优化系统中的某些部件来实现， 例如提高换热器的传热效率，加强冰箱的隔热效果等，但最有效的还是直接 从改造冰箱的循环来着手。双温冰箱有冷冻室及冷藏室，两室的温度分别为 一1 8 以下和5 左右。我国所生产的双温冰箱冷冻室与冷藏室用同一种蒸发 温度，即一3 0 左右，因而造成了蒸发温度与冷藏室室温之间有一个较大的 传热温差。在这种情况下，显然冷藏室的传热温差要大于冷冻室中的传热温 差，有较大的不可逆损失。如果采用非共沸混合工质，由于在沸腾时有不同 的沸点，可以使不可逆损失减小，但冷藏室的不可逆损失还是较大。由理论 计算，这种情况下实际节能程度不到5 19 1 0 如果冷冻室和冷藏室分别采用 两种不同的蒸发温度，则可以减小传热温差，从而达到减小不可逆损失的目 的，因此，在双温冰箱中，利用两个不同的蒸发温度可以达到使冰箱节能的 目的。 目前，要在冰箱中实现两个蒸发温度有几种方法可以实现。 一种是利用非共沸混合工质来实现两个蒸发温度。混合工质由压缩机压 一 5 华中科技大学硕士学位论文 缩后，经冷凝器冷凝，再进入气液分离器。其中含较多高沸点组份的液体经 毛细管节流后进入冷藏室的蒸发器，蒸发后再进入又一个气液分离器。第二 个气液分离器分离出的液体再被用来冷凝第一个气液分离器中出来的含较多 低沸点组分的气体。含低沸点组分的液体较多的气体被冷凝后经第二个毛细 管节流进入冷冻室的蒸发器。这样用混合工质分凝从而实现了两个蒸发温度。 试验结果表明，采用h c f c s 混合制冷剂时可以实现节能1 6 5 。n o l 另一种是日本人提出的方案，也被称之为1 2 0 方案”。这种方法的 工作原理是系统中共有两套毛细管和蒸发器，分别对应于冷藏室和冷冻室。 这两套毛细管和蒸发器通过一个三通阀与冷凝器连接在一起。当冷冻室需要 制冷时，三通阀换向通往冷冻室的毛细管的通路以保证其蒸发温度；当冷藏 室需要制冷时则将三通阀打向通往冷藏室毛细管的通路。这种方法节能的效 果不高，但是由于这种方法对电冰箱的制冷系统改造不大，附加成本不高， 有一定的应用价值。 现在正在欧美国家推广采用的是双压缩机法。【2 2 1 这种方案是采用两台压 缩机构成两个独立的制冷系统，其运行和控制都是独立进行的。这种方案的 理论效率的期望要低一些，因为两台压缩机运行时的效率比一台时要低。采 用这种方案理论上可以节能2 0 【23 】2 ，而实验则只能达到1 6 2 5 1 2 2 1 o 双压缩机的方案有较高的性能系数，但由于实际采用了两套制冷系统，有了 较高的成本，而且会使冰箱整机的体积增大。欧美国家广泛采用的是5 0 0 升 以上的冰箱，在这些地区应用这种双系统的方案比较理想，而对我国目前广 泛采用的2 0 0 升左右的冰箱而言，这样的方案显然是不合理的。 另外一种改进方案就是采用压缩一喷射式混合制冷系统【2 6 】f 2 7 】【2 ”。这种 制冷循环引用冷藏室蒸发器的回气作为喷射器的工作蒸汽，来引射冷冻室的 蒸发器回气，以提高压缩机的吸气压力。采用这样的方法有串联方式和并联 方式两种。采用串联连接是让制冷剂冷凝液经过两级节流及蒸发来使冷藏室 和冷冻室蒸发器有不同的蒸发温度，两级之间由气液分离器连接，所产生的 不同压力气体在喷射器中混合后进入压缩机。