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混合工质节流制冷机的理论与实验研究

王勤  
【摘要】: -40℃~-120℃的低温环境在能源、军工、空间技术、医疗,生物和生命科学等领域都有着广泛的应用和良好的应用前景。采用单级压缩的混合工质制冷机进行该温区的深度制冷,不但可以使制冷机的结构得到简化,提高制冷机运行的可靠性,而且还可以获得更高的热力学效率。但是,到目前为止,该温区有关混合工质制冷机的研究还进行得很少。本文的研究目的就是通过理论和实验两方面深入的分析和比较各类混合工质节流制冷机循环在-40℃~-120℃温区的热力学性能,探求其中的内在规律,找到该温区内具有较高热力学效率和高可靠性的制冷机型式以及相应的最优混合工质成分。 首先本文建立了混合工质制冷机循环的优化模型,通过对优化模型中的目标函数、约束条件和设计变量三方面的讨论,得到了对混合工质制冷循环进行优化所遵循的三条较为合理和切实可行的优化原则。 通过对各种混合工质节流制冷机循环的特性分析,揭示了不同循环型式之间的内在热力学关系。研究结果表明,正确地选择混合工质,在相同的压比下,可使LHR循环比基本循环具有更高的热力学效率,而采用ACR循环可以较LHR循环更进一步提高循环的热力学效率。 本文首次采用混合工质制冷机循环的定运行压比优化方法,大大减少了循环的计算量,为各种混合工质制冷机循环,尤其是复杂循环的数值优化奠定了基础。同时,有助于深入了解压力变量对循环性能的影响,更好地把握各循环的内部规律。 在稳态定比热换热器模型的基础上,对循环中的重要部件——诸换热器进行了两种传热推动力下和两种温度条件下的热力学优化分析。所得结果对研究混合工质制冷机中各换热器的实际换热过程有重要指导意义。 通过对混合工质节流制冷机诸循环进行的数值优化和较为详尽的循环粗(火用)分析,验证了循环的特性分析中所得到的主要结论,同时得到了压比为8,温度为-60℃、-80℃、-100℃和-120℃等四个温度位的混合工质精馏循环最优混合工质成 浙江人学博十学位论文 摘要 分。 此外,本文还首次采用换热器等效嫡产分析法,引入了等效单位换热量嫡产 和等效单位功耗热负荷概念,为全面和深入分析循环中各换热器的不可逆损失提 供了有效的工具。 本文还自行设计、安装和调试成功能分别用于LHR、ACR_工和ACRR循环的实 D 验装置。在-即℃温度位,对利用二元混合工质组元的mR、“凡I和北LR循环 分别进行了实验优化研究。实验结果与循环数值优化结果较为相符,验证了循环 数值优化中所得到的主要结论。 本文重点在-100oC温度位进行了多元混合工质精馏循环成分的实验优化。在- 100OC温度位,循环 COP达到了 7.4%,循环热力学效率为 5.3%。同时,在-120”C。 -80aC和-60℃温度位,该成分的精馏循环热力学效率分别为2.S%、6.6%和6.5%。


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