四元混合工质林德循环的理论分析及实验研究

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3.0 高德中 2024-11-19 8 4 1.64MB 59 页 15积分
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摘 要
伴随着社会发展和工业生产的要求，低温技术的应用范围也越来越广，-40℃～
-120℃的温区的制冷低温技术有着良好的发展前景以及更高的要求，该温区在能
源、食品、医疗、化工、生物、电子、军工和空间技术等众多领域都有着广泛的
应用。
本课题提出一种新型四元混合工质的林德制冷循环，可以实现低温区的稳定
高效运行，并且具有结构简单、运行可靠的优点。本课题所做的理论分析和实验
研究主要有：
理论分析了混合工质的热力特性和相关的物性计算方法，讨论了混合工质组
元的选取原则，并在此基础上确定了以 R134a、R123、R23 和R14 作为四种组分；
着重分析了低温系统中润滑油及油分离器的选取原则，在此基础上确定了适合课
题低温系统的润滑油和新型高效的油分离器，以解决低温系统油堵问题；结合物
性分析软件，选取中间两种组元作为模拟对象，计算出系统循环各个状态点的理
论数值，并在此基础上对系统各个部件进行计算选型。
实验阶段，首先验证了课题所提出的四元混合工质系统的可行性，然后采用
不同配比的混合工质进行对比实验，结合实验数据分析了混合工质林德循环的运
行特性，以及四元混合工质的配比对系统性能影响，并且在理论分析和实验研究
的基础上，提出了系统的优化方案，以满足更高温度环境下的稳定高效运行。
关键词：四元混合工质 林德循环 工质组分 系统设计 性能分析
ABSTRACT
With social development and industrial production requirements, the application of
cryogenic technology is increasing rapidly. Cryogenic technology in the range of
-40℃~-120℃ has good prospects as well as higher demand. It has a wide application in
the field of energy, food, medical, chemical, biological, electronic, military and space
technology.
This paper proposes a new Linde cycle with quaternary refrigerant mixtures,
achieving low-temperature and with a simple structure. The theoretical analysis and
experimental study on this paper mainly include:
The theoretical analysis mainly include: analyzing the thermal characteristics and
physical properties of the refrigerant mixtures, discussing the selection principle of
mixed refrigerants and determining the R134a, R123, R23 and R14 as the four
components, discussing the selection principle of the oil and oil separator in the
Cryogenic system and determining the appropriate oil and oil separator for the system to
solve the problem of oil block, selecting the middle two types of the four components as
a simulation object based on property analysis software, calculating the theoretical
values of each state point in system cycle and designing the components in the
cryogenic system.
The experiment verified the feasibility of the quaternary refrigerant mixtures has
been proposed. The experiment mainly include: doing the comparative experiments
with different ratio of the four components, analyzing the operating characteristics of
the Linde cycle with quaternary refrigerant mixtures and the impact on system
performance for different different ratio of the four components by experimental data
collected, proposing a system optimization program based on theoretical analysis and
experimental study to meet the higher temperature environment.
Key Word：Quaternary Refrigerant Mixtures，Linde cycle，System
Design，Performance Analysis
目 录
中文摘要
ABSTRACT
目 录 ......................................................................................................................... 1
第一章 绪 论 ........................................................................................................... 1
§1.1 本课题研究的背景及意义.......................................................................... 1
§1.2 混合工质林德制冷系统的发展及现状 ................................................... 2
§1.2.1 混合工质节流制冷的发展历史 ........................................................ 2
§1.2.2 混合工质林德制冷系统国外现状 ................................................... 2
§1.2.3 混合工质林德制冷系统国内现状.................................................. 4
§1.3 本课题的主要研究内容 ............................................................................ 6
§1.3.1 理论研究 .......................................................................................... 6
§1.3.2 实验研究 .......................................................................................... 6
第二章 混合工质的特性分析及组分选择 ............................................................... 8
§2.1 非共沸混合工质林德系统的特性分析 ...................................................... 8
§2.2 混合工质的状态方程及混合法则 ............................................................ 11
§2.2.1 状态方程 ......................................................................................... 11
§2.2.2 混合法则及焓熵值计算 ................................................................. 13
§2.3 本课题工质组元的选择 ........................................................................... 14
§2.3.1 工质组分选择原则......................................................................... 14
§2.3.2 本课题工质组分的确定 ................................................................. 15
本章小结 .......................................................................................................... 17
第三章 低温系统中润滑油及油分离器的研究 ..................................................... 18
§3.1 润滑油对低温系统的影响分析 ............................................................... 18
§3.1.1 对压缩机的影响 ............................................................................ 18
§3.1.2 对毛细管的影响 ............................................................................ 19
§3.1.3 对冷凝器的影响 ............................................................................ 19
§3.1.4 对蒸发器的影响 ............................................................................ 19
§3.1.4 对混合制冷剂的影响 ..................................................................... 20
§3.2 润滑油的特性分析及选取原则 ............................................................... 20
