混合工质单级压缩-85℃制冷系统实验研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 2.47MB 71 页 15积分
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摘 要
采用带回热的节流制冷机制取低温作为制冷低温行业常规方案已经使用了百
年之久。在普冷领域，纯制冷工质的压缩回热循环，由于压比的局限，制冷温度
一般不能低于-40℃。若想获得-40 ~ -60℃就需要采用双级压缩循环，-60℃以下基
本依赖复叠制冷系统。随着食品低温速冻、医学研究、低温电子材料等领域的飞
速发展，低温制冷机受到重视。自动复叠制冷循环系统是采用单台压缩机和混合
制冷工质的单级压缩制冷循环，因其在小型低温制冷领域的独特优势而成为研究
的热点。
本课题采用一种混合制冷工质单级回热制冷循环，在传统的 LHR 循环的基础
上做了改进，加大了回热器，加强了回热器和蒸发器的保温，减小冷损失，提高
系统能效。混合工质的配比选择是本实验台的关键问题，选择合适的工质配比，
能够与硬件系统达到完美的结合，可以获得合适的吸排气压力，获得更低的蒸发
温度。本文通过理论模拟和实验分析相结合的办法，研究适合本实验台的混合工
质组分，并根据模拟所得物性设计了实验台相关部件的尺寸。
本文搭建了混合工质 Linde-Hampson 制冷系统，通过采用 4种混合工质
R245fa\R600a\R508B\R14 进行实验研究，优化制冷剂组分得到不同配比下的最低
运行温度，混合工质在 LHR 循环在环温 35℃时使 100L 冷柜达到-85℃。分析了最
优配比下环境温度对系统运行性能的影响。在理论及实验数据基础上研究 LHR 循
环中回热器运行特性及其对系统运行性能的影响。最后对该制冷循环特性进行了
总结，并提出了今后研究的方案建议。
关键词：LHR 循环 混合工质 低温冰箱 最优配比
ABSTRACT
Joule-Thompson refrigeration cycle with regeneration has been used for more than
a century ,as a normal scenario in the refrigeration and cryogenics industry. Due to the
limitation of compressive ratio, the single-stage compression cycle using pure
refrigerant could not reach the temperature below -40℃. The dual-stage compression
cycle has to be adopted to get the temperature between -40 to -60℃, and for the deeper
temperature than -60℃, a cascade refrigeration system has to be used. Joule-Thompson
refrigeration cycle has acquired a high attention for the rapid development in the field of
food storage, hypothermal medicine, cryoelecronics and so on. Auto- cascade
refrigeration system is a refrigeration system depending on the refrigerant mixture and
single-stage compression cycle. It has become the a new scientific research hotspot for
the superiority in the small refrigerating compressor.
The experimental research of applying quaternionic refrigerant mixtures,
R345fa\R600a\R508B\R14, in Linde-Hampson refrigeration cycle was conducted. To
get the lowest operation temperature, the components of refrigerant mixtures were
optimized. The influence of ambient temperature on system operational performance
was analyzed. The conclusion shows that: to mix the four refrigerant components at the
different special ratio, the lowest system operation temperature could reach from -45℃
to -85 ℃.If the proportion of the refrigerant mixtures charged is
R245fa:R600a:R508B:R14=0.45:0.3:0.18:0.07 when the ambient temperature is 35℃,
the operating temperature of the system can reach -85℃.
The experimental research of applying quaternionic refrigerant mixtures,
R345fa\R600a\R508B\R14, in Linde-Hampson refrigeration cycle was conducted. To
get the lowest operation temperature, the components of refrigerant mixtures were
optimized. The influence of ambient temperature on system operational performance
was analyzed. Based on theory and experimental data, the performance of recuperator in
the LHR cycle and its impact on system operational performance were studied. The
temperature of a 100L freezer using mixtures in Linde-Hampson cycle can reach to as
low as -85℃ when the ambient temperature is 35℃.
