三级复叠式制冷系统性能匹配实验研究
分类号天津商业大学密级硕士研究生毕业学位论文姓名高文全年级七级专业制冷及低温工程研究方向制冷系统优化及节能技术论文题目三级复叠式制冷系统性能匹配实验研究导师申江完成日期二。一。年五月天津商业大学三级复叠式制冷系统性能匹配实验研究
研究生直塞全导师史堑天津商业大学机械工程学院二。一。年五月学位论文独创性声明本人所撰写的学位论文是在指导教师的指导下独立完成的研究成果。除已明确标注或得到许可外所撰写的学位论文中不包含他人已申请学位或其他用途所使用过的成果不包含其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果本人的指导教师对此进行了审定。对本文的研究做出重要贡献的个人或集体本人已在文中做出明确的说明并表示谢意。如有不实本人承担相应责任。学位论文作者签名同肌钞矿月‖同学位论文及研究成果使用授权声明本人同意授权天津商业大学以非赢利方式保存、使用本人的学位论文的电子版及纸质版。授权天津商业大学将本论文的全部内容或部分内容提供给有关方面编入《中国学位论文全文数据库》、《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》、《天津商业大学博硕士学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅或借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。本人在校期’日取得的研究数据、相关成果等知识产权归天津商业大学所有。注涉及保密的学位论文在解密后适用本授权。学位论文作者签名孓萝日期砂矿蜥日摘要摘要目前由于特殊行业的需求复叠式制冷机已得到了广泛的应用。低温应用涉及航空航天工业的模拟环境试验金属制品、电子元件的低温可靠试验冶金产品的调质医疗、制药等部门保存移植器
官、血液化学产品生产与提纯等领域。复叠式制冷循环与双缴压缩制冷循环相比具有更高的吸气压力更高的压缩机效率和更低的蒸发温度。因此复叠式制冷在蒸发温度。以下具有较高的应用价值是很有发展前途的制冷系统。复叠式制冷机在我国的研究和应用才刚刚起步研究主要集中在共沸工质和自然工质性能这两个方面。为了能够获得较高的制冷系数对于经典复叠式制冷循环系统来说系统性能匹配的研究具有一定价值。本文在复叠式制冷系统中采用、、工质对系统进行了理论分析和实验研究。研究内容主要有以下几个方面对系统性能进行了理论分析认为瓜复叠式制冷系统存在最优的中间温度即当三个压缩机的压缩比大致相等时此时的温度为最佳中间温度系统的制冷系数最大。在??区间时的制冷系数明显高于依的制冷系数。当冷库内温度从开始降至?的过程中在库内温度降至?前爪制冷系数最高。在冷库内温度为?时瓜、、瓜、瓜、的制冷系数依次降低。所以、依更适合做三级复叠系统的制冷剂。在降温过程中刖瓜复叠式制冷循环性能系数和制冷量先升高后降低在??时达到最大值。在实验研究的同时发现了系统运行中的一些问题有待于在后续的研究工作中进一步完善。关键词经典复叠刖性能匹配实验研究
。
一。。
目录目录第一章前言……………………………………………………………………………………………………选题背
景……………………………………………………………………………………………
低温的定
义……………………………………………………………………………………低温制冷系统形式和研究现状………………………………………………………………复叠式制冷系统的介
绍………………………………………………………………………………研究现状………………………………………………………………………………………………低温制冷剂替代物研究的现状和发展趋
势…………………………………………………常用低温制冷剂替代物类制冷剂的性能和研究现状…………………………………本课题的研究内
容…………………………………………………………………………………一第二章三级复叠式制冷系统模
拟……………………………………………………………………………实验系统各设备数学模型…………………………………………………………………………冷
凝器模块…………………………………………………………………………………冷凝蒸发器模块……………………………………………………………………………一压缩机模块…………………………………………………………………………………回热器模块…………………………………………………………………………………节流阀模块……………………………………………………………………………………压缩机排气冷却器模块……………………………………………………………………三级复叠系统整体模型算法设
计…………………………………………………………………一三级复叠系统模拟分析………………………………………………………………………………中间温度的选取对系统制冷系数的影响…………………………………与的重叠温区的制冷系数比较………………………………不同制冷剂对三级复叠系统制冷系数的影响……………………………………………一第三章三级复叠制冷试验系统设计与搭建…………………………………………………………………实验系统整体设计…………………………………………………………………………………一系统部件设计与选型………………………………………………………………………………压缩机及润滑油的选型……………………………………………………………………换热器选型…………………………………………………………………………………膨胀容器的设
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循坏都由高温侧和低温侧两个部分组成。自然复叠循环系统依靠混合工质的物理特
性.
