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R404A/CO_2复叠式制冷系统的理论分析与优化

王庆为  
【摘要】:目前,由于CFCs和HCFCs氟氯烃类制冷剂的使用会引发温室效应和臭氧层的破坏等环境问题,人们在制冷系统中倾向于采用天然和环境友好型的制冷工质。为了获得较低的温度,通常复叠式制冷系统相对于两级压缩制冷系统能够达到更低的温度。天然工质CO2由于具有无毒、不可燃和良好热物性等特点,在复叠式制冷系统中较为适合作为低温级的制冷剂,而在高温级中,通常采用NH3、R290和R404A等制冷剂。 本复叠制冷系统高温级采用R404A作为制冷剂,低温级采用CO2作为制冷剂。为了研究R404A/CO2复叠式制冷系统的性能,本文通过理论分析、部件模拟及实验研究对其进行研究,得到系数参数对系统性能的影响,比较制冷剂的相关热物性参数,对低温级沸腾换热过程进行研究,同时对高低温级压缩机和热力膨胀阀进行了模拟。 首先,为了研究系统参数对系统的影响,对系统进行循环计算。同时为了分析系统不可逆程度,确认系统用能的薄弱环节,采用最小熵产法对系统进行熵分析和火用分析。结果表明,在给定系统蒸发温度、冷凝温度和冷凝蒸发器的传热温差条件下,系统存在最大COP和火用效率、最小的熵产和(?)损、最佳低温级冷凝温度和高低温级质量流量比。通过分析,提出了提高火用效率的相应措施,如采用合适的润滑油、减小冷凝蒸发器的传热温差、对其采取强化传热措施等。针对亚临界条件下,不建议使用膨胀机代替节流阀。分析该系统高低温级采用不同等熵效率公式时系统的性能。利用相关计算数据,通过多重线性回归分析拟合得到系统最大COP、相对应的最佳的低温级冷凝温度和最大火用效率与蒸发温度、冷凝温度和冷凝蒸发器的传热温差之间的函数关系。 其次,通过比较低温下不同制冷剂的相关物性参数,表明CO2作为低温级制冷剂具有优越性。在该系统中CO2蒸发器对于系统非常重要,本文对翅片管CO2低温沸腾换热特性进行了研究。总结已有流型,并得到不同温度和管径下的具体流型。比较不同换热系数及压降模型,得到具体的相关结果。并将其与实验数据进行对比分析,对具体模型进行了修正,同时分析了影响蒸发器性能的因素。 另外,还对高低温级压缩机和热力膨胀阀进行了模拟,得到压缩机输气量、输入功率和排气温度的具体模型,同时建立流量与节流阀进出口压力、进口密度、流量系数和阀孔流通面积的关系。 最后,针对已建立的R404A/CO2实验系统,确定其试验方案,验证其理论模型的正确性,得到给定条件下的系统COP。 本文针对该R404A/CO2复叠式制冷系统开展理论分析及实验研究,对系统的优化设计和运行效率的提高具有重要的理论价值和指导意义。


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