目录目录摘要IIIABSTRACTIV第一章绪论11.1 课题的提出11.2 制冷剂的替代41.3 国内外对HCFC22替代技术的研究61.4 主要工作和内容9第二章 制冷工质的热力性质计算112.1 引言112.2 混合制冷剂的特点112.3 状态方程的选取122.4 CSD状态方程142.5 单工质热力性质计算152.6 混合工质热力性质计算17第一章 前言1.1 背景自美国工程师考布兰于1918年发明了世界上第一台家用电冰箱及1929年氟利昂12发现之后，电冰箱就成为人民生活中不可缺少的生活用品。随着现代人民生活水平的进一步提高，人们对各种制冷家电，特别是对电冰箱的需求亦越来越大，制冷行业（特别是冰箱行业）得到了迅速地发展。日本电冰箱的年产量早在在八十年代初，就已到达400万台左右。目前，国内电冰箱生产厂也有近百家之多。随着新材料、新工艺的不断革新与完善，制冷技术及自动控制技术的飞速发展，制冷行业各种产品的竞争日趋激烈。电冰箱的发展日新月异，电冰箱市场的需求变化也越来越快【1、2】。同时，人们对电冰箱的性能也提出了更高的要求。这就摆在冰箱生产厂家面前一个新的问题：怎样才能使自己的产品在市场中具有更大的竞争能力？怎样才能使自己在竞争日益激烈的市场中继续生存和发展？这就要求生产厂家必须加快新产品的开发与研制，缩短新产品的开发周期，同时能够保证新产品的设计性能。而现在国内的有些冰箱厂家为了满足市场的需求，开发一个成熟的新产品，达到设计的性能指标，就不得不对试制的样机进行一次又一次的实验，同时对冰箱各个部件进行调整，以期达到设计的性能要求，从而造成冰箱的设计、生产周期较长，影响了生产厂家在市场中的竞争。我们在上海某冰箱厂调研时，据该厂制冷系统的设计工程师介绍，他们厂的大部分冰箱型号均是在已有产品的基础上，针对某种功能或设计性能要求进行改进、试制、实验，而后对冰箱某些部件调整。如此反复，直至性能达到设计要求。这样势必造成生产成本升高、生产周期过长，且冰箱类型较为单一，从而影响了产品在市场上的竞争力。随着人们对冰箱的智能化要求及自控、计算机技术的发展，许多冰箱厂家在自己的产品上增添了电脑控制装置。这要求设计人员必须了解冰箱的运行特性，在此基础之上，才能实现冰箱运行的自控制。如果在冰箱的设计阶段不深入研究冰箱的运行机理，不与计算机技术相结合，仅仅依靠原有的设计手段，冰箱运行的自控制（冰箱智能化）就无从谈起。计算机技术的迅速发展和电冰箱实际生产的需要，使得冰箱CAD（计算机辅助设计）应运而生。一般来讲，一套完整的冰箱CAD系统具有以下几个功能：1. 1.建立相应的数据资料库，如压缩机性能库、换热器性能库等以及专家系统；1. 2.可以进行交互式冰箱制冷系统的热力计算；1. 3.可进行制冷系统耗冷量的计算及制冷系统主要部件（压缩机、蒸发器、冷凝器和毛细管等）的设计计算；1. 4.可进行制冷系统的整体校核计算；1. 5.能够对设计工况进行仿真；1. 6.利用相应的绘图软件，进行两维和三维图形的绘制。国内、外已有关于制冷系统CAD方面的报道。文献【3】概述了一种冷藏库总体CAD系统的实现方案。文献【4】则是CAD系统在制冷设计方面的具体应用。文献【5】介绍了速冻装置CAD系统的实现。文献【6】介绍了一种冰箱部件毛细管的计算机辅助设计方法。文献【7】是专门针对冰箱制冷系统CAD的研究报道。毫无疑问，对冰箱制冷系统的计算机辅助设计，可以大大节省新型电冰箱的研制费用，缩短研制周期，减轻设计人员的工作负担。但是，冰箱制冷系统计算机辅助设计应建立在什么的基础之上才是正确的呢？如何才能使CAD系统对冰箱的设计生产有实用价值呢？这就涉及到冰箱CAD系统的关键与核心冰箱制冷系统设计方法的研究。