R744-R717复叠式制冷系统的热力学分析 摘要：本文对R744-R717复叠式制冷系统的热力学特性进行了分析，目的是优化该系统的设计和工艺参数。本文中考虑的设计和工艺参数包括（1）高温氨循环中的冷凝温度、过冷度、蒸发温度和过热度；（2）复叠式换热器中的换热温差；（3）低温二氧化碳循环中的蒸发温度、过热度、冷凝温度和过冷度。基于过冷度、过热度、蒸发温度、冷凝温度和复叠式换热器中的温差建立了多线性的数学表达式，旨在得到最大的COP值，同时，得到了最优化的高温循环蒸发温度和R717与R744的质量流量的比率。 关键词：制冷系统；压缩系统；复叠式系统；氨；二氧化碳；R744；计算；性能；优化1.引言 两级式复叠式制冷系统（见图1）适合于工业应用，尤其适合于食物冷冻间蒸发温度在-30℃—-50℃的超市制冷工业。在此系统中，两个单独的制冷系统由复叠式冷凝器连接在一起。复叠式制冷系统的高温级制冷剂可以由氨（R717）、丙烷（R290）、丙烯（R1270）、乙醇或者R404A来充当。相反，二氧化碳被用于低温级循环。氨是一种易得的自然工质，但是由于其可燃性和毒性，限制了它的应用。丙烷、丙烯和乙醇的缺点是他们具有高度的可燃性。乙醇的蒸发和冷凝压力均低于环境压力，这会导致气体泄露进系统内部。然而，毒性和可燃性所带来的风险可以通过选取合适的用于超市和厂区的高温循环温度将这些风险降到最低。二氧化碳的缺点是当临界温度在31℃时，它的压力就高达7.4MPa，这为管道的设计带来了难度。因此，将二氧化碳用于低温级循环是经济可行的。 传统的直接膨胀低温制冷系统在冷凝器和蒸发器之间存在大的压差，这直接导致压缩机的压缩效率和容积效率的下降。另外，全球变暖所带来的一系列问题促使超市所有者必须采取环保的，能提供更低温度的制冷系统。因此，自然工质在超市制冷工业中的应用引起了大家的注意，尤其是以二氧化碳为低温级循环制冷剂的复叠式制冷系统最为被大家看好。例如，新西兰的奥克兰市将二氧化碳-丙烯复叠式制冷系统用于低温储存食品，虽然复叠式式制冷系统的最初安装费用要比传统R404A的单循环制冷系统高10%，但是这与复叠式系统运行中所带来的经济效益和环境效益相比是微不足道的。很重要的一点是，复叠式制冷系统能够大幅度的降低高温循环段的压缩机排气温度，因而可以增加热效率。同时，如果换热器的尺寸
近期论坛高质量文章不多，人气下降明显，版主积极性明显下降。本人正在进行硕士毕设论文阶段， 目前随着写作的进展，特分享一些里面的经验内容供各位看官评论，希望能尽一份力，为我们的论坛。由于之后本人不再从事本行业，7年来本人经验由论坛来，如今经过思索提炼正在草拟论文，想尽量 把相关精彩之处都借助论文这个方式写出来，写到精彩之处不由得想与论坛各位坛友分享。 （1）知识和经验二者之间的关系。本人毕业后从事制冷设计工作7年，校内时书本上学的各个关键理论好比一个个知识点，而实践经验相当于线。随着毕业后时间的推移，往往各个知 识点会逐渐遗忘，相信记忆再好的人，如果毕业2年内不搞相关工作，最后也仅剩下印象， 甚至忘的精光，因为没有实践经验支撑的理论早晚是会被遗忘的。而随着相关工作的进行， 在实践中，你会发现在研发设计，试验甚至失败中印证了课本上所学的一个个内容，于是 重新捡起来，回归课本、经过思考，才能真正被消化。久而久之，各个关键参数和公式算 法通过实践这条线连成串，经过自己大脑的联想、列举、归纳又横向交织成网，相互验证， 也就形成自己的一套理论体系，很难遗忘了。 （2）（2）蒸发、冷凝温度的确定。有很多人在论坛上问过我蒸发温度和冷凝温度是如何限定的，与环温的关系又是怎样的。很多从事了多年维修的师傅由经验反推理论，常常关注蒸 发、冷凝温度，根据表测得的参数去反推进行系统设计，这其实是错误的。