【二元复叠压缩制冷系统设计及节能研究12000字（论文）】

摘要但自发现CFCS制冷剂对臭氧层与大气变暖产生严重影响以来，国际社会相继双级压缩在冷冻冷藏、热泵空调等领域的应用将得到较快的发展。但是，试，实现箱内温度可达-86℃及更低的超低温环境。最终，本二元复叠压缩制冷人们的研究热点。特别自发现CFCS对臭氧层与大气变暖的严重影响以来，国护环境，并于1990年与1992年修正了蒙特利尔议定书。1991年，我国也加入了遵循议定书的行列。1993年1月，国务院批准了“中国消耗臭氧层物质逐步R290/R125、R125/R227果。清华大学通过加入灭火剂物质，由R23转化得到THR03来替代R22²。浙江大学运用R134a与R32/DMF(二甲基酰胺)组成的混合制冷剂来替代R22。R507a是一种新型的混合制冷剂，由HFC-14可用于替代R502,通常能达到比R404A更低的温度，在工业、商业等低温制冷场合有较多应用，一般使用多元醇酯(POE)作为润滑油³。马国远等对涡旋式压缩机驱动、以R22为制冷剂为制冷剂工质的闪蒸器和中间换热器型准二元复叠压缩循环进行了实验对比，指出当蒸发温度为-20℃,冷凝温度为45℃时，在制热性能系数和制热量方面，闪蒸器循环比中间换热器循环分别高出4.3%和10.5%[4。美国学者Wang对中间换热器和闪蒸器循环的准与单级压缩循环相比，这两种循环最大制热性能系数和制热能力分别提高23%和33%,且两种循环的性能改善效果非常接近。同时还指出：在设备经济成本为闪蒸器循环当前最主要的问题5。西班牙学者Torrella等对二元复叠压缩的循环流程进行总结，指出双级压缩常用的循环形式大体有7种。7种形式中，对两相或过热状态，主要靠节流机构感温元件位置以及控制方案决定6。美国学者在具有不同类型的级间配置的循环之间进行性能比较，制冷剂选择和控制分析结果显示基于相同的等熵效率，新型系统性能系数(COP)的提高可以达到近随着社会经济的发展与人类生活水平的逐渐提高，双级压缩在冷冻冷藏、学生学习二元复叠压缩制冷系统，另一方面便于科学实验模拟和改进，具有较高的实用和科研意义。二元复叠压缩制冷循环中，制冷剂分别在高、低温压缩机中进行压缩。首先，来自蒸发器中的低温低压制冷剂在低温机中进行压缩，压力被提高到中间压力后，和从中间冷却器出来的中间压力下的饱和蒸汽混合，温度降低，然后冷疑。采用二元复叠压缩制冷循环可以将压缩过程分成两个阶段，使得高、低综合考虑各种二元复叠压缩系统的形式，结合本设计的目的和特点，本实验装置采用双机二元复叠压缩，一次节流中间不完全冷却的方式，通过本实验能够测量各个状态点的参数，有助于学生对二元复叠压缩制冷循环系统的认识，同时运用实验测试的数据参数，对系统进行分析评价，为进一步改进系统的性能内容：对系统进行实验，测量记录系统各个测量点的参数。(3)对实验系统的参数进行热力计算，求出系统的性能参数，对所得数据进行分析，得出不同工况对二元复叠压缩系统的影响。(4)检测分析系统中影响系统性能的原因，并对系统进行改进，并进一步实2二元复叠复叠压缩制冷系统总体设计制冷剂是制冷热泵装置中进行循环的工作物质，又称为“工质”,其通过自物质可以作为制冷剂工质进行使用的必要条件是其在规定的工作温度范围之中醚是最早使用的制冷剂，标准蒸发温度为34.5℃。使用乙醚作为制冷剂时，蒸1928年Midgley和Henne制出R12,至此氟利昂组制冷剂正式走上历史舞革命性进步11。20世纪70年代，研究发现含氯或溴的合成剂对大气层有破坏而这些制冷剂都会破坏臭氧层。