Key Words: Linde-Hampson Refrigeration Cycle， Refrigerant
Mixtures， Low Temperature Refrigerator，Optimization Ratio
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ....................................................... 1
§1.1 制冷工程发展历史 ........................................................................................................ 1
§1.2 国内外低温冰箱的现状 .................................................................................................. 4
§1.3 本文主要研究目的及内容 .............................................................................................. 6
§1.4 本章小结 .............................................................................................................................. 7
第二章 混合工质物性和系统运行特性理论分析 ........................... 8
§2.1 混合工质组分及其特性分析 ........................................................................................ 8
§2.2 溶液的基本定律 ............................................................................................................. 10
§2.2.1 理想溶液及拉乌尔定律 .......................................................................................... 10
§2.2.2 相及相变过程的概念 ............................................................................................... 12
§2.3 系统运行特性理论分析 ................................................................................................ 19
§2.3.1LHR 系统结构及运行特性 ...................................................................................... 19
§2.3.2 回热器性能分析及其对系统影响 ........................................................................ 21
§2.4 本章小结 ............................................................................................................................ 24
第三章 实验台的设计与搭建 .......................................... 26
§3.1 试验台的设计计算 ......................................................................................................... 26
§3.1.1 压缩机选型计算 ........................................................................................................ 26
§3.1.2 蒸发器初步设计 ........................................................................................................ 29
§3.1.3 回热器初步设计 ........................................................................................................ 30
§3.1.4 节流装置的设计 ........................................................................................................ 32
§3.1.5 干燥过滤器的选配 ................................................................................................... 33
§3.2 实验台的配套装置的介绍 ........................................................................................... 34
§3.2.2 测量系统 ...................................................................................................................... 36
§3.3 本章小结 ............................................................................................................................ 39
第四章 实验结果及运行性能分析 ...................................... 40
§ 4.1 试验台前期的准备工作 ............................................................................................... 40
§ 4.1.1 系统防堵塞检查 ....................................................................................................... 40