制冷系统的蒸 发温度和冷凝温度是根据热源和热汇温度确定的，而不是相反。而热源、热汇的温度并不 是人为规定的，热源是由被冷却物质所需要的温度决定的，热汇是由放热端所处的环境温 度（冷却水温度）决定的。而我们所能做的，就是根据以上条件设计制冷系统，即根据允 许的换热面积和氟、水、空气侧状况匹配经济性温差进而求得蒸发、冷凝温度。由于很多 种热源、热汇温度下又存在关联或相似性区间，所以我们又把各个热源热汇划分出区间进 行归纳，方便不同区间相关配件的选配，如T1、T2、T3等工况。这里举个例子就是由卡 诺定理，理论上制冷系统的制冷系数为： Snap1.jpg(2.37 KB, 下载次数: 112) 可以看出低温热源温度越高，高温热汇和低温热源温差越小，制冷系数越大。某些厂家为 了提高制冷系数，随意改变工况或为了使蒸发、冷凝温度更接近热源、热汇温度，不惜成 本的成倍加大换热面积从而减小换热温差，这也就是目前小压缩机配大换热器的例子比比 皆是的原因。需要说明的是，确定热源、热汇温度后综合考虑经济性温差进而合理的匹配 换热面积才符合我们科学设计的原则。 （3）压缩机汽缸容积与系统制冷量的关系。在给定的制冷系统里，很多参数都是随着工况变化的，很多人问我设计的根源是什么，从哪出发。这就要首先找到一个不变量。对于一台已有的制冷压缩机来说，在制冷系统中，理论输气量Vh为定值，它也是我们确定工况后进行系统设计的出发点。 Snap1.jpg(2.58 KB, 下载次数: 36) 其中n为压缩机电机转速，对于50Hz的两极电动机来说，转数在2830rpm，i指压缩机汽缸数，Vp为 汽缸容积。具个例子，已知某汽缸标称容积为7.4cc的转子压缩机在T1工况下（To=7.2℃、过热11K;
氨/二氧化碳复叠制冷系统的优越性 CO2制冷剂 CO2属于天然工质，常温下是一种无色、无味的气体。作为制冷工质，CO2具有许多优势。首先，从环境保护的角度讲，CO2的ODP为0，GWP为1，远远小于CFCs和HFCs的，并且在实际中所用的CO2大多为化工副产品，用CO2作制冷剂等于延迟了这些废气的排放，这对环境是有利的。因此，CO2是一种环境友好型工质。其次，从工质的热物理性质来看，CO2与制冷循环和设备相适应。这主要表现在：①CO2的蒸发潜热大，单位容制冷量高(0℃时达到22．6MJ／m)，约为传统制冷剂的5～8倍。②CO2的运动黏度小，并且在低温时也非常小。③导热系数高，液体密度和蒸气密度的比值小，节流后各回路间制冷剂能够分配得比较均匀。CO2这些优良的流动和传热性能，可显著缩小压缩机和系统的尺寸，使整个系统非常紧凑。另外，CO2化学稳定，无毒无害，不可燃，高温下也不会分解出有毒气体，并且CO2价格便宜，容易获取，具有优良的经济性。 NH3制冷剂 NH3与CO2同属于天然工质，其在制冷工业中的使用直至今日已达120年之久。NH3作为制冷剂的优点可以归纳为：①对环境友
好，0DP=0，GWP=0。②具有优良的热力学性质，其单位容积制冷 量较传统的氟利昂制冷剂大，0℃时达到4360 kJ／，这就意味着获得相同冷量的氨制冷系统可以采用较小尺寸的压缩机和换热器，功率消耗也较小。③价格便宜，容易检漏。NH3 制冷剂的最大不足之处是具有中等程度的毒性并且可燃。但由于氨 有强烈的刺激性气味，当空气中浓度达5×10时就能闻到。因此，一旦有微小泄漏就会被及时发现，并且这一浓度远低于氨的着火浓度。另外，氨比空气轻，很容易上升从建筑物顶部逸出室外，氨溶 于水，能很快被水吸收，这一性质可用来消除空气中的氨蒸气，大 大减少事故的发生率。100多年的历史经验表明，氨的事故率是很 低的。其次，氨和普通润滑油不相溶，这给氨制冷机的润滑带来了 困难。蒸发器须采用满液式蒸发器，导致NH的充注量增加。为了解决这一问题，目前已研制出能溶于氨的合成润滑油。 NH3／CO2复叠式制冷系统热力性能分析 NH3/CO2复叠式制冷循环的性能系数C0P与冷凝温度、蒸发温度以及中间温度有关。所谓中间温度是指高温级的蒸发温度和低 温级的冷凝温度，即蒸发冷凝器的平均温度。若低温级的冷凝温度 降低，则低温级的性能系数增大，而高温级的性能系数减小。目前，国内所进行的关于NH3/CO2复叠式制冷系统的热力学模拟计算表明：在同一冷凝温度和蒸发温度下，复叠式两级低温制冷系统存在一个