在工业化国家中除了R22以外的这些制冷前禁止R22的原因在于其对臭氧层仍然存在很小的影响。欧洲要求提前淘汰HCFC类制冷剂R22是一种过渡性代替物，它的消耗臭氧层潜值ODP为0.05,它现在仍被广泛应用。很多无氯(ODP=0)的代替物已经被研制出来，并较接近，当然还有不同比率配置的混合制冷剂(如R407A/R407F),它们在一蒸气密度及容积、制冷量来看，R407C与R22接近。此外他的全球变暖潜值GWP值也相对较低(GWP100=1774),被假定为一个较理想的全球变暖总当量可以满足欧盟F-Gas法规的要求，即从2020年开始只能使用GWP低于2500其中占很大的比例，是制冷量和COP值都有所下降。同样会导致在蒸发器中的制冷剂R134a的比例上升的危险，从而导致机组的性能有所下降，而且膨胀阀混合物也被作为R22替代物，其化学成分见表2-1。R410A的蒸发压力比之前广泛使用的R22的蒸发压力更高，因此它的制冷制热效率更高，其物理特性见理特性、化学性能及主要特点，选用R404A和R508B制冷剂作为二元复叠压缩算出箱体表面温度tw。如果箱体外表面温度tw低于露点温度td,则会在箱体表传热系数为K箱体国家标准GB8059.1规定，电冰箱在进行凝露实验时，亚温带SN、温带N气候条件下，露点温度为19±0.5℃,亚热带ST、热带T气候条件下，露点温度为27±0.5℃,在tw>td的前提下，计算箱体的漏热量Q1,并用下面的公式校验绝热层的厚度(1)箱体的漏热量Q1计。内胆多用塑料ABS成型，热阻较大，可将其厚度一起计入隔热层，箱体的to—一箱体外空气温度，℃;2、箱内空气为自然对流(直冷冰箱)时，ai可取0.6-1.2W/m2·℃(2)门封漏热量Q2to—一箱体外空气温度，℃;(3)除露管漏热量Q3Q3=(Lp/1.79)×0.2294×(tD-0.84toLD——除露管有效长度；单位为m本制冷装置设计为800升-86℃冰箱，通过上述方法，得出，使用硬质聚氨内箱尺寸：宽1040×深600×高1380(mm),冰箱热负荷Q=150.8W。制冷回路设计如图2所示节流装置节流装置压力保护开关图2制冷回路设计图制冷剂R404A和R508B物理性质如表1所示制冷剂安全等级名称或成分标准沸点/℃制冷剂安全等级名称或成分一表1制冷剂R404A和R508B物理性质两级复叠式制冷循环压-焓图如图3所示两级复叠式制冷循环压-焓图如图3所示，其中，1′~6′分别为高温级循环为对比2个系统的运行情况，笔者选取的工况如下表所示。高、低温级过冷度均按照2℃计算；高、低温级过热度分别按照10℃和50℃计算。用R404A/R590℃和80.5℃;根据运行工况可以确定状态点1～6及1′～6′,利用制冷剂点)5排气916冷凝61过冷62蒸入3蒸出24吸气6单位质量制冷量qc单位质量压缩功n单位质量冷凝热QC制冷量Q(W)压缩功表2制冷剂R404A和R508B运行工况本章确定了二元复叠制冷系统所使用的的制冷剂为R404A/R508B,润滑油为POE,简单描述各自的物化性能，并对两者随温度和浓度的相溶性进行了简单描述，为之后的设计做基础。设计出了实验所需的二元覆叠压缩制冷系统原理图，对原理图进行描述，计算查找并确定关键状态点温度和相关参数，对系统进行理想的热力循环计算。为随后设备的搭建，实验和数据处理分析提供理进行拟合计算。