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用于复叠温区的多元混合工质节流制冷机优化分析及实验研究公茂琼罗二仓周远中国科学院低温技术实验中心，北京18混合工质节流制冷热力循环的优化分析模型，给出了多元混合工质选配与循环运斤参数设计原则。针对于某复叠温区制冷温度进斤了优化计算，计算结果与文献中经典复叠式制冷循环的理论计算结果进斤了比较。结果表明：在采用合理选配的混合物作制冷工质时，次节流制冷循环其性能与经典复叠式制冷循环相当。在理论分析的同时，我们也进斤了相应的实验研巧，在采用1/沮，的空调压缩机驱动下，采用两种混合工质分别取得了在7°〔有20和120°〔：有1的制冷量的实验结黑综合表明：考麽到泡合工质节流制冷系统的简单性与可靠性，混合物工质次节流制冷有可能部分替代经典复叠式制冷方式。
主题词：复叠温度混合工质次节流制冷优化分析实验研充、引言自1扮4年英国人，6山，1发明了世界上第台人工制冷机抖来，制冷技术的发展迄今经有百多年的历史了。利用实际气体的节流特性进行制冷的节流制冷技术是*早使用的制冷技术之。由于采用气体节流制冷方式，系统简单可靠，所抖无论是在普冷领域还是在低温领域至今都被广泛采用。
然而，随着制冷温度的降低，木用单纯工质的节流制冷机其效率也随之降低。般说来，在制冷温度低于40°〔骑采用单纯工质的次节流制冷循环其效率经不如其它制冷循环高。在普冷领域当需要的制冷温度降到70~?120°饰，人们通常采用将两个或多个单级制冷系统姐合起来，构成复叠式制冷循环来满足更低温度的要求。可明显看出，采用复叠式制冷循环化制冷系统的复杂性及系统运行的维护要求都比单级制冷系统大。
在低温领域，采用单纯工质节流制冷系统只用于当系统的简单可靠性是主要考虑的场合中，如军事上利用高压纯氮节流来快速冷却导弹的红外制导系统，此时节流前氮气的达力要高达20~303，节流损失很大。为此，人们将目光转向采用混合物作节流制冷工质的研究上来。*近几年，采用混合物工质作节流制冷剂的研究有了很大进展。首先，采用混合物工质可使节流运行压力大大降低，目前国内外均已成功地研制出采用商用空调压缩机来驱动泥合物工质节流制冷机。另外，由于采用合理选配的泥合物工质可抖有效地改善循环高低压气流的水当量匹配，减少回热损失，从而也降低节流损失，*终提高系统效率11.在液氮温区经过优化混合物工质节流制冷循环的卡诺系数可抖达到30~40左右[3.
既然采用多元混合物工质的节流制冷系统在低温领域有了很大的进展，现在，我们考虑在复叠制冷温区制冷温度在70~ 120心苑围内，采用多元混合物工质节流是否也有所作为，本文就此问题展开研究。
二。复叠温区多忠屋合物次节流制冷循环优化设计采用多元混合物节流工质次节流加回热的?罕8011循环的巧意图见图所示。下面我们将主要从热力学角度来研巧混合物工质次节流制冷循环的优化分析。建立其优化模型。
1混合物工质次节流制冷系统示意图1.压缩机2冷却器3.油过滤器逆流热交换器5.节流阀6蒸发器2.1优化设计的主要内容从热力学角度出发采用混合物作节流工质的优化设计主要包括抖下几点内容：混合物组元的合理选择。文献[13对液氮温区混合物组元的选择进行了分析，对复叠温区混合物组元的选择其基本原则是相同的，基本是根据所要达到的制冷温度，抖组元的正常蒸发温度、凝固点来考虑各组元的取舍。在低温区可供选择的组元有：讯4.拓。3、4.村14、3等，中间温区可供选择的组元有：612、0.61化、片陆、位陆等，高温区组元可供选择的有：拒4吐0、祀5扣2怎化1.1?也。[5讯异戊二等。
由于*低制冷温度般都高于大多数组元的凝固点，在组元选择时自由度比液氮温区要大。另外要注意在选择组元时除了要考虑热力学因素外，还要考虑其化学稳定性、毒性。对大气臭氧层的破坏性。各组元之间是否有化学反应抖及来源可靠性和经济性等问题。
混合物组元的*佳配比。在混合物组元确定之后，混合物王质的配比对节流制冷机的性能将有很大的影响，配比不当节流制冷机效率肯定不高，甚至无法达到需求制冷温度。因此，*佳配比的设计是混合物工质节流制冷机的研究工作中的重要部分。*佳配比的含义就是在给定的热力条件下系统达到*大效率时的混合物组元的浓度摩尔分数。
