【《二元复叠压缩制冷系统设计及节能研究》12000字（论文）】

二元复叠压缩制冷系统设计及节能研究摘要随着时代的进步及生活水平的提高，节能减排与保护环境渐渐成为现代社会的重要主题。人们对科技进步与生活品质的不断追求，促使着能源利用向着更清洁、更高效、更环保的方向发展。制冷与空调自问世以来，就受到了人们的青睐，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，国际社会相继签订了《保护臭氧层的维也纳公约》、《蒙特利尔议定书》等协议保护环境，自此，中国开始了保护臭氧层、淘汰CFCS的征程。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，目前适用于教学实践用的双级压缩实验装置寥寥无几，很难在市场上采购到，而且进行改进和实验成本较高。所以，本文自行设计和搭建了一台小型二元复叠压缩制冷实验系统，。本文首先根据设计工况，设计一套二元复叠压缩制冷系统，首先针对制冷剂进行选型，选择适用于本制冷系统的制冷剂；对发泡箱体进行热负荷计算并对制冷系统的制冷量进行理论计算，保证制冷系统有足够的制冷量；之后针对二元复叠压缩制冷系统的重要部件，如压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置进行选型，为后续实验测试做准备。通过搭建小型实验台并对二元复叠压缩制冷系统进行测试，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系统可实现-86℃及更低的制冷温度。1绪论1.1研究背景及意义随着时代的进步及生活水平的提高，节能减排与保护环境渐渐成为现代社会的重要主题。人们对科技进步与生活品质的不断追求，促使着能源利用向着更清洁、更高效、更环保的方向发展。鉴于中国发展的综合国情，特别是改革开放以来，政府更加注重能源的高效运用，通过制定相关政策，来鼓励相关能源产业与技术的发展，并逐步淘汰耗能较大的设备。制冷与空调自问世以来，就受到了人们的青睐，但其能耗与制冷剂也一直是人们的研究热点。特别自发现CFCS对臭氧层与大气变暖的严重影响以来，国际社会相继签订了《保护臭氧层的维也纳公约》、《蒙特利尔议定书》等协议保护环境，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淘汰国家方案”。自此，中国开始了保护臭氧层、淘汰CFCS的征程。在制冷剂替代研究方面，各国都取得了一定成果。美国制冷学会提出了多种R22替代物：R32/R125、R407C、R410A、R134a、R290、R125/R143等[1]；美国环保局推荐了五种替代物：R329cca、R347ccb、R245ca、R245fa、R338ccb国内天津大学用R32/R125/R134a、R125/R143a/R134a、R32/R290/R125、R290/R125、R125/R227ea、R143a/R227ea作为R22的替代物，取得了良好的效果。清华大学通过加入灭火剂物质，由R23转化得到THR03来替代R22[2]。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-143和HFC-125组成的无色气体，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]。1.2国内外研究现状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二元复叠压缩系统进行了一系列的实验测试，结果显示：当环境温度为-18℃时，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：在设备经济成本方面闪蒸器优于中间换热器循环，但因中间喷射回路为饱和蒸气，闪蒸器循环难以应用过热度方案来控制喷射制冷剂工质的流量，因此，有效控制策略的提出成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，对于一级节流中间不完全冷却的循环形式来说，其中间喷射过程的工质可以是气液两相或过热状态，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Abdelaziz和Shen提出了适用于严寒地区热泵的优化设计分步方法，分别分析了闪蒸器循环和中间换热经济器循环的最优化设计方案。结果显示：系统的优化具有巨大潜力，为了评价在不同气候条件下不同系统的经济和技术的可行性，需要进一步开展寒冷气候设计优化工作[7]。蒋爽等通过对过冷却器循环进行分析，导出了一个二元复叠压缩热泵系统的通用模型，模拟计算结果表明该通用模型能够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[8]。罗宝军提出了一种将再生器油压缩集成到传统的蒸汽喷射循环的系统，并对以R410A和R32的新型循环系统和传统蒸气喷射循环系统的性能进行了比较。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9%。此外新型系统的排气温度会大大降低[9]。1.3课题研究的主要内容与目的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、热泵空调等领域的应用将得到较快的发展。但是，目前适用于教学实践用的双级压缩实验装置寥寥无几，很难在市场上采购到，而且进行改进和实验成本较高。