§ 4.1.2 回热器发泡保温的处理 ......................................................................................... 40
§ 4.1.3 系统整体气密性能的检测 ..................................................................................... 41
§ 4.1.4 系统调试与改进 ....................................................................................................... 41
§ 4.2 实验台运行特性分析 .................................................................................................... 43
§ 4.2.1 工质配比对系统运行特性的影响 ....................................................................... 43
§ 4.2.2 环境温度对系统运行特性的影响 ....................................................................... 44
§ 4.2.3 回热器对系统运行特性的影响............................................................................ 45
§ 4.3 系统运行的对比工况分析 ........................................................................................... 46
§ 4.4 本章小结........................................................................................................................... 53
第五章 结论与展望 .................................................. 54
§5.1 结论与经验 ...................................................................................................................... 54
§5.2 建议与展望 ...................................................................................................................... 55
附录一 ............................................................. 57
主要符号表 ......................................................... 62
参考文献 ........................................................... 63
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 68
致 谢 ............................................................. 69
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
改造世界，创造更适宜人类生存的生活环境，是千百年来一直追求并为之奋
斗不息的使命。自从人类感知了酷暑寒冬，就在梦想着冬暖夏凉的美好生活。古
代人储冰以备来年夏天，这是人类认识自然。1755 年英国爱丁堡大学的 William
Cullen教授以及他的学生 Joseph Black利用液体乙醚蒸发第一次在实验室中制得人
工冰，标志着现代制冷技术的诞生[1]。两百多年来，很多了在这条道路上不断前进，
他们的不懈奋斗才有了家家户户的空调冰箱，航天燃料，超导材料[2]。本文研究的
是混合工质 LHR 循环在低温冰箱中的实验研究，虽然是一个普冷领域的研究，我
却希望从低温工程的角度开始本文的论述，从 LHR 循环百年前出现时的惊艳开始。
§1.1 制冷工程发展历史
低温制冷技术被定义为温度低于 120K 的科研和技术的处理及应用[3]。在本课
题中，无论理论模拟亦或是实验研究，没有任何一个温度点低于 120K，准确的是
本文不应该涉及低温工程的背景介绍。不过，无论 Linde.C 先生还是 Hanpsom.W
先生，其对制冷及低温的贡献多集中于空分行业；而且 LHR 循环最早的应用也是
用于低温气体的提取与生产[4,5]。故本文简单介绍一下与 LHR 循环相关的制冷低温
发展史，从中唤起对 LHR 循环的记忆。
梳理制冷低温的发展过程，有很多波澜壮阔振奋人心的事件铭记在我们的心
中，也有很多熟悉的名字让我们常常提起:Jacob Perkins, Siemens, Joule, Scott,
Kelvin, Carl von Linde, William Hampson, Thomas Midgley。在这个行业里的人，我
们常常提及这些名字、使用这些名字命名的循环、甚至于供职在他们创立的公司。
如果用时间轴去划分脉络，我更愿意用 50 年为一个区间来回顾这个发展史，每个
50 年的交子之时总有那些事件改变世界影响时空。
在世界文明史中，高温技术的应用出现得相当早，这是因为人类能更容易的
找到办法去增加燃烧的温度；相反地，人类应用低温的历史要明显的晚于高温，
因为没有很好的设备去制取低温。不过，人之所以出于动物而强于动物，在于思
维；有一股强大的内因，叫做渴望。这个星球的所有生物，都知道大树底下好乘
凉，游水嬉戏可以解酷暑。没有设备制取低温，并不代表没有冷源。
三千年前的周王朝时代，我国的古代劳动人民就知道了应用自然冰块来冷藏
食品和制造清凉饮料。《诗经》有云：―二之日凿冰冲冲，三之日归入凌阴‖，正是
描述古代奴隶储冰劳动的场景。初唐时，显贵国忠每年夏天都造冰山以驱散暑气。
《开元天宝遗事》卷上记载：―杨氏子弟，每至伏中，取大冰使匠琢为山，周围于
宴席间。座客虽酒酣各有寒色，亦有挟纩者，其骄贵如此。‖当然，智慧并不仅仅
局限于中国人。古埃及人在公元前 2500 左右，应用天然冰来愈合伤口和治疗炎症。
第一章 绪论
2
1755 年，冰第一次在实验室中被人工创造出来。但受制于蒸汽发动机以及实
用性压缩机的发展缓慢。十八世纪并没有太多人工制冰的应用和推广[6]。
1834 年，英国发明家，一个移居英国的美国人，Jacob Perkins 先生。第一次
实现了将 Faraday 的液化过程与膨胀过程的连续运行，这也是第一台我们今天所说