混合物节流循环*佳运行参数。循环运行参数主要指循环高低压力，环境温度及制冷温度。通常情况下，环境温度知，给定要求的制冷温度，因此需要优化的参数是循环运行的高低压力。本文通过系统地改变循环运行高低压力，计算不同压力王况下循环的热效率，取其*大值，此时的压力工况即为*佳运行压力参数。
事实上运行参数的优化与*佳配比的优化是紧密联系在起的，是个整化对应每个运行压力工况，都存在着该压力工况下的*佳混合物配比压力王况改变混合物*佳配比随之改变。
为问题解决的方便，在可抖允许的偏差化我们作如下考虑：假定各组元摩尔浓度在循环中不会改变；不考虑在换热器内的压力损失；假定循环中无固相析出。
所抖该问题的数学模型可抖表述为：求设计变量混合物配比：使得目标函数混合物王质循环热效率：式中：节，为混合工质的理论循环卡诺系数，就混合物工质本身而言，不同的运行压力时混合物的*佳配比也会不同，另夕化比对压缩机效率有很大的影响。其计算公式如下：。，为混合物节流循环的等温节流效应邸1为混合物在初始温度了的理论绝热压缩耗功；ATinin换热器内*小传热温差；悸堑缁屎脱顾趸Σ列率后的整机系数，由文献查取；Ph、Pl分别为循环高低压力；打、而分别为制冷温度及环境温度；为空调压缩机的容积效率，文献4给出了国产活塞式空调压缩机的容积效率市的经验关联式：市=化940.085 [扣/化/?口是混合物绝热指数。
该优化问题具有约束条件如下：是泥合物/组元的摩尔浓度。
至此，可看出该问题属于非线性有约束条件的*优化问题。从问题的性质出发，我们采用复合形优化算法进行计算。复合形优化算法的基本思想是：在非线性有约束的维设计空间化选取站个符合约束条件的变量即个顶点构成复合形，然后对复合形的各顶点函数值逐进行比较不断地丢掉*坏点，代之抖即能使目标函数有所改进，又满足约束条件的新点，逐步调向*优点。该方法的详细说明可抖参见文献玄气三混合工质节流循环与复叠式制冷循环理论性能比较复叠式制冷循环是用两种或两种抖上不同的制冷剂，由两个或两个抖上单级制冷系统组合而成。为了比较多元泥合物质工质次节流制冷循环与复叠制冷循环的性本文举例进行说明。
文献[4对某制冷工况采用复叠式制冷循环进行了理论热力计算，具体如下被冷却对象为泌°[实际制冷温度按88吃计算的工作室，采用两级复叠式制冷系统，高温级采用陪2单级制冷，低温级采用3单级制冷。陪2冷凝温度为巧口环境温度30它。采用复叠式制冷循环的计算结果如下：613蒸发温度为88°与选取高温部分腹2蒸发温度为35°与低温部分3冷凝温度为30°，即么=5心实际制冷系数为0.42详细计算说明见文献4].
现在采用多元混合物王质次节流制冷循环来实现同样的制冷要求，对其进行优化设计，环境温度与制冷温度相同：组元选择：低温区可选择组元为：或4中间温区组冗为[巧6或〔巧局温区组元为担出1或拒5社2.在此，我们共组成兰种泥合物，第种抖下记为晰。1由4、〔2及作4吐0组成第二种抖下记为抓。2由t4、创山及拒4托组成；第云种W下记为No.3由4、2ft、化、1础及拒52组成。
循环优化计算：运行压力选择范围：高压为1.52.04低压为化1.3.在上述条件下进行来优化泥合物配化考虑实际因素，设定换热器*小传热温差为3°海扑憬峁肀。
由表1可看出师。3混合物工质的制冷系数为化41占复叠式制冷循环实际制冷系数的97.2，性能上经非常接近复叠式制冷循环，考虑到次节流制冷循环的简单可靠性，在某些实际应用场合中，可采用多元泥合物王质制冷循环代替复叠式制冷循环。种混合物工质的烙温图见图二。
1混合物工质次节流制冷优化计算结果组分摩尔成分巧。No.3巧合物巧涅困四、多元混合王质节流制冷机实验研究我们前面介绍了采用混合物工质节流制冷来达到复叠温区的设计方案并与传统的复叠循环制冷机系统进行了理论比较。
根据上述设计方案我们针对撕~ 120°鼠区相应进行了些实验研究，初步取得了些结果。
实验条件：压缩机：由额定输入功率为1/3邸的空调压缩机改装，采用空气冷却。
逆流热交换器：采用自行设计制作的新型多孔板换热器，我们经取得了该种形式混合物工质的拾温图器采用聚氨醋发泡保温。
制冷工质：混合物工质由前面提出的选择原则，根据不同制冷温度相应调整，配比采用自编制优化计算软件计篇同时根据实验设施的实际情况相应调整。
常小巧紧凑。
图云给出了部分实验温度及有效负荷曲线，3为采用种组元组成的温合工质进行的实验研究，在撕°取得了lOW的制冷量，在70°Q时制冷量为20Wb是采用四种组元组成的混合工质的实验结果，在?1泌°〔制冷量有11斯的制冷量°[时制冷量为16.