这种循环的回热方式可以让喷 射器出口蒸汽去冷却一级节流前的冷凝液。 压缩一喷射式混合制冷系统的另一种循环方式则是并联方式，这种方式 与串联方式的不同在于是让制冷剂的冷凝液分成两路去节流及蒸发，由于节 流程度不同，从而保证了冷冻室和冷藏室蒸发器不同的蒸发温度。两个蒸发 器出口的蒸汽经喷流器混合后进入压缩机。这种情况下的回热方式可以有三 种方法：一是让喷射器出口蒸汽去同时冷却两路冷凝液；二是仅冷却冷冻室 侧支路上的冷凝液：三式冷却冷藏室支路上的液体。由计算结果可以看到， 未采用回热时串联方式的c o p 比简单循环提高1 9 2 7 ，容积制冷量提高2 6 7 5 ； 一 6 华中科技大学硕士学位论文 并联方式下这是分别提高了1 0 3 6 和1 4 3 。【2 采用回热方式后，由于回 热的影响不仅与制冷剂性质有关，与蒸发器连接方式及回热方式也密切相关， 不同回热方案导致了两个蒸发器回路中流量的重新分配，压缩机进口压力随 之变化。随着回热温度的提高，蒸发器串联工作方式的循环c o p 略有下降， 而蒸发器并联方式的三种回热循环的c o p 变化情况不同，其中以冷冻室侧的 回热方式最有利。 还有一种解决方案是采用双级压缩系统，用一个冷凝器、两个蒸发器、 两个压缩机、两个毛细管和至少一个中间冷却器组成。由于采用了两个压缩 机，因此压比比较低，从而使功耗减小，在制冷量相同的情况下，理论功耗 可以比单级压缩少4 8 6 。0 】1 3 这种方式的弊端和双路系统是一样的，那 就是由于有了两个压缩机，增加了冰箱的成本，冰箱的体积也增大了。 这些方式都有其利弊，总的来说都要对原有系统作出较大的改造，而且 有些也未能达到理想的效果。为此李文林教授提出了一种新型的双温冰箱循 环。这种方案采用了中间补气压缩机，即在压缩机下止点处开一个中间补气 孔，冷冻室蒸发器的回气由压缩机的原吸气管进入，而冷藏室蒸发器的回气 由中间补气口吸入，这样可以提高压缩机的容积效率。经压缩机压缩的制冷 荆蒸汽进入冷凝器，冷凝后分两路经各自的毛细管节流进入冷冻室和冷藏室 蒸发器，蒸发后分别进入压缩机的吸气口和中间补气口。经过初步分析，这 种循环可以达到节能1 6 7 的效果。t 3 2 1 采用这种方式，不仅有良好的节能效 果，更重要的是不需要对原有系统进行较大的改造，能用很低的成本实现节 能的效果。 1 2 3 冰箱压缩机发展状况 压缩机是制冷循环中的核心部件，提高压缩机的效率对提高整个制冷循 环的效率有几乎决定性的意义。 目前冰箱压缩机的发展趋势主要表现在下面几个方面： 首先是凹性排气阀1 5 1 的应用。对于冰箱压缩机来说，余隙容积主要由活塞 处于外止点时活塞顶部与阀底板面间的容积以及气阀通道的容积所决定。然 而前者目前己设计到几乎不可减少的程度，而后者所占的比例很大。为减少这 部分容积，在传统平阀板的基础上，出现了凹形排气阀口结构的阀板。其优点有 以下几点：1 减少气体泄漏量，提高输气系数；2 在相同气缸容积下条件下，采 用凹形阀板比采用平阀板时的余隙容积约降低3 5 4 0 4 6 i3 减少气体流 经过程的阻力损失；4 改善了排气阀片的运动特性，使得气阀耗功减少。由此可 见这种设计改进对提高性能效果显著。 减少吸气过热。吸气过热将直接影响输入功率的增大，这对于c o p 的提高 一一 华中科技大学硕士学位论文 极为不利。