由本章内容得出，二级系统制冷量Q=192W,满足150.8W箱体3实验台搭建及测试R508B,而现在可供选择的压缩机，一般都是适用于空调工况的R22,R404A,R134A,R507A等，鉴于此对压缩机的选型提其中Vh为理论排量。定义标准容积制冷量为：容积效率的不同，进而导致的标准容积制冷量的不匹配。以R404A替代R22的标准容积制冷量远低于R22191。原率下降。因此本文在按照制冷量来选取压缩机的时候，要使用标准容积制冷量，因此本实验装置的压缩机采用R404类型的东芝品牌自由活塞式压缩机，排量为3.1.2蒸发器和冷凝器的选择冷凝器是制冷系统四大部件之一，在双级压缩系统中占极其重要的位置。制冷系统所产生的热量均由冷凝器散发。制冷系统中的冷凝器，根据冷却方式和冷却介质的不同一般分为空冷式、水冷式和蒸发式三种。空冷式冷凝器是将空气作为冷却介质，它的安装和维修比较简便，使用电驱动风扇即可通过空气与换热器的对流换热，达到降低制冷剂温度的目的，运行时不需要水，所以它的运行成本比较低，特别适用于水量缺少、干燥的地方[20]。水冷式冷凝器用水作为冷却介质，因此它的运行费用会比较高。根据这个实验装置设计的特点和应用领域，所以本实验装置采用翅片式风冷冷凝蒸发器选择铜管式直冷蒸发器；冷凝器选择风冷翅片式铜管冷凝器；在其表面敷设热电偶，可以随时掌握工质的温度变化情况，有利于分析试验中出现的各种问题。蒸发器和冷凝器的换热面积分别为4.56m²和0.9m²。3.1.3蒸发冷凝器的选择蒸发冷凝器选用板式换热器，其效率高，体积小重量轻，耐高温耐高压，低成本耐腐蚀，安装便利，品质优良。板式换热器由冲压成形的凹凸不锈钢板组成，两相邻板片之间形成凹凸纹路成180°相反组合，因此两板片的凹凸脊线形成交错的接触点，待接触点以真空焊接结合后，便构成板式热交换器耐高压的交错槽道体系；此交错的槽道体系便是使板式热交换器的流体产生强烈紊流而到达高传换热器负荷：换热器负荷即低温级的冷凝热负荷，等同于高温级的蒸发器热负荷。换热器的传热系数K可按传热学公式进行计算，也可按生产商提供的资料进行选取。作为初步估算也可以采用经实际验证的推荐数值。换热器为板式换热器，传热系数K=2300W/(m2*K),取K=2000W/(m2*K}。传热温差换热器传热面积A(m2)一般情况下，热力膨胀阀的名义工况要比蒸发器负荷大20-30%,对不设冷液体流量而实现，其流量公式为A是指阀孔面积，△p指阀前后的压力差，p是指阀入口处制冷剂密度，μ阀选用毛细管，长度3.5m,外径2.4mm,内径1.2mm。本实验台其他附属设备包括干燥过滤器，油分、蒸发冷凝器等3.2实验前的准备工作选用铜康铜热电偶，在实验中热电偶所表示的温度要在数字温度巡回检测仪上显示出来，因此，在标定热电偶的时候是利用恒温水浴、端子箱、数字温度巡回检测仪来共同完成的。得到的关系式为：a,b为回归系数，t₁为数字记录仪显示温度实验台选用的压力表是以前用过的，为了校核压力表是否能用以及压力表的精确度，在实验前，我们使用校验测压仪表的标准器——活塞式压力计(常用于105Pa以上),对压力表进行了校验。3.2.3.系统试漏、补漏、抽真空、灌工质1)系统试漏首先向系统管路中通入压缩的氮气，第一次试压要注意压力不要太高，大约0.6-0.7MPa。然后在焊接处、螺纹连接处等系统容易出现漏点的地方涂以肥皂水。若有泄漏的地方，则泄漏处肥皂泡(俗称螃蟹沫)会越聚越多，说明此处就是泄漏点；若管路密闭性好，则涂上的肥皂泡会自然消失[22]。当检查不到漏点后，充有氮气的系统还要再保持两三天，确定压力表上的读数没有变化后，再次向系统中充氮气，达到试验规定的压力，再重复上面的步骤。