混合工质低温制冷系统的优化及控制策略

发布时间：2020-04-03 02:35

【摘要】：混合工质低温制冷系统采用不同沸点的多元混合物作为制冷剂,制冷温度可低至-193℃。因其具有制冷温度广、结构简单、适应性强等优点,广泛应用于天然气液化、电子工业、生物医学工程等领域。在大多数中小型混合工质低温制冷系统中,考虑工艺制造的要求,回热器普遍采用焊锡盘形套管换热器。由于制冷过程中,回热器冷(热)流进出口会存在较大的温度变化,盘管间导热对换热过程造成的影响不能忽视。本文先建立了考虑套管换热器的盘管空间结构对换热性能影响的数学模型,比较分析套管换热器在不同接触热阻时的换热性能,模拟结果表明,接触热阻越大,套管换热器的换热性能越好。随后本文又搭建了套管换热实验台,实验结果表明,管壁相互贴合的焊锡套管换热器存在盘间导热,无焊锡型套管换热过程换热性能比焊锡型套管换热更优。当冷、热流的进口温度变化为45~85℃时,无焊锡型的套管换热能力提高了2%~12%。本文针对混合工质低温制冷系统运行能效比低,降温速度慢、压缩机启动压力及温度较高等问题,设计并搭建了两套不同制冷温度的混合工质低温制冷实验系统,对降温过程进行建模分析、参数优化和实验验证。首先在-90℃制冷温区,以R134a、R32、R14为混合冷剂组分设计了单级压缩自复叠(ACR)混合工质节流制冷系统,采用遗传算法以热力学完善度η为优化目标,集成Aspen Plus进行流程模拟,给出了不同工况下最优运行组分的浓度变化规律。优化结果表明,随着系统温度的降低,为使系统始终处于最优运行状态,高沸点组分R134a的浓度逐渐降低,低沸点组分R14的浓度逐渐增加,其增减幅度由大变小。据此提出了一种微流量控压的组分控制策略,通过在蒸发器出口连接膨胀储气罐和微流量控制阀进行相关的实验验证。结果表明,以膨胀储气罐和控制阀联合作用的方法可以加快系统降温速度,减小压缩机总耗功8.9%左右,系统的高压压力得到较好控制,提高了整机的安全性和可靠性。本文又设计了-150℃的混合工质柔性超低温制冷系统,利用R600a、R170、R290、R50、R728五元混合工质进行实验。微流量控压的组分控制策略在超低温区的优势更加明显,在提高系统降温速率的同时,也减小了系统功耗10.39%左右,混合工质的运行浓度也得到了自适应地调节。
【图文】：

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华南理工大学工程硕士学位论文称LHR）节流制冷；二是指自复叠节流制冷（Auto-Cascade Refrigerator，简称ACR）。1.2.1Linde-Hampson 混合工质节流制冷Linde-Hampson 的概念是由 1895 年英国的 Willam Hampson 和 1897 年德国的 CarlVon Linde 在建立的 Linde-Hampson 型空气液化节流制冷系统时提出，此后液化空气实现工业化生产[13, 14]。早期的 Linde-Hampson 制冷机除压缩混合空气外都只能使用纯工质，上世纪 60 年代后，混合工质才开始与 Linde-Hampson 循环结合进行研究和实验应用。Linde-Hampson 制冷循环流程如图 1-1 所示，COMP 代表压缩机，COND 代表冷凝器，REG 代表回热换热器，EVAP 代表蒸发器。

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SEP是气液分离器，VALVE1为蒸发器前的节流阀，，VALVE2为气液分离器后的节流阀。图1-2 单级自复叠制冷循环流程Podbielniak W. J提出了自复叠的概念。随后，前苏联的Kleemenko A. P在1959年提出单流程自复叠制冷循环，采用甲烷、丙烷、丁烷为混合工质获取-156℃低温环境，第一次将自复叠技术成功应用在天然气液化装置中[27]。7年后，Fuderer采用垂直布置的冷凝管（同时充当气液分离器和油分离器），利用重力分馏制得更低温度[28]。1972年，MissimerD. J对前人们的循环进行改进，发现增设旁通系统的ACR循环比无旁通的循环降温速度更快[29]。1982年以后
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB657

【参考文献】