的蒸汽压缩式制冷机。这台机器是第一台闭式循环的制冷机，是现代制冷史上的
一块基石。同时，也要感谢建造这台机器的 John Hague 先生。下图中即为由 Jacob
Perkins 设计并由 John Hague 建造的乙醚制冰机[7]。
图1-1 Jacob Perkins 乙醚制冰机示意图
随即而至的是一系列低温制冷机的改进和发明，但这并不是重要的。重要的
是这些低温制冷的研发，对制冷技术产生了翻天覆地的变化，随着这特定温度点
的攻克，一系列困扰制冷工艺发展的困难和问题被顺利解决。1845 年，Mayer 和
Joule 先生发现了热力学第一定律；1850 年，Clausius 提出了热力学第二定律；1852
年，Kelvin 提出了绝对零度即热力学第三定律[7]；同年，Joule 和Thomson 提出
了J-T 效应。这些重大发现具有划时代的意义，使得热动力学拥有了强有力的理论
基础，为以后的研究开拓了空间指引了方向。可以说这是制冷与低温史上的第一
个春天。
1857 年，Siemens 搭建了第一个逆流式回热热交换器[8]。而这一概念是 1851
年由 Gorrie 提出的。相较于普冷，低温最大的特点就是在节流膨胀前，需要对高
压制冷剂进行预冷。预冷有两个办法，用复叠制冷或者热交换器。逆流式回热热
交换器的出现为低温工程贴上了自己的特色和标签。
第一章 绪论
3
虽然，Siemens 的逆流式回热热交换器在现在应用广泛，但是在当时并不受欢
迎。1877 年Pictet 首次用蒸汽压缩制冷机制取液态氧气；1883 年，Wroblewski 和
Olszewski 第一次制取液氮，他们仍然采用复叠式制冷循环[9]。古话说：金子总会
发光的。1895 年，Hampson 先生第一次用逆流式回热热交换器取代了复叠式，并
成功地将其运用于制取氧气[10]。对于热端温度 300K 的低温制冷机，一个高效的热
交换器是必不可少的。这样的一个热交换器的一大特点就是能将低温制冷剂从一
般的制冷剂中凸显出来，能让其在系统冷端发挥巨大的作用。
也是在 1895 年 ，Linde 先生在德国也从事着相同的工作，并且得到了一样的
系统，这也是本文中所采用的循环方式 Linde-Hampson 制冷循环[11]。接着，Linde
创造了更为高效的双压制冷循环。正是 Linde 先生的贡献，将液化空气的产量第一
次提升到了 10L/h，同时他将这些分离出来的氮气和氧气投放市场并迅速收到商业
回报，即使现在林德集团还是享誉世界的气体生产和工程公司。到 1899 年，Linde
的液化空气产量已经达到 50L/h。
图1-2 Linde 双压缩 J-T 节流制冷机
这是低温工程的第二个春天，Siemens、Hampson、Linde 的贡献，使得低温制
冷技术达到了一个新的高度，并且从实验室走了出来。时至今日，我们仍能看到
这些公司创造商业的辉煌业绩。
时间进入 20 世纪，前 50 年的世界被战火撕扯得支离破碎，不过低温工程的
发展并没有停下脚步，反而由于战争的需要扩大了应用的领域。1908 年，Onnes 先
生第一次分离出了液态 He。液氦的出现圆梦了液化空气的百年追求，同时他也获
第一章 绪论
4
得了 1913 年的诺贝尔奖。1911 年，Onnes 先生为世界又带来了一份礼物，超导物
质的发现——4.2K 下的高纯水银[12]。
1929 年，美国通用公司(General Motor)的Thomas Midgley 首先将氟氯烃类物
质CFC12 应用于蒸汽压缩式制冷机，节流制冷机开始步入辉煌的氟利昂时代[13]。
以CFC12、CFC11、HCFC22 为代表的氟利昂家族便以优良的理化性质和热力循环
性能，曾被视为完美的制冷工质，迅速在普冷领域占据统治地位，随着各种氟利
昂工质的广泛应用，混合制冷工质开始出现。1930 年，美国通用公司(General Motor)
研发成功了全封闭式压缩机[14]，促进了制冷设备的小型化和规模化生产。
同时，Linde 先生在不断刷新着液化空气的单位产量记录，并不断改进设备使
其能耗更低。到 1941 年时，已经可以达到 85t/d。这 50 年时是液化空气工业化蓬
勃发展的时期，也有很多优秀的工程师致力于这个事业。Collins、 Kapitza、 Kohler
和他所领导的飞利浦研发团队都做成了巨大的贡献[15,16]。空分产品更多地应用于高
效燃料、军事、医疗，同时也得到更多的政府重视的资金支持。但不可否认，战
争还是减缓了行业前进的步伐。在那个年代的压缩机几乎还是采用单一工质，即
使我们发现了氟利昂并提出了混合工质。我们在当时已经拥有了巨大的日产量，
但更多的是为了战时需要，我们为得到这些空分产品所付出的能耗同样巨大。我
们发现了超导物质，但很难提供足够的实验条件做持续研究。因为那个年代的主
题是战争。
20 世纪 50 年代以来的 60 年中，计算机技术以及通信技术的迅猛发展和普及，
为制冷行业的发展提供帮助。NBS、NASA、CIC 等数据库的广泛应用，以及商用
制冷低温数据网站的出现，提速了使得整个行业的发展。可以说，不仅仅是对制
冷低温，对整个科学界来说，数据和信息的便捷化是一份巨大的财富。计算机技
术改变了每一个行业，机电一体化的发展使得机械工艺加工的精度得到提升。压
缩机向着高效节能、低噪安全、结构简单的方向不断改进，各种新型数码涡旋压
缩机、变频螺杆/离心压缩机、直线式压缩机、无油压缩机的出现和发展正在改变
制冷行业[17]。同时，计算机技术还广泛应用于热力学模拟、制冷循环模拟、工质
物性模拟、产品温湿度精确控制、各类精密传感器的设计和制造、产品外型设计，
使得制冷系统、制冷装置的性能、可控性、安全性都得到加强。
制冷低温技术几个世纪的发展，蒸汽压缩式节流制冷机历经二百余年的发展
而日趋完善，是到目前为止技术最成熟、适用最广泛的制冷机形式。在二十一世
纪，低碳、节能、环保、舒适已经成为制冷工业发展的主旨方向，历经历史雕琢
的节流制冷技术依然有广阔的应用前景。
§1.2 国内外低温冰箱的现状
摘要：

摘要采用带回热的节流制冷机制取低温作为制冷低温行业常规方案已经使用了百年之久。在普冷领域，纯制冷工质的压缩回热循环，由于压比的局限，制冷温度一般不能低于-40℃。若想获得-40~-60℃就需要采用双级压缩循环，-60℃以下基本依赖复叠制冷系统。随着食品低温速冻、医学研究、低温电子材料等领域的飞速发展，低温制冷机受到重视。自动复叠制冷循环系统是采用单台压缩机和混合制冷工质的单级压缩制冷循环，因其在小型低温制冷领域的独特优势而成为研究的热点。本课题采用一种混合制冷工质单级回热制冷循环，在传统的LHR循环的基础上做了改进，加大了回热器，加强了回热器和蒸发器的保温，减小冷损失，提高系统能效。混合工质的...

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作者：牛悦 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：71 页 大小：2.47MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

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