当用肥皂水检查不到系统的漏点，而压力表上的读数却在两三天内有很大的变化，这时可以向系统中灌入一些工质，采用自动卤素检漏仪检漏。这是一种非常灵敏的卤素探测仪，它能在卤素稍微聚集的地方发出急促的叫声，同时，还可以根据所探测到的卤素量的多少，以红灯亮的个数来表示。2)补漏由于焊接质量不好引起的泄漏，通过补焊就不再漏了；由于接□处螺纹配合不紧密而引起的泄漏，可以把螺纹拧得更紧些，如果这样还漏，可在螺纹配合处，缠上牛料带.或添加密封垫、或抹上密封胶.再进行密封.使其配合紧密了：管子本身由于内部晶体结构而引起的极微小的泄漏，对于这种泄漏，可先将系统抽为负压，然后用氰凝胶涂于系统管路的各个位置，利用大气压把氰凝胶压入微漏的孔里，稳定24小时之后，氰凝胶就可以凝固在微小的孔里。这样，系统就不会漏了。在做试验灌工质之前，必须要把我们的系统抽真空。抽真空的目的是排除热泵系统里的水分和不凝性气体，同时进一步检漏。如果系统中混入水分，容易引起堵塞故障，使系统不能正常运行，会使压缩机长时间在高温下工作，容易引起烧毁压缩机；系统中混入不凝性气体时，会导致冷凝压力、冷凝温度升高[23。排气压力相应升高而导致耗电量的增加。所以，在灌工质之前必须把系统抽成真空。系统在抽真空时，如果长时间没有办法把系统中的空气排净，说明系统中一定还有漏点。抽真空应用专门的真空泵进行，我们抽真空所使用工具为我们自己改装的小压缩机。抽真空的方法和步骤为：将中冷器的压力监测口与小压机的吸气口连接，启动小压缩机，排出系统内的空气。抽真空时，可将小压机的排气管放在水中，待排气管不在水中冒泡时，即可认为空气抽干净了。保持2h,即可认为合格。4)充灌工质根据设计参数和系统的各个部件体积，我们充灌了大约4公斤的工质。具体操作步骤为：把装有工质的钢瓶直立头朝下放置在磅秤上。它的位置要高于充灌点的位置。用充液管连接钢瓶和低压级压缩机的排气口，微微打开钢瓶阀门，依靠重力使工质流入系统。由于这是双级压缩复叠式系统，要注意，只在低压级充工质的时候，要注意把高低压级电磁阀打开，否则，只有低压级部分有工质。在充灌过程中，如果钢瓶中工质较少，压力不够，这时可以用热毛巾或电吹风给钢瓶加热，要注意，用电吹风加热，一定不能使局部温度过高，以免发生事故；如果系统中的压力过高，工质很难灌入的时候，可以开车运行，从低压口让工质气体吸入系统。在充灌时还要注意观察压力表的读数，不要超过压力表的量程。观察磅秤的读数，充灌到预定的质量，即可停止充灌。在充灌工质、检查系统的各个阀门开闭情况，确定系统正常运行后，可以进行实验来考察系统的性能。本次实验主要用于验证理论分析的准确性，因此系统运行工况如第二章表2所示，验过程中为保证实验系统运行稳定、安全，实验系统操作步骤如下：1)确定实验循环方式，依次检查各手动截止阀所处位置，保证系统管路配合2)电控柜总闸送电，开启机组控制画面，并设定所需蒸发温度，观察制冷系统是否运转正常3)先启动高温级压缩机，运行过程中观察高温级蒸发温度，在高温级蒸发温度达到-34℃时，低温级启动，将系统调整至强制制冷模式，同时监控画面中各处的压力、温度是否正常，注意系统是否有异响；4)系统运行正常后，保证系统冷凝温度为所需温度，直至系统达到所需要的蒸发温度和冷凝温度并稳定运行，当达到设定蒸发温度时通过固态继电器控制电加热平衡系统制冷量并维持蒸发温度恒定；5)记录系统达到设计工况时的时间，并记录；当进行完毕一次实验后改变系统运行工况，重复(3)—(4)操作过程，并记录每次的实验数据。