所以，本文自行设计和搭建了一台小型二元复叠压缩制冷实验系统，一方面方便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，然后再进入高温机压缩，制冷剂变为冷凝压力下的过热蒸汽，随后进入冷凝器中进行冷疑。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、低压压缩机的压比都比较合适，从而提高压缩机的容积效率，由于同时采用了中间冷却，降低了高温压缩机的排气温度，使压缩机功率消耗降低，改善系统的性能。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提供了依据，也为二元复叠压缩模型研究提供了足够的数据样本。本课题的主要内容：根据设计工况，设计一套二元复叠压缩制冷系统，对各部件进行设计计算及选型，并搭建实验装置。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，并进一步实验。2二元复叠复叠压缩制冷系统总体设计2.1制冷剂选型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”，其通过自身在系统中状态的变化不断来与外界进行能量交换，进而实现制冷或制热效果。蒸气压缩式热泵机组中，制冷剂工质在要求的低温条件下进行蒸发，将热量从被冷却对象中提取；然后在较高的温度条件下进行凝结，将热量释放到外界。所以，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可以进行气化和凝结，在常温常压下，接大部分的制冷剂工质的状态为气态。乙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，蒸发压力低于大气压，会导致空气容易渗透到系统中，引起爆炸[10]。之后人们尝试采用二甲基乙醚、CO2、NH3、SO2作为制冷剂，但SO2毒性太大，CO2运行压力过高，都有一定的局限性。1928年Midgley和Henne制出R12，至此氟利昂组制冷剂正式走上历史舞台。在热力学性质上，不同的氟利昂物质表现出不同的效果，因此其能够满足不同制冷制热容量和温度要求。氯氟烃是氟利昂物质的一种，其在化学和物理性质上表现出很多优点，例如无毒、热稳定性好、化学稳定性好、不腐蚀金属、无爆炸性危险等，对制冷剂工业带来革命性进步[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作用，所以考虑环境保护也是当今选用制冷剂的首要问题。由于制冷剂排放导致的臭氧层消耗和温室效应，制冷空调技术从九十年代初已经发生了巨大的变化。商业用制冷和空调机组尤其如此。直到几年前，这些机组还主要是用R12、R22和R502作为制冷剂，在一些特殊的领域会使用R114、R12B1、R13B1、R13和R503[12]。而这些制冷剂都会破坏臭氧层。在工业化国家中除了R22以外的这些制冷剂均被禁止使用，在欧盟范围内早就已经对R22进行了禁用[13]。比国际公约提前禁止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R22的主要原因时期臭氧层破坏效应，虽然这种效应已经很小。在2010年开始，美国等多个国家也开始禁止R22。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，并被大范围投入使用。然而经验表明，这些代替物都无法从各个方面代替R22，如：单位容积制冷量、应用范围、对系统的要求、不同的压力。所以要根据不同的工作条件选取不同的代替制冷剂。除R134a以外，R32/R125和R125/R134a/R600的混合物也是很好地替代工质。HFC制冷剂R32、R125、R134a混合而成的制冷剂R407C，可作为R22的代替物，它们的性能比较接近，当然还有不同比率配置的混合制冷剂（如R407A/R407F），它们在一些特殊领域是最合适的[14]。不同于R502有与之相同的制冷剂来替代，R22没有与之完全相同的制冷剂来代替它，在研究中的代替物还有更多的R32和R134a。其从压力、质量流量、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TEWI值。这个GWP水平是可以满足欧盟F-Gas法规的要求，即从2020年开始只能使用GWP低于2500的制冷剂。但是，较大的温度滑移是其一个缺点，会对热交换效率产生负面的影响，因而使用时需要合适的系统设计。根据以上所述特性，在空调系统和一定范围的中温度系统中，R407C是R22的很好替代物。在低温领域，由于R134a在其中占很大的比例，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，而且膨胀阀也会出现故障[15]。除了R407C外，一种被ASHRAE命名为R410A的非共沸混合物也被作为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，其物理特性见表2-2。作为国际市场公认的最适合替代R22的新型环保制冷剂工质，R410A具有不破坏臭氧层、不可燃、毒性极低、化学和热稳定性高、不与矿物油或烷基苯油相溶等特点，其工作压力约为普通R22空调的1.6倍[16]。作为当今广泛使用的中高温制冷剂，R404A制冷剂工质在日本，美国和欧盟等国家已经得到普及，其主要应用于中小型商用空调、移动空调、家用空调、除湿机、船用制冷机、冷冻式干燥器、工业制冷等制冷设备[17]。