高低温试验箱复叠式制冷系统的故障判断 1复叠式制冷机组的快速故障判断 1.1 复叠式制冷循环 工业生产和科学实验要求的-60℃～-100℃的低温环境，一般通过复叠式制冷机组实现。图l所示为采用R404A和R23的复叠式制冷系统示意图。它由两个单级压缩系统组成，高温级采用R404A，低温级采用R23为制冷剂，高温级制取了冷量供低温制冷循环冷凝用。可见，复叠式制冷系统是由压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀以及许多的设备附件所组成的相互联系而又相互影响的两套的复杂系统。因此，一旦制冷设备出现了故障．不应把注意力仅仅集中在某一个局部或某一级上，而是要对整个系统进行全面检查和综合分析。这就需要实践经验的积累和理论的指导。通过长期实践的总结，摸索出不少检查故障的经验，归纳成复叠式制冷机组的“一看、二听、三摸”快速检修基本方法。 1.2“一看、二听、三摸”的内容 1.2.1一看 就是看压力表和温度表的指示值，看润滑油量看蒸发器与吸气管的结霜情况。 在风冷机组中，高温级高压表指示值为：10~14bar；低压表指示值为：0.5～lbar。低温级高压表指示值为：10～14bar；低压表指示值为；0.8～-0.8bar。在水冷机组中，高温级高压表指示值为：8～12bar；低压表指示值为：0.8～0.5bar。低温级高压表指示值为：lO～14bar；低压表指示值为：0.8~0.5bar。看压缩机曲轴箱内的润滑油应处在油面指示值所规定的范围内波动。 压缩机组的回霜：高低温试验箱工作室内温度在0℃左右时，高级压缩机组的回霜以回到压缩机迸气截止阀时为正常；当温度箱工作室内温度降到-25℃左右时，低级压缩机组的回霜以回到压缩机进气截止阀时为正常，如有差异表明氟利昂注入量少。 高低温试验箱工作室内降温速度，若降温速度比平时正常运转时有显著的减慢则属不正常现象。高温级膨胀阀，从进液口到出液口，中间有明显的霜分界线为正常；分界线在进液口处膨胀阀有堵塞，要对膨胀阀的过滤器进行清洗。 低温级膨胀阀，从进液口到出液口，无中间霜分界线，但霜颗粒细白为正常，霜颗粒粗大为不正常。管路上的尘土，尘土灰白色为正常，尘土中有黑色区，说明有漏油漏气点，要进行维修。视液镜，油箱内液体为白色，说明氟利昂注 入量少，影响降温速度，有少量气泡和无气泡为正常。 1.2.2 二听 是听反映压缩机组的运行情况和反常现象，听压缩机运行的噪音情况，昕膨胀阀的喷流声。冷系统启动和正常运转时，系统发出各种声音，我们可以根据声音的不同，发现系统的故障。 1)在压缩机运转时，可以根据运行声音大小，判断压缩机的负荷大小，冷却是否正常。声音不正常时，及时停机减少故障。 2)在气缸头可以听到阀片的轻微“滴滴”的敲击声和轻微且均匀的“嚓嚓”的摩擦声为正常。 3)“通通”是压缩机液击声，即有大量制冷剂的湿蒸汽或冷冻油进入汽缸，对压缩机害处最大。 4)“嗒嗒”是压缩机内部金属撞击声。压缩机的敲击声从气缸里传出，原因主要有： (1)活塞撞击阀板； (2)活塞销与连杆小头或活塞销座之间的间隙增大； (3)阀片断裂后落在气缸中。 压缩机敲击声从曲轴箱传出有四种可能性。 (1)连杆大头轴瓦与曲轴销之间的配合间隙囚磨损而过大。 (2)前后主轴承与主轴颈之间的配合因磨损而过大。 (3)连杆螺钉螺母松动。 (4)油泵齿轮磨损后有松动。 听膨胀阀内制冷剂流动声，正常时是连续而轻微的“咝咝”声，不连续声音有强有马弓有跳动说明制冷剂量少；没有声音膨胀阀堵死，堵死后停机用开水浇阀，1~2分钟后发出爆发的“咝咝”声为冰堵，制冷剂中有水；没有声音为脏堵或膨胀阀已经坏。 1.2.3 三摸