3.3实验数据分析实验数据处理注意事项(1)实验过程中，各温度、压力、流量等数据均通过软件保存于电脑中，在使用时可将其导入EXCEL中，处理各数据时将其调出；(2)实验过程中各设备能耗均由功率仪测得，此耗功包括变频器、水泵消耗(3)在实验过程中，所有测得的压力值均为表压，数据处理过程中应该及时转换为绝对压力；(4)实验中蒸发温度及冷凝温度，均由设置于蒸发器及冷凝器进出口处的压力传感器测得的压力值进行转换而来；下表及下图是30℃环境温度下此复叠制冷系统进行的冷媒封入实验数据，表3冷媒封入实验结果最大值最小值单相电压干球温度相对湿度下左内下左外下中下右内下右外中左内中中中右内中右外上左内上左外上中上右内上右外蒸入蒸出高蒸出低回高排高回冷出图4冷媒封入实验曲线表4降温速度于最低温结果420分钟最终值单相电压干球温度相对湿度MDF-782VE下左内MDF-782VE下中MDF-782VE下右内MDF-782VE中左内MDF-782VE中中MDF-782VE中右内MDF-782VE上左内MDF-782VE上中MDF-782VE上右内MDF-782VE蒸出MDF-782VE高蒸出MDF-782VE高回MDF-782VE冷出非年非年图5降温速度实验曲线第五章结论与展望5.1结论论和实验研究，利用工质R404A、R508B,实现制冷系统可达-86℃及更低的制通过热负荷计算可得冰箱的热负荷Q=150.8W;可得冰箱制冷量为192W,大于冰箱的热负荷150.8W选择压缩机为东芝某37排量压缩机，冷凝器选择风冷翅片式冷凝器，蒸发器选择铜管式直冷蒸发器，通过毛细管进行节流。最终可实现-8参考文献[1]KilicarslanA,MHosoz.Energyanrefrigerationsystemforvariousrefrigerantcouples[J].EnergyConversionManagement,2010,51(12):2947-2954.coolingapplicationsinnorthernU.S.Aclirefrigeration,2008,31(7):1282-1292.[4]Khan,J.-R.,Zubair,S.M.,Designandratingofatwo—stagevaporcompressionrefrigerationsystem.Energy,1998,23(10),867-878.[5]Ouadha,A,Exergyanalysisofatwo-stagerefrigsubstitutesofHCFC22.InternationalJournalofExergy,2(2005),14-30.[6]张华、徐世林，R410A双级压缩热泵空调器的特性分析，制冷学报，2008,29(6):21-25.2011,39(4):35-39.[10]志敏.经济器螺杆制冷压缩机补气和排气孔□的确定[J]制冷学报，[11]赵远扬，李连生，熊春杰，等.涡旋压缩机研究概述[J].流体机械，2002,30(9):28-31.[12]马国远，彦启森.涡旋压缩机经济器系统的性能分析[J].制冷学报，2003,24(3):20-24.[13]许树学，马国远.两次中间补气涡旋压缩机的工作特性[J].制冷学报，2015,36(1):40-44.[14]E.Torrella,R.Llopis,R.Cabello,Experimentalevaluationoftheinter-stageconditionsofatwo-s