综上所述，相对于R22、R134a、R407C等制冷剂工质，R404A更适合在寒冷地区使用，故本文基于R404A制冷剂的物理特性、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热泵系统的循环工质。2.2热负荷计算2.2.1箱体外表面温度校核和绝热层厚度tototi图1(2-1)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(2-2)----冰箱外壁温度，℃----冰箱内壁温度，℃-----绝热层导热系数，w/(m.k)-----传热面积，m2校验计算的厚度在设定厚度基础上进行修正，反复计算，直到合理为止。2.2.2冰箱热负荷计算根据已知公式可知，总热负荷Q=Q1+Q2+Q3Q1----箱体的漏热量Q2----门封漏热量Q3----除露管漏热量（1）箱体的漏热量Q1由于箱体外壳钢板很薄，而其导热系数很大，所以钢板热阻很小，可忽略不计。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，箱体的传热可以看做单层平壁的传热。(2-3)(2-4)其中：K——传热系数，W/m2·℃；A——传热面积，m2；to——箱体外空气温度，℃；ti——箱体内空气温度，℃αo——箱外空气对箱体外表面的表面换热系数，W/m2·℃；αi——箱体内表面对箱内空气的表面换热系数，W/m2·℃；λ——绝热层的导热系数,W/m2·℃；δ——箱体各绝热层的厚度，m注：1、当室内风速为0.1-0.15m/s时，αo可取3.5-11.6W/m2·℃2、箱内空气为自然对流（直冷冰箱）时，αi可取0.6-1.2W/m2·℃3、间冷冰箱，由于箱内风速大，αi可取17-23W/m2·℃（2）门封漏热量Q2冷冻室和冷藏室的门封漏热系数均取0.0406W/m·℃。Q2=0.0406·L·（to-ti）(2-5)其中：L——门封有效长度；mto——箱体外空气温度，℃；ti——箱体内空气温度，℃（3）除露管漏热量Q3依据经验公式估算除露管带给箱体的热负荷：Q3=(LD/1.79)×0.2294×(tD-0.84t0-0.16tF)×Pr（2-6）其中：LD——除露管有效长度；单位为mtD——除露管温度；℃to——箱体外空气温度，℃；tF——冷冻室温度；℃Pr——压缩机工作系数；本制冷装置设计为800升-86℃冰箱，通过上述方法，得出，使用硬质聚氨酯为保温材料，保温层厚度为130mm，外箱尺寸：宽1180×深875×高1990（mm），内箱尺寸：宽1040×深600×高1380（mm），冰箱热负荷Q=150.8W。2.3制冷系统热力计算制冷回路设计如图2所示图2制冷回路设计图制冷剂R404A和R508B物理性质如表1所示表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所示图3两级复叠式制冷循环压-焓图两级复叠式制冷循环压-焓图如图3所示,其中，1′~6′分别为高温级循环中对应状态点;1~6分别为低温级循环中对应状态点。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/R508B工质对的制冷系统,其高、低温级压缩机排气温度分别为90℃和80.5℃;根据运行工况可以确定状态点1~6及1′~6′,利用NISTREFPROP软件可以确定各点焓值分析分别采用R404A/R508B工质对时两级复叠式制冷系统的性能制冷剂R404AR508A点T(℃)P(MPa)h(KJ/KG)T(℃)P(MPa)h(KJ/KG)5排气901.7859441.8780.51.0089362.816冷凝39258.51-35149.061过冷37255.13-37146.562蒸入-390.14149-900.08823蒸出-39343.14-90244.824吸气-35347.237.5309.96单位质量制冷量qc

=h4-h292.1163.4单位质量压缩功n

=h5-h494.6452.85单位质量冷凝热QC

=h5-h1186.74216.25制冷量Q(W)237.875192质量流量m(g/s)2.5827904451.1750306压缩功N(W)=mn244.435287762.1003672COP=Q/(Nh+Nl)0.626354543表2制冷剂R404A和R508B运行工况2.4本章小结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论基础。对于两级复叠式制冷系统,可以利用压缩机排气量及其额定转速计算高、低温级的制冷剂质量流量,然后通过对应状态点的焓差计算两级复叠式制冷系统的制冷量Q以及高、低温级压缩机的压缩功。由于工质对的差异,高、低温级压缩机的压缩比相差较大,而压缩比对压缩机的输气系数有较大影响[18]。对于容积、温度、泄漏等参数基本一致的变工况运行条件,压缩机输气系数可以利用压缩比进行拟合计算。由本章内容得出，二级系统制冷量Q=192W，满足150.8W箱体热负荷的需求。3实验台搭建及测试双级压缩复叠式制冷系统包括压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置、控制器等元件。本节主要针对该系统的特性，进行有关的探讨。