的换热器实用新型专利。蒸发器及换热混合工质节流制冷机实验温度及负荷曲线[、讨论制冷温度，通常是采用复叠式制冷循环方式。般来说，复叠循环制冷系统比较复杂，从设计制造到生产维护都需要比较多的投入。本文提出了种新的思路即采用多元泡合物工质次节流回热制冷循环来满足这要求。也就是说，用低温领域的制冷方式来满足普冷领域的制冷要求。通过前面的理论计算分析，我们可抖知道，多元混合物工质次节流制冷循环效率经非常接近复叠时制冷循环的效率。由于采用单台油涧滑的空调压缩机驱动的多元混合物工质制冷系统，其系统构成简单其关键的成硬件只有兰部分：1空调压缩机，根据制冷温度要需适当加润滑油过滤系统。
冷却器，由于多元海合物工质在从压缩机出口温度到被冷却到环境温度的该温区内基本处在气相几乎没有相变潜热，因此冷却器负荷远远少于空调系统及冰箱系统，相应的冷却器的尺寸很小。
回热器，根据不同需求场合，可抖采用相应的成熟的间壁式逆流热交换器来实现。
上述器部件都是比较成熟的产品，因此该制冷系统可抖很容易地实现。另外，用于组成混合物工质的各组元里昂类或轻类也都是比较容易得到的化王产品而且对环境无破坏作用。总、的来说，多元混合物王质节流制冷系统与复叠式制冷系统相比简单可靠。因此，在很多场合采用空调压缩机驱动的混合物王质节流制冷系统都较复叠式制冷系统优越。
在本文实验王作中，在采用不同的混合物工质，在相应运行压力条件下分别取得了在120有1酉的制冷量，和70°3有20W的制冷量的结果。相应的实验工作表明采用单级油润滑空调达缩机驱动的多元泥合物工质节流制冷机完全可抖应用与复叠制冷温区，制冷系统的生产维护都远比复叠循环制冷系统简单可靠。本实验所制作的节流制冷机小巧紧凑，特别适用于低温医疗、低温电子领城具有广阔的应用前景。
本文实验结果是初步晚只实验了两种混合物工质的性舱从这两种混合物王质实验结果来看，实测性能达到理论计算的30 ~50.另外，整个实验系统在换热器效率、及制冷器的绝热保温方面还有潜力可挖掘，结果还可抖得到进步的提高。
1罗二合。液氮温区混合物工质节流制冷机的工作机理与实验研究。中国科学院低温技术实验中屯博±论公茂琼、罗二合、周远。液氮温区混合物工质Jl，节流制冷机热力循环优化分析。第四届全国化温王程大会论文集，化温工程1999年第4期，?18罗二合、周通。混合物节流制冷机的优化原理，化温与超宗1996李松寿等著。制冷原理与设备。上海，上海科学技术出版社，巧游年，1，42?巧万耀青、梁庚荣。陈志强。*优化计算方法常用程序汇编。北赢工人出版社巧83年，1.258?1.2巧9二仓、公茂琼、周远，种新结构的微型多孔板热交换器中国实用新型专利，专利号：之1广顺德市新雅空调设备有限公司系列产品筒介顺德新雅空调设备有限公司是中国制冷学会团体会员，是中央空调后置设备的专业生产厂家。设备先进，技术力量雄厚，专业性强，生产工艺精密。现公司主要有如下系列产品：、风机盘管。本系列产品汇集了国内外同类产品的优点，经精必设计而成。电机采用低噪声H速电容运转式电机，配W进高精度低噪声含油滚珠轴承无需添加涧滑油，风机采用金属高效小型低噪声离如风机，风轮经严格的动、静平衡调整。换热器选用了优质的铅错及紫铜管，由美国妖生产线加工而成。机组外壳均优质锻鲜钢板制造。产品具有外型美观，换热效率高、噪音低、维修保养方便。节能。运行平稳可靠等优点。产品经国家检测中屯、测定技术性能均达到化/了42扮91标准。本产品广泛用于宾傲办公楼。商场、医院、展览馆、王厂等建筑的中央空调系统的末端装置，多年来深受用户好评。
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