近年来，在小型全封闭压缩机中广泛采用直接或半直接进气方式，同 时采用导热性能良好的铝合金压铸缸盖，这有利于气缸散热。 选用一定容量的运行电容器。其优点是：1 由于增加了电容运行，因此压缩 机电机辅绕组既参加了启动又参与了运行，这时两组绕组同时运行，根据电磁的 相互作用产生近似圆形的椭圆旋转磁场，此时压缩机一电机运行性能最佳，可以 提高5 左右的c o p 值；2 压缩机的额定转速较单绕组运行时有所提高；3 压缩 机电机额定效率较单绕组运行有所提高，输入功率降低；4 电机功率因子提高较 大，而额定电流有所降低；5 对压缩机整机性能( 噪声振动) 有利。 现在，利用冷冻机油的低粘度化节电已成为制冷压缩机节电的一个重要 方面，使用低粘度油品可以减少压缩机各摩擦面上的摩擦力矩，减少运动部件在 油中的流体阻力，提高压缩机的c o p 值并降低输入功率，可有3 5 的c o p 提高值。 1 9 9 5 年来，各压缩机制造厂相继采用各种技术降噪。冰箱压缩机的噪声有 连续和不连续噪声，周期噪声和非周期噪声，但一般可归结为流体噪声、机械噪 声和电磁噪声。目前主要采用的几种降噪方式是：1 加厚壳体。这种方法降噪 效果明显，但成本压力增大；2 加强工艺控制，提高零部件生产精度，可以稳定噪 声的离散度，但离市场的要求相距甚远；3 吸排气腔结构的优化设计，有效降低气 流及气流脉动噪音；4 阀板、阀片的优化设计，避免阀片敲击噪声；5 内排气管结 构的调整，最大限度降低了排气管振动的对外传递；6 电机泵体动平衡最佳化，提 高机芯工作的稳定性；7 外壳形状及壳内空间的重设计，避免机体内共鸣噪音的 产生和噪音通过壳体对外的辐射。另外，还可考虑周围敷设吸声材料，来减少噪 音：8 机芯支撑悬挂结构方式的改进，可有效降低机芯振动的对外传递。 还有一种节能方案就是在冰箱上采用变速压缩机。一般情况下是采用有 两种转速的压缩机，也就是说压缩机既能在高转速下工作，又能在低转速下 工作，这样既能节能，又能达到降噪的目的。由分析可知这种方法可以使效 率提高4 1 4 ，从而节能0 5 4 。1 n 1 3 本文的研究工作 本文的宗旨是采用新的制冷工质和新循环改造现有的冰箱。 由前文所述，在比较了各种工质后，我选用了r 1 3 4 a 作为制冷工质，目 前r 13 4 a 以其良好的热力性能，较低的改造成本成为r 1 2 的替代品已是大势 所趋。在循环的选择上，选用了李文林教授的采用中间补气的双回路方案， 在对现有的冰箱进行较少的改造的前题下能得到系统性能的大幅度提升。 r 华中科技大学硕士学位论文 出于对现有的压缩机进行了改造，对这种新型的压缩机进行计算机模拟 从而对以后实际投入应用时提供借鉴是十分有必要的；另外，到底采用何种 方式进行改造，以及改造以后对压缩机的整体性能及各个方面所产生的影响 作出预测；最后，对已改造的压缩机及采用这种压缩机的冰箱循环进行试验 研究。 由此，本文主要进行的是以下研究工作： 1 在综合考虑吸排气腔，吸排气阀孔的前题下，建立并完善中间补气压缩机 的热力学模型： ：研究对压缩机改造所采用的方式及改造后对压缩机整机性能及各方面的影 响。 j 对改造后的压缩机进行实际的试验研究，分析这种新型循环的性能及特性。 