低温制冷系统混合工质两相流动传热特性及浓度优化研究

发布时间：2017-01-31 19:21

第一章 绪论

对于采用单一工质的蒸气压缩式制冷技术而言，要获得-40℃ 以下低温，可以采用多级压缩或是复叠循环的方式。多级压缩式制冷技术通过将单一工质压缩到很高的压力使之能够在环境温度下液化，经过回热器后节流制取所需低温。其中，利用两级压缩一次节流制冷系统可以达到-60℃。由于多级压缩式制冷循环中回热器内为高压液相与低压气相换热，两者比热容差异巨大因此换热效率较低，从而导致该类制冷系统在制取低温时热效率不高。相比之下，两级复叠制冷系统最低可以达到-90℃，采用三级复叠制冷系统则可达到-120℃，，但要制取比-120℃ 更低的温度时，则需要采用三级以上的复叠制冷循环系统。在复叠制冷系统工作时，高温级将制冷量通过中间回热器传递到低温级系统中，然后该低温级系统再作为下一级低温级系统的高温级系统，将获得的制冷量通过两级间的回热器传递给下一级低温级制冷系统，直到最后一级低温制冷系统制取到所需低温。从复叠制冷循环系统的工作原理上可以看得出，复叠级数越多，中间制冷量的传递过程就越多，则传递过程所带来的冷量损失也就越大，从而制冷效率就越低。因此，由于系统构成复杂且制冷效率低下，相关设备投资高以及运行维护成本高，一般很少采用三级以及三级以上复叠制冷系统来制取所需低温。

.......

第二章 低温混合工质制冷实验系统

2.1低温混合工质制冷实验系统

低温混合工质制冷系统主要由压缩机、风冷冷凝器、回热器、节流阀以及蒸发器 5个主要部件组成。本实验系统采用了三个串联并且结构尺寸一样的钎焊板式换热器作为回热器，其目的在于将回热器中的流动传热过程分割在三个换热器中进行，然后可以根据运行参数，将只包含了两相流动传热过程的换热器筛选出来作为研究对象，从而对其两相过程实验数据进行分析。

2.2实验数据测量

要研究混合工质低温制冷系统回热器两相流动与传热特性，需要对系统各运行工况下的混合工质组分浓度、质量流量、各点温度及压力等参数进行测量，所用到的测量设备及其对应测量参数如表 2-3 所示，这些设备在系统中的安装位置如图 2-1 所示。本实验系统采用安捷伦 34970A 模块对温度及压力参数进行采集，电磁阀开关采用研华 4068 模块进行控制，并且通过研华 4024 模块和电力调整器对蒸发器中的电加热功率进行调整。由于混合工质制冷系统测点较多，所有测点参数完成一次数据采集和保存需要 15 秒的时间。混合工质制冷系统实验数据采集程序通过 LabView 平台编写，程序主界面如图 2-4所示，各测点对应的温度及压力都会在实验过程中实时显示在程序中，然后保存在指定Excel 表格中。

第三章 回热器中混合工质两相流动特性...........30

3.1 两相摩擦压降与摩擦系数................... 30
3.2 两相摩擦压降计算模型........... 31
3.3 两相摩擦压降实验结果................. 35
第四章 回热器中混合工质两相传热特性..........46
4.1 两相传热离散计算模型............ 47
4.2 传热经验关联式............... 53
4.3 混合工质两相传热热阻分析........ 60
4.4 回热器传热效率分析.............. 61
4.5 结果分析与讨论........... 62
第五章 低温制冷系统中混合工质浓度优化........74
5.1 循环组分浓度优化策略............. 74
5.2 初始充灌..................... 74
5.3 循环组分浓度实际优化计算模型.......... 80
5.4 优化案例分析.............. 83
5.5 优化结果验证................. 88

第六章 混合工质制冷系统运行特性研究

6.1混合工质制冷系统运行浓度优化

本文采用第五章所提出的策略对正丁烷/乙烷/甲烷三元混合工质在本实验系统中的循环浓度进行优化，环境温度为 20.1℃，目标制冷温度为-130℃，从而得到了合适的充灌量及充灌浓度，结果如表 6-1 所示。混合工质总充灌质量为 1014 g，其中正丁烷充灌质量最多，其摩尔浓度接近 50%；甲烷充灌质量最少，乙烷充灌质量比甲烷稍多。

6.2系统热负荷空载运行特性

混合工质制冷系统根据表 6-1 中的优化结果进行充灌，在环境温度为 21.4℃ 的条件下，系统在不加载热负荷时，降温曲线如图 6-1 所示。混合工质制冷系统运行 30 min 后，达到-140oC 左右的低温，然后再经过近 90 min左右，稳定在-148.7℃ 的最低温度。以 30 min 这个时间点为分界，制冷系统在前 30 min平均降温速率为 5.3℃min-1，而在后 90 min 的平均降温速率则骤降到 0.1℃ min-1，这主要是由于制冷温度已十分接近系统所能达到最低温度，因而制冷性能严重下降。因此，在运用混合工质制冷系统制取所需低温时，应该选用能够制取更低温度的混合工质，避免制冷系统在接近最低温度的温区附近运行，以此保证制冷系统的制冷性能。
.....

结论

本文对混合工质在钎焊板式换热器中的两相流动及传热过程进行了实验研究和理论计算分析，得到了预测准确的两相摩擦压降及传热系数经验关联式。此外，为了解决混合工质液相积存造成的两相浓度滑移带来的混合工质制冷系统运行控制难题，本文提出了一种新型的混合工质运行浓度优化调整策略，能够根据混合工质制冷系统实际运行参数，对混合工质运行浓度进行精确调整。然后，根据该策略获得正丁烷/乙烷/甲烷三元混合工质适合的充灌量，并对该充灌量下的混合工质制冷系统降温特性进行了研究和分析。本文所得的主要结论如下：（1） 在实验工况下，对于混合工质在钎焊板式换热器中的两相压降而言，进出口压降、重力压降及加速压降占比很小，几乎可以忽略不计，两相摩擦压降是其最主要部分。混合工质流动沸腾压降在 2~25 kPa 范围内，而冷凝压降在 2.5~13 kPa 范围内。当板式换热器中的流动沸腾压降约为冷凝压降的2倍；但当制冷系统在低温工况下运行时，混合工质制冷系统在高温工况下运行时，混合工质循环质量流量较大，混合工质在钎焊合工质循环质量流量较小，混合工质在钎焊板式换热器中的流动沸腾压降与冷凝压降相差不大。

.....

参考文献（略）

本文编号：239549