§3.2.1 分类及特性 .................................................................................... 20
§3.2.2 选取原则 ........................................................................................ 21
§3.3 油分离器的原理分析及选取 ................................................................... 23
§3.3.1 原理分析 ........................................................................................ 23
§3.3.2 本课题油分离器的选取 ................................................................. 24
本章小结 .......................................................................................................... 25
第四章 系统的设计计算 ........................................................................................ 26
§4.1 循环工质物性参数确定 .......................................................................... 26
§4.1.1 NIST REFPROP 软件介绍 .............................................................. 26
§4.1.2 设计条件和设计变量 ..................................................................... 29
§4.1.3 混合工质状态点热力参数的确定 ................................................. 29
§4.2 系统各部件的设计 .................................................................................. 31
§4.2.1 蒸发器的设计计算......................................................................... 31
§4.2.2 压缩机的选型 ................................................................................ 32
§4.2.3 回热器的设计计算......................................................................... 33
§4.2.4 冷凝器的设计计算......................................................................... 35
§4.2.5 毛细管的设计计算......................................................................... 36
§4.2.6 油分离器的选型 ............................................................................ 37
§4.2.7 数据采集系统的选型 ..................................................................... 37
本章小结 .......................................................................................................... 38
第五章 实验研究及数据分析 ................................................................................ 39
§5.1 实验准备工作和调试过程 ....................................................................... 39
§5.1.1 检漏 ................................................................................................ 39
§5.1.2 抽真空 .......................................................................................... 39
§5.1.3 润滑油充注 .................................................................................... 40
§5.1.4 制冷剂充注 .................................................................................... 40
§5.1.5 系统调试 ........................................................................................ 40
§5.2 实验数据分析 .......................................................................................... 41
§5.2.1 蒸发温度分析 ................................................................................ 42
§5.2.2 压缩机吸排气温度及压力分析 ..................................................... 43
§5.2.3 毛细管节流前后温度分析 ............................................................. 46
§5.3 系统的优化改进 ...................................................................................... 47
本章小结 .......................................................................................................... 49
第六章 总结与展望 ................................................................................................ 50
§6.1 总结 ......................................................................................................... 50
§6.2 展望 ......................................................................................................... 51
参考文献 ................................................................................................................. 52
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ........................................ 55
致 谢 ....................................................................................................................... 56
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 本课题研究的背景及意义
伴随着社会发展和工业生产的要求，低温技术的应用范围也越来越广，-40℃～
-120℃的温区的制冷低温技术有着良好的发展前景以及更高的要求[1-4]，该温区在
能源、食品、医疗、化工、生物、电子、军工和空间技术等众多领域都有着广泛
的应用。
传统的单级蒸汽压缩节流制冷机可以满足不同范围的制冷量需求，并且具有
结构简单、运行可靠以及制冷效率高等优点，也是目前技术最为成熟、应用最广
泛的制冷技术。但是，以单一工质为制冷剂的单级蒸汽压缩制冷机因其自身的局
限性，因此不大可能找到一种制冷剂，既具有较高的临界温度又有很低的标准沸
点，每一种制冷剂的工作范围都很有限。
如果用单工质基本循环制取-40℃以下的低温，则必须降低制冷剂的蒸发压力，
由于冷凝压力受环境限制，那么必然导致以下问题[5]：①压缩机压比增大；②压缩
机吸气比容迅速下降，输气系数迅速减少，系统的制冷量也会迅速下降，甚至为
零；③压缩机的排气温度会上升，导致系统中润滑油变稀乃至于碳化，使压缩机不
能正常工作；④节流过程的不可逆损失大大增加，导致单位制冷量趋于零。因此，
在由外界环境温度决定的冷凝压力的制约之下，单工质的基本循环一般只应用在
-40℃以上的温区。
因此，为了寻求新的途径，使得单级压缩节流系统能够应用于-40℃以下乃至
深冷低温区域，国内外进行了大量的科研投入。从上世纪 70 年代以来，由于新型
混合工质开始提出以及广泛应用，使节流制冷剂在深冷低温领域得到了广泛的应
用。单级压缩节流系统可以在其压缩机承受压比范围之内，达到较低的温度。目
前为止，在这个领域内有两种系统有了较为成熟的理论和实际应用。其中一种是
林德循环或称 Linde-Hampson[6-7]节流制冷机(简称 LHR)，是指工质在循环的过程
中有内部换热过程的单级压缩循环。
混合工质林德制冷系统，与传统的低温节流制冷机和复叠制冷机相比，有着
其独特的优势。其制冷机系统结构简单，运行可靠性更强，制冷系统的制造成本
也更为降低[8]。非共沸混合制冷剂具有高效节能、实现无级调节及优势互补的作用，
同时在不变动制冷机部件的情况下，选择合适组分的混合工质，可以得到适应于
不同温区的系统，并且具有比较高的热力学效率。
摘要：

摘要伴随着社会发展和工业生产的要求，低温技术的应用范围也越来越广，-40℃～-120℃的温区的制冷低温技术有着良好的发展前景以及更高的要求，该温区在能源、食品、医疗、化工、生物、电子、军工和空间技术等众多领域都有着广泛的应用。本课题提出一种新型四元混合工质的林德制冷循环，可以实现低温区的稳定高效运行，并且具有结构简单、运行可靠的优点。本课题所做的理论分析和实验研究主要有：理论分析了混合工质的热力特性和相关的物性计算方法，讨论了混合工质组元的选取原则，并在此基础上确定了以R134a、R123、R23和R14作为四种组分；着重分析了低温系统中润滑油及油分离器的选取原则，在此基础上确定了适合课题低温...

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