一一 9 华中科技大学硕士学位论文 2 采用r 1 3 4 a 的新型双回路冰箱制冷循环及 带中间补气的活塞式压缩机工作过程的热力学模型 2 1 新型双回路冰箱制冷系统 众所周知，引起制冷循环能量损失的主要因素有以下一些：蒸发器的不 可逆传热损失和流阻损失，冷凝器的不可逆传热和流阻损失，节流机构的节 流损失，压缩机的不可逆损失。现有的直冷式双温冰箱冷冻室和冷藏室有两 个不同的温度，对于三星级冰箱而言，冷冻室温度要求在一1 8 以下，冷藏 室温度则需在5 左右，但制冷剂在冷冻室和冷藏室蒸发器中只有一个蒸发 温度，对于三星级冰箱而言是一3 0 左右，工质节流后在较低温度下蒸发， 然后向两个不同温度要求的空间供冷。由于在冷藏室内存在较大的传热温差， 增大了蒸发期中传热的不可逆损失，从而使制冷效率下降。 为此人们提出了种种设想来解决这一矛盾，方法之一就是采用混合工质 的劳仑兹循环。李文林教授则提出了一种带中间补气腔的全封闭活塞式压缩 机方案以及采用该压缩机的直冷式双级冰箱制冷循环。下图中，图2 1 是传 统双温冰箱循环的原理图，图2 2 为混合工质劳仑兹循环的原理图，图2 3 则为这种新型中间补气双温冰箱的原理图。 图2 一l 传统双温冰箱制冷循环图2 2 混合工质劳伦兹循环 如图2 2 所示，采用混合工质的电冰箱具有两个串联的蒸发器和两个高 低温回热器，使制冷工质在不同的温度下蒸发，减小系统中温差引起的不可 逆损失。但此方法只适用于采用混合工质的冰箱，且经过低温蒸发器后的两 相制冷剂进入高温蒸发器，降低了高温蒸发器的换热系数。 一一 1 0 华中科技大学硕士学位论文 而图2 3 中采用中间补气压缩机 的双温冰箱与现有的直冷型双温冰箱 及采用混合工质的劳仑兹循环冰箱系 统相比，前者采用了两个互相并联的 冷藏室( 高温) 和冷冻室( 低温) 蒸 发器，来自冷凝器的液态工质分别节 流进入冷藏室和冷冻室蒸发器中，在 不同的温度下蒸发制冷。调节毛细管 的孔径和长度，使制冷剂的蒸发温度 与两室内的温度保持适当的差值，从 而减小不可逆损失，提高c o p 。经过 高温蒸发器之后的冷剂蒸汽则在干燥 过滤器中气化，然后由原压缩机的吸 气口吸入。 图2 3 采用中间补气机构的 双温冰箱制冷系统原理图 5 为了便于分析，给出了这三种循环的t s 图。其中图2 4 为普通的双温 直冷式冰箱制冷系统的，图2 5 为采用混合工质的劳仑兹循环，图2 6 对 应于带中间补气的新型双温冰箱。图中各符号含义如下： t t a 一 k 一一 轩仁 圆f s 圈2 4 普通直冷冰箱制冷系统t s 图 t a 流过冷凝器的空气温度； t a 。一环境温度； 丁x 。冷藏室内温度，t m 。一冷冻室内温度 圈2 5 采用混台工质的 劳仑兹循环t s 图 一 l l 华中科技大学硕士学位论文 t k 一冷凝温度，t 0 一蒸发温度，t m 一高温蒸发温度 at m 。一冷冻室内与制冷剂之间的传热温差： t x 。一冷藏室内与制冷剂之间的传热温差； 下标c p 一表示混合工质的变温相变过程。 这三个图中的阴影面积可以反映出冰箱中冷藏室和冷冻室的不可逆传热 损失，面积越大，表明传热的不可逆损失越大，反之则不可逆损失越小。 