对冰箱CAD系统来说，不仅仅是简单的将冰箱结构设计出来，还要能够对设计出来的冰箱进行性能预测。比如，压缩机的开、停机时间（这就牵涉到冰箱的耗电量，而这也正是厂家和用户最关心的），冰箱的冷却速度、冷冻能力（产品是否合格）等。所以，一定要对冰箱制冷系统的设计方法进行认真地研究，深入探讨冰箱的运行特性，在此基础之上开发出的冰箱CAD系统，才能真正对厂家的实际设计生产起到指导作用。1.2 冰箱制冷系统设计方法综述当前，制冷系统的设计方法主要有两种。一种是传统的设计方法，即所谓的静态设计方法，它主要是考虑冰箱制冷系统处于稳定工作时的参数匹配。这种方法的主要优点是：模型简单，易于计算，同时，设计出的产品其性能基本能满足要求。目前，大多数的生产厂家均是采用这种传统的设计方法。从制冷设计的各种手册到教材，亦只有静态分析，在讨论制冷设备的参数时，总是把参数视作是集中参数，例如蒸发器、冷凝器的管内放热系数、过热温度、过冷温度，管壁壁温总是取为常值。显而易见，这是不符合实际情况的。实际的制冷过程是一个动态过程，状态参数、物性参数等不是恒定的，是分布参数，是与物理位置、时间有关的函数。制冷系统中工质的状态、部件的温度分布都是不断变化的，用传统的静态设计方法，仅仅是反映了冰箱实际运行的一种特殊情况，即设计工况下的稳定运行。冰箱实际运行时，大都工作在这种情况下。但是，如果要对冰箱的运行进行控制，特别是实现冰箱的“智能化”，采用原有的静态设计方法就不够了。从事制冷工作的学者、工程师早已注意到这方面的问题，从七十年代开始，就从不同角度对传统的设计方法进行改进，并形成了一门应用计算机工具，以制冷理论、传热学与流体力学、自控原理及计算方法为基础手段的新学科：制冷系统热动力学。挪威NTH研究所早在七十年代末就明确提出，要把制冷装置热动力学作为八十年代重要的课题进行研究【8】；前苏联对此方面的研究亦开始的较早，1978年起就有涉及该领域的著作【9】；前西德自八十年代开始投入力量进行这方面的研究，前东德亦有人从事数学模拟方面的工作【10、11】；荷兰人对蒸发器和热力膨胀阀作了专门的研究，但其数学模型较为粗糙【12】；日本学者在该领域的研究工作起步较晚，但进展很快，1983年起，开始有此方面的文章发表，大都是关于制冷装置各部件的动态特性试验研究【13、14、15】。同时，美国、澳大利亚等国亦竞相投入开始了这方面的工作【16、17】。从这几年发表的文献来看，国外已开始将理论研究与实际应用相结合，并取得了一定的成效。有文献报道，新西兰已建立了可进行实际运用的程序包【4】。该程序包含几大块程序，可以分别用于制冷系统的稳态分析、动态模拟等，并将其用于肉类加工厂，取得了较好的效果。文献【18】建立了供热、通风、空调系统的一般模型，在探讨微分方程解法的基础上，将此模型用于一个1000吨的冷库上，取得了较好的效果。我国从八十年代初期开始了这一领域的研究工作。文献【19】首先在国内提出了制冷系统热动力学的概念，指出制冷系统的优化设计要以动态理论为指导，并以此为基础给出了制冷系统四大部件蒸发器、冷凝器、节流阀和压缩机的数学模型和微分方程。文献亦同时指出，其建立的模型还不完善，需要作进一步的研究和修正。其他还有一些专门针对小型制冷系统此方面的研究报道。文献【20、21】是针对小型制冷系统的动态研究，文献【22、23】则是针对不同制冷工质小型制冷系统的动态研究。总的来说，第二种方法就是以制冷系统热动力学为理论基础，进行制冷系统的设计计算。该方法主要是用以下三个基本观点来进行制冷系统的设计：1. 1.动态的观点，视所有参数均是时间的函数；1. 2.分布参数，视各参数又是物理位置的函数，可以是一维分布参数，也可是二、三维参数；1. 3.参数间有一定的相互关系。