3.1重要部件选型3.1.1压缩机的选型本文要强调的是，由于本实验台要达到高温工况，所用的工质为R404A与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出两点要求：其一，在选用活塞式压缩机时，要按照压缩机实际的活塞排量来选择。压缩机的理论排气量为（3-1）（3-2）（3-3）对于容积式压缩系统而言，其容积效率等于四个系数的乘积（3-4）式中，D为气缸直径，s为活塞行程，z为气缸的个数，n为转数,单位为r/min:Vg为气缸的工作容积;Vh为活塞式压机的理论排气量;VR为活塞式压机的实际排气量。ην为容积效率；λν为余隙系数；λp为节流系数;λt为预热系数;λl为气密系数。从公式(3-1),(3-2)中可以看到，活塞排量只与压缩机的转数和气缸的结构尺寸、数目有关。它是一个不变的量，与采用何种工质都没有关系。但活塞式压缩机实际上工作过程比较复杂，有很多因素影响压缩机的实际排气量VR。，式(3-7)考虑了气缸的余隙容积·进排气阀阻力、吸气过程中气体被加热的程度以及漏气等四个方面。这四方面的乘积为压缩机的容积效率。它的具体计算参考文献。由此可知，在设计中要采用活塞式压机的实际排气量来选择压缩机。其二，在生产厂家没有提供压缩机的理论排气量的时候，如果按照制冷量来选取，要按照标准容积制冷量来选择。整机制冷量为：（3-5）其中Vh为理论排量。定义标准容积制冷量为：（3-6）将容积效率作一级近似，则约为（3-7）其中，C=0.03-0.085，Pr为循环压比，K为多变指数(1.05~1.15)从标准容积制冷量的近似定义来看，容积效率主要是考虑了压比不同引起的容积效率的不同，进而导致的标准容积制冷量的不匹配。以R404A替代R22为例说明这条原则的必要性。从R404A的理论容积制热量仅略小于R22，单纯从容积制冷量分析R404A是可以作为R22的灌注式替代物，但在实际应用中R404a的标准容积制冷量远低于R22[19]。原因就是R404A的压比较高，导致的容积效率下降。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37。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器。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热效果的原因[21]。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。Q=150.8W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Δtm=5℃（3-8）换热器传热面积A(m2)A=Q/(K*Δtm)=(150.8)/(2000*5)=0.015m2（3-9）3.1.4节流元件一般情况下，热力膨胀阀的名义工况要比蒸发器负荷大20-30%，对不设冷却水量调节或冬季冷却水温较低的制冷系统来说，膨胀阀的容量应比蒸发器的负荷大70-80%[22]。这样，对应非标工况，膨胀就有较大余量可以正常工作。在运行时，蒸发器的几何尺寸与热工参数确定以后，蒸发器内制冷剂的温度和压力对应某一工况来说是不变的，负荷调节就是通过膨胀阀阀孔的改变而改变了制冷剂液体流量而实现，其流量公式为（3-10）A是指阀孔面积，△p指阀前后的压力差，ρ是指阀入口处制冷剂密度，μ是指流量系数，μ的计算公式为（3-11）这里vl为阀出口处制冷剂气液混合物平均比容。由于本实验台工质的特殊性，在选择热力膨胀阀时要选择与之压差和流量相近的型号。另外，由于蒸发器为铜管式直冷蒸发器。因此，本实验台的热力膨胀阀选用毛细管，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3.2.1.制作、标定热点偶。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:t=a+bt1(3-12)a,b为回归系数，t1为数字记录仪显示温度3.2.2.压力表校验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一一活塞式压力计(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;由于接口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，缠上生料带，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。3)抽真空。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，保证系统管路配合正确;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)一(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、水泵消耗的电能;(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，经多次冷媒封入，冰箱中央点可达-88.58℃的超低温环境，蒸发器入口温度可达-91.3℃。