自然复叠系统与低温制冷 韩润虎 (美国通用信号实验设备公司上海代表处 上海200233) 摘要 自然复叠制冷系统采用混合工质,用一个普通压缩机实现了-150℃甚至更低的温度。与以往采用三级复叠制冷系统的-150℃低温冰箱相比,采用自然复叠系统的低温冰箱减少了两个压缩机及相应的油分离器、干燥过滤器等附件,并使控制系统大为简化,从而提高了系统的整体可靠性。本文将详细介绍自然复叠制冷系统的原理和应用。关键词 自然复叠系统 复叠系统 混合工质 制冷 低温 Autocascade System and Low Temperature Refrigeration Abstract Autocascade refrigeration s ystems are able to make-150℃or even lower temperature with multi-refrigerants and a common https://www.doczj.com/doc/ae10857816.html,pared with the similar freezers ever used em-ploying a3-stage cascade systems,-150℃freezers employing autocascade systems cut down two compressors and the related oil separators and drierstrainers,and therefore s implify the control sys-tems and i mprove the reliability of the whole systems.Detailed introduction of the autocascade sys-tems and its application is given in the paper. 一 引言 通常,为了制取-70℃以下的低温,人们选用两级复叠(Cascade)制冷系统(图1 -a)。两级复叠制冷系统将第一级的蒸发器与第二级的冷凝器“复叠”在一起,使第二级的低温制冷剂在-35℃左右冷凝,在-80℃左右蒸发,以获得-80℃左右的温度。同理,人们曾采用三级复叠系统(图1 -b)制取-120℃以下的低温。从理论上讲,可以不断复叠下去,达到人们需要的任意低温。但随着复叠级数的增加,系统的复杂性成倍增加,而效率却在迅速下降。 自然复叠(Autocascade)制冷系统巧妙地利用了多级复叠的制冷原理,用一个普通压缩机在一个系统内实现了-150℃甚至更低温度的制冷,使多级复叠制冷系统大为简化。自然复叠制冷系统也叫多工质制冷系统(MFS,Multi-Refrigerants Sysytem),是本世纪70年代提出的,80年代末美国REVC O公司据此原理研制成功-140℃和-150℃的低温冰箱,并于90年代初投放市场。我国的一些科研单位、大学和医院陆续进口了这种低温冰箱。由于我国的制冷专业教课书等至今未见有关自然复叠制冷系统的系统介绍,影响了自然复叠制冷系统在我国的开发和应用,而RE VCO公司的技术和工艺受到专利保护,因而给这种“采用一个压缩机的-150℃低温冰箱”笼罩了神秘的面纱。 · 59 · 4/1999 制冷学报