应用上述三个基本观点，按照一般数学模型的推导方法，简化次要因素，作一些必要的假设，然后利用能量、质量及动量守恒等基本定律导出冰箱制冷系统的数学模型，再作线性化等数学加工，对电冰箱部件足够小的“微元”内部采用集中参数或线性分布参数代替分布参数。（“微元”的步长视计算精度及所用计算机容量和速度而定；此外，步长还和差分网格计算的稳定性与收敛性有关）。有关电冰箱制冷系统此方面的研究和探讨，国内、外亦有不少报道。文献【24、25、26】是国外学者在制冷系统热动力学理论基础上，针对家用冰箱系统的研究。国内的报道中，文献【27、28】主要集中在蒸发器和毛细管的动态特性及匹配特性研究上。文献【29】对冰箱的保温层模型进行了研究。在文献【30】中，作者以动量、能量、质量守恒方程和传热方程为基础，给出了直冷式电冰箱冷冻、冷藏箱温度场的微分方程组。虽然在该微分方程组中，体现了时间因素的影响，但给出的解亦只有某一时刻的温度场分布。作者称，要作进一步的研究。文献【31】则在直冷式电冰箱制冷系统模拟的基础上，对其冷冻箱内部三维温度场、速度场进行了计算模拟。而文献【32】是针对间冷式电冰箱系统动态特性的研究，从间冷式冰箱的部件关联，到各部件数学模型的建立，都有详尽的分析。文献【33】是对间冷式冰箱风道阻力特性及流量分配的研究，文献【34】则是针对间冷式冰箱空气流道计算方法的研究。可以看出，前人对于冰箱制冷系统的设计方法已经作了大量研究，取得了不少的成果。1.3 本文所从事的工作从前人的研究我们可以发现，制冷系统热动力学的发展对冰箱制冷系统的设计计算有着很大的指导作用。但我们同时也应看到，尽管国内、外的学者都对其模型作了简化，建立的微分方程仍较为复杂。尤其对间冷式冰箱来说，其制冷过程是一个融合流动、传热、传质的复杂过程，热力参数是时间和位置的函数，而且参数间是相互关联的。间冷式冰箱制冷系统的复杂性决定了建立符合实际情况的数学模型是较为困难的。从另一方面来讲，传统的设计方法历经制冷工作者的近百年发展和完善，已经非常成熟。他们对制冷系统的各个部件进行了广泛而深入的研究，取得了大量的有益成果。理论分析表明该方法有其不足之处，但由于冰箱一般都是工作在稳定运行的工况下，所以采用此方法进行设计，冰箱性能亦能得到保证。本文进行的研究，便是希望在传统稳态设计的基础上，针对间冷式冰箱的设计计算，将间冷式冰箱部件的实测性能曲线代入到设计计算中去，以使冰箱设计更为贴近实际。同时通过试验与理论分析，建立起间冷式冰箱的性能预测模型，并对模型进行简化，从而对设计的间冷式冰箱其所具有的性能作出较为接近实际的预测，为冰箱厂家的设计和生产提供一定的依据。并在此基础上，开发出一套能够对间冷式冰箱进行性能预测的CAD系统。同时也希望本文的研究成果能够为中国制冷行业的发展贡献力量，亦能起到抛砖引玉的作用。本文主要完成了以下几方面的工作：1.间冷式冰箱设计方法的研究。将间冷式冰箱的主要部件，如压缩机、风机等的实测性能，代入到冰箱的设计过程中去，进行整体的考虑与设计。2.间冷式冰箱性能预测的研究。结合间冷式冰箱的设计，建立间冷式冰箱性能预测模型，对设计的冰箱其所具有的性能进行预测。3.间冷式冰箱性能实验及实验数据的处理、结果分析。4.计算程序的编制（采用FORTRAN77编写）及冰箱CAD系统的实现（计算机辅助设计程序采用Microsoft Java 1.0编写）。第二章 间冷式冰箱设计本文所从事的冰箱设计工作分为两部分，即设计计算和校核计算。校核计算是建立在设计计算基础之上的，因此本文将详细介绍冰箱的设计计算，对于冰箱的校核计算仅作简单的说明。笔者已用FORTRAN77将所有的计算编制成程序【53】，并在每节的最后附上设计或校核计算的程序框图。本节设计中所用到的数据，若非特殊说明，均来自本文第四章的实验。2.1 冰