表3冷媒封入实验结果项目最大值最小值平均值单相电压221.49220.03220.77干球温度30.0229.9830.00相对湿度61.3758.7760.01下左内-88.40-88.60-88.50下左外-87.60-87.80-87.67下中-87.80-88.00-87.91下右内-87.80-88.00-87.90下右外-87.30-87.50-87.46中左内-87.90-88.10-88.02中中-88.50-88.60-88.58中右内-88.30-88.50-88.40中右外-87.10-87.80-87.44上左内-87.10-87.30-87.16上左外-85.60-85.70-85.62上中-86.10-86.30-86.20上右内-86.60-86.80-86.69上右外-85.40-85.70-85.57蒸入-91.20-91.30-91.30蒸出-86.20-86.30-86.23高蒸出-43.20-43.40-43.30低排69.8069.1069.50低回-0.40-0.60-0.47高排78.1077.7077.88高回-36.20-36.60-36.44冷出36.5036.3036.39图4冷媒封入实验曲线确认冷媒封入克数后，针对冰箱进行降温速度、最低温的测试，测试结果如下：表4降温速度于最低温结果项目初始值420分钟最终值单相电压224.0216.7216.7干球温度30.129.929.9相对湿度62.254.754.7MDF-782VE下左内29.6-75.0-88.6MDF-782VE下左外29.3-73.4-87.8MDF-782VE下中29.8-74.4-88.0MDF-782VE下右内29.6-74.7-88.0MDF-782VE下右外29.3-73.4-87.5MDF-782VE中左内30.6-79.9-88.1MDF-782VE中中30.5-80.1-88.5MDF-782VE中右内30.5-80.4-88.4MDF-782VE中右外30.5-79.1-87.7MDF-782VE上左内30.8-79.6-87.2MDF-782VE上左外30.8-77.2-85.6MDF-782VE上中30.9-77.9-86.2MDF-782VE上右内30.9-78.4-86.7MDF-782VE上右外30.8-77.1-85.6MDF-782VE蒸入29.4-87.4-91.4MDF-782VE蒸出28.7-70.8-89.5MDF-782VE高蒸出27.2-47.5-47.5MDF-782VE低排92.230.430.4MDF-782VE高排90.230.830.8MDF-782VE高回31.0-34.7-36.8MDF-782VE冷出40.330.530.5图5降温速度实验曲线经试验，此制冷系统可在420min内使冰箱中央点达到-80℃的超低温环境，并且最低可达到-88.5℃。第五章结论与展望5.1结论本课题通过搭建适用于低温工况的二元复叠压缩制冷实验系统，同时进行理论和实验研究，利用工质R404A、R508B，实现制冷系统可达-86℃及更低的制冷温度并使得复叠系统在面临不同工况时都能够快速、平稳、精确地运行。本课题的主要工作和结论如下:根据设计工况，设计一套二元复叠压缩制冷系统，对各部件进行设计计算及选型，并搭建实验装置。结果如下:选择R404A及R508B作为制冷系统制冷剂，通过热负荷计算可得冰箱的热负荷Q=150.8W；通过对冰箱制冷量进行理论计算及分析，针对二元复叠压缩制冷实验系统，可得冰箱制冷量为192W，大于冰箱的热负荷150.8W通过对实验平台进行搭建，通过理论计算及分析对相关重要部件进行选型，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-86℃及以下的超低温环境5.2不足及展望本课题基于对复叠循环为研究对象，对复叠系统进行详细的理论分析，同时在此基础上搭建可实现基于复叠循环的制冷实验系统，并展开相关实验研究。本课题从理论分析、设计、搭建、调试以及后期实验过程中还有诸多值得思考、探究及改进之处。(1)实验台搭建过程中低温级蒸发器为直冷蒸发器，只进行了理论计算，未能进行建模分析，蒸发器设计可能存在缺陷，不能实现最佳的蒸发效果。(2)低温级由于空间排布问题，在后期实验过程中会增大高温级负荷;(3)设计中冷凝蒸发器所用板换面积稍小，在运行过程中造成换热温差较大，对系统COP有较大影响;参考文献[1]KilicarslanA，MHosoz.Energyandirreversibilityanalysisofacascaderefrigerationsystemforvariousrefrigerantcouples[J].EnergyConversionandManagement,2010,51(12):2947-2954.[2]BertschSS，EAGroll.Two-stageair-sourceheatpumpforresidentialheatingandcoolingapplicationsinnorthernU.S.Aclimates[J].InternationalJournalofrefrigeration,2008，31(7):1282-1292.[3]王林，陈光明，陈斌，等.一种用于低温环境下新型空气源热泵循环研究[J].制冷学报，2005,26(2):34-38.[4]Khan,J.-R.,Zubair,S.M.,Designandratingofatwo一stagevaporcompressionrefrigerationsystem.Energy,1998,23(10),867-878.[5]Ouadha,A,Exergyanalysisofatwo-stagerefrigerationcycleusingtwonaturalsubstitutesofHCFC22.Internationa