从图2 4 中可以看到，现有的直冷式双温冰箱制冷系统中存在着较大的 传热温差，阴影部分的面积较大。图2 5 中采用混合工质的劳仑兹循环的制 冷系统，来自冷冻室低温蒸发器的两相制冷剂经过低温热交换器后。在进入 冷藏室高温蒸发器前使蒸发温度由5 点提高到6 点。为了使冷冻室和冷藏室 图2 6 带中问补气的 双温冰箱系统的t s 图 s 内空气的温度能与非共沸制冷工质 变温相匹配，在冷冻室和冷藏室内 装有风扇，使经过蒸发器的空气有 一变温过程，从而减小传热温差， 使系统效率提高。然而这种制冷系 统要求非共沸混合工质有2 0 一3 0 左右的变温，混合工质纯组分之 间泡点最大温差达6 0 。传热温 差由低温热交换器大小及风扇来控 制和匹配，成本高。进入冷藏室的 制冷剂干度大，使换热系数降低。 而图2 6 所示的带中间补气的双温冰箱制冷系统，对工质无特殊要求，通过 调节毛细管，可以方便的控制适当的传热温差，与其他两种系统相比，有明 显的优点。特别是第一，它可以充分利用中压补气与低压吸气之间的压差， 保证补气过程的顺利实现，避免了因增添设备而导致的成本增加或系统复杂 度的增大；第二，压缩机中的电机绕组、漆包线等其它组件的环境温度并未 增加，因而系统的稳定性不受影响；第三，由于补气的引入，可使压比减小， 从而功耗降低。但需要指出的是，普通压缩机进入气缸的吸气都经过机壳空 间，而带中间补气机构的压缩机里只有中压补气流经机壳空间，当充灌量不 变时，在满负荷条件下，这部分壳内气体量的降低将使冷却效果变差，机壳 表面温度上升。这可以通过适当增加制冷剂的充灌量来克服。图2 7 为中间 补气压缩机双温冰箱的l g p h 图。 一一 1 2 t tlt曲 一 ：b 一 一l 正 华中科技大学硕士学位论文 l g p 图2 7 带中间补气的 双温冰箱系统的i g p - - h 图 h 2 2 中间补气的活塞式压缩机工作过程的热力学模型 2 2 1 中阅补气的活塞式压缩机工作原理及特点简述 活塞式压缩机是利用活塞的往复运动来压缩气缸中的气体。通常是通过 曲柄连杆机构把原动机的旋转运动转变为活塞的往复运动。 当原动机( 电机) 连续旋转时，带动活塞周期性的往复运动从而实现吸 气、压缩、排气、余隙膨胀四个过程周期性的进行。由于压缩机结构、工艺 和气阀流通能力等方面的因素限制，在工作腔中还有一块活塞没有扫过的余 隙容积。余隙容积主要是由活塞处于外止点时，活塞顶面和阀板底面之间的容 积，第一道活塞环以上的环形空间及吸气阀通道( 与气缸一直想通的) 的容积三 部分组成在各种类型的制冷压缩机中，活塞式压缩机是问世最早，至今还在广 泛应用的一种机型，这是因为它具有一系列与其他类型压缩机所不及的优点，如 装置系统简单、对材料要求低、技术上较为成熟和热效率高等但由于电机的 旋转运动需转化为活塞的往复运动再进行压缩，因此转速受到限制，另外，从其 工作过程可以看到必须设置吸排气阀，吸气不连续，气体压力有波动。 对于中间补气的活塞式压缩机，则有其特殊的运动过程。 图2 8 所示为中间补气的活塞式压缩机的改造方式。如图所示，普通的 活塞式压缩机都是吸气直接进入压缩机的壳体，冷却压缩机内部的电机线圈 及其他部件，再进入吸气腔，然后由吸气腔进入压缩机的气缸。排气则直接 由排气管路通出压缩机的壳体外。这样压缩机壳体内为低压。而采用中间补 气的压缩机由于又有路制冷剂蒸气进入压缩机，将低压的从冷冻室出来的 1 3 华中科技大学硕士学位论文 制冷剂蒸气及低压的冷剂直接用管路引入吸气腔，再由吸气腔进入压缩机气 缸：而中间的由冷藏室蒸发器出来的作为补气的制冷剂蒸气则进入压缩机的壳 体，冷却电机线圈及其他部件后再由补气孔进入气缸进行压缩。 图2 8 中间补气压缩机改造示意图 图2 9 为活塞式压缩机补气孔口原理图。压缩机的驱动机构为滑管式， 活塞运动的上止点为a ，下止点为b 。曲柄o d 与水平轴的夹角为巾，从上止点 算起，以顺时针方向旋转为正。 状态l 状态4 b 图2 9 中间补气过程示意 活塞由上止点a 开始向下止点b 运动，首先是余隙气体的膨胀过程，工质 温度、压力降低，当吸气阀片内外压差大于开启压差时，阀片打开，状态点l 嫩 瞄邑囱 华中科技大学硕士学位论文 的低压制冷剂气体流入气缸。随着活塞的继续运动，其顶端将接近补气口顶点 c t ，此时吸气过程是否结束要看吸气阀片内外压差大小和补气口顶点的位置， 具体地说，有三种情况：1 活塞顶端未到达补气口顶点时，阀片内外压差小于 开启压差，吸气阀在阀片弹力的作用下关闭，吸气过程结束，补气过程尚未开 始；2 活塞顶端刚好到达补气1 3 顶点时，阀片内外压差小于开启压差，吸气过 程结束，同对补气过程开始；3 活塞顶端到达补气口顶点时，阀片内外压差仍 大于开启压差，吸气过程和补气过程同时进行，直到吸气阀关闭才只有单一的 补气过程。第一种和第二种情况均比第三种情况简单。补气过程开始后，中压 气体进入气缸，活塞运动到下止点b ，接着向上运动到c ：点时，补气口被活塞 覆盖，补气过程结束。在补气口被覆盖之前的瞬间，气体是流入气缸还是回流 到补气管中也要由补气口顶点的位置决定。活塞越过下止点后，气缸容积缩小， 就算没有补气，缸内气体压力也会上升，加上补气后上升会更快，如果此过程 持续进行，则当活塞回复至某一点( 假设为c 。) 时，缸内气体压力必然等于补 气压力，越过此点后缸内气体开始倒流。因此，如果c ：点的位置比c ，高，那 么补气口被覆盖前的瞬间气体在回流；如果c ：点的位置不比c 。高，那么气体 始终是在“补入”缸内。显然，c ：点的位置应该比c 。点低，这样可以增大吸气 和补气量，最终增大总的制冷量，对循环是有利的。活塞经过c ：点后向a 点接 近，在到达某一点时排气阀在压差作用下打开，压缩机进入排气行程。当排气 阀片内外压差不足以克服阀片弹力时，排气阀关闭，排气过程结束。缸内余隙 气体被压缩至a 点，从而进入下一轮循环。 压缩机增加了补气口之后，吸气阀片很有可能提前关闭( 在上文的情况3 中) ，使吸气行程缩短，吸气量减小，但以此换得了中间补气量，从而使压缩 机输气量增加。此外，通过补气孔口的巧妙开设，还可以在一定程度上减小气 体流经阀片而产生的压力损失，提高压缩机的容积效率。 2 2 2中间补气活塞式压缩机工作过程的热力学模型 在采用中间补气的活塞式压缩机的工作过程中，制冷剂蒸气分为两路进入 压缩机，一路需流经吸气腔，吸气阀孔，再进入气缸中；另一路则经入压缩机 壳体后，从补气孔直接进入压缩机的气缸，在气缸中与由吸气阀孔进入的气体 混合压缩。然后再由排气阀孔进入排气腔，最后流出压缩机。 为了清楚