目錄目錄.摘要.IIIABSTRACT.IV第一章緒論.11.1課題的提出.11.2制冷劑的替代.41.3國內外對HCFC22替代技術的研究.61.4主要工作和內容9第二章制冷工質的熱力性質計算.112.1引言.112.2混合制冷劑的特點.112.3狀態(tài)方程的選取.122.4CSD狀態(tài)方程.142.5單工質熱力性質計算.152.6混合工質熱力性質計算.17第一章前言1.1背景自美國工程師考布蘭于1918年發(fā)明了世界上第一臺家用電冰箱及1929年氟利昂12發(fā)現(xiàn)之后，電冰箱就成為人民生活中不可缺少的生活用品。隨著現(xiàn)代人民生活水平的進一步提高，人們對各種制冷家電，特別是對電冰箱的需求亦越來越大，制冷行業(yè)（特別是冰箱行業(yè)）得到了迅速地發(fā)展。日本電冰箱的年產量早在在八十年代初，就已到達400萬臺左右。目前，國內電冰箱生產廠也有近百家之多。隨著新材料、新工藝的不斷革新與完善，制冷技術及自動控制技術的飛速發(fā)展，制冷行業(yè)各種產品的競爭日趨激烈。電冰箱的發(fā)展日新月異，電冰箱市場的需求變化也越來越快【1、2】。同時，人們對電冰箱的性能也提出了更高的要求。這就擺在冰箱生產廠家面前一個新的問題：怎樣才能使自己的產品在市場中具有更大的競爭能力？怎樣才能使自己在競爭日益激烈的市場中繼續(xù)生存和發(fā)展？這就要求生產廠家必須加快新產品的開發(fā)與研制，縮短新產品的開發(fā)周期，同時能夠保證新產品的設計性能。而現(xiàn)在國內的有些冰箱廠家為了滿足市場的需求，開發(fā)一個成熟的新產品，達到設計的性能指標，就不得不對試制的樣機進行一次又一次的實驗，同時對冰箱各個部件進行調整，以期達到設計的性能要求，從而造成冰箱的設計、生產周期較長，影響了生產廠家在市場中的競爭。我們在上海某冰箱廠調研時，據該廠制冷系統(tǒng)的設計工程師介紹，他們廠的大部分冰箱型號均是在已有產品的基礎上，針對某種功能或設計性能要求進行改進、試制、實驗，而后對冰箱某些部件調整。如此反復，直至性能達到設計要求。這樣勢必造成生產成本升高、生產周期過長，且冰箱類型較為單一，從而影響了產品在市場上的競爭力。隨著人們對冰箱的智能化要求及自控、計算機技術的發(fā)展，許多冰箱廠家在自己的產品上增添了電腦控制裝置。這要求設計人員必須了解冰箱的運行特性，在此基礎之上，才能實現(xiàn)冰箱運行的自控制。如果在冰箱的設計階段不深入研究冰箱的運行機理，不與計算機技術相結合，僅僅依靠原有的設計手段，冰箱運行的自控制（冰箱智能化）就無從談起。計算機技術的迅速發(fā)展和電冰箱實際生產的需要，使得冰箱CAD（計算機輔助設計）應運而生。一般來講，一套完整的冰箱CAD系統(tǒng)具有以下幾個功能：1.建立相應的數(shù)據資料庫，如壓縮機性能庫、換熱器性能庫等以及專家系統(tǒng)；2.可以進行交互式冰箱制冷系統(tǒng)的熱力計算；3.可進行制冷系統(tǒng)耗冷量的計算及制冷系統(tǒng)主要部件（壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器和毛細管等）的設計計算；4.可進行制冷系統(tǒng)的整體校核計算；5.能夠對設計工況進行仿真；6.利用相應的繪圖軟件，進行兩維和三維圖形的繪制。國內、外已有關于制冷系統(tǒng)CAD方面的報道。文獻【3】概述了一種冷藏庫總體CAD系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。文獻【4】則是CAD系統(tǒng)在制冷設計方面的具體應用。文獻【5】介紹了速凍裝置CAD系統(tǒng)的實現(xiàn)。文獻【6】介紹了一種冰箱部件毛細管的計算機輔助設計方法。文獻【7】是專門針對冰箱制冷系統(tǒng)CAD的研究報道。毫無疑問，對冰箱制冷系統(tǒng)的計算機輔助設計，可以大大節(jié)省新型電冰箱的研制費用，縮短研制周期，減輕設計人員的工作負擔。但是，冰箱制冷系統(tǒng)計算機輔助設計應建立在什么的基礎之上才是正確的呢？如何才能使CAD系統(tǒng)對冰箱的設計生產有實用價值呢？這就涉及到冰箱CAD系統(tǒng)的關鍵與核心冰箱制冷系統(tǒng)設計方法的研究。對冰箱CAD系統(tǒng)來說，不僅僅是簡單的將冰箱結構設計出來，還要能夠對設計出來的冰箱進行性能預測。比如，壓縮機的開、停機時間（這就牽涉到冰箱的耗電量，而這也正是廠家和用戶最關心的），冰箱的冷卻速度、冷凍能力（產品是否合格）等。所以，一定要對冰箱制冷系統(tǒng)的設計方法進行認真地研究，深入探討冰箱的運行特性，在此基礎之上開發(fā)出的冰箱CAD系統(tǒng)，才能真正對廠家的實際設計生產起到指導作用。1.2冰箱制冷系統(tǒng)設計方法綜述當前，制冷系統(tǒng)的設計方法主要有兩種。一種是傳統(tǒng)的設計方法，即所謂的靜態(tài)設計方法，它主要是考慮冰箱制冷系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作時的參數(shù)匹配。這種方法的主要優(yōu)點是：模型簡單，易于計算，同時，設計出的產品其性能基本能滿足要求。目前，大多數(shù)的生產廠家均是采用這種傳統(tǒng)的設計方法。從制冷設計的各種手冊到教材，亦只有靜態(tài)分析，在討論制冷設備的參數(shù)時，總是把參數(shù)視作是集中參數(shù)，例如蒸發(fā)器、冷凝器的管內放熱系數(shù)、過熱溫度、過冷溫度，管壁壁溫總是取為常值。顯而易見，這是不符合實際情況的。實際的制冷過程是一個動態(tài)過程，狀態(tài)參數(shù)、物性參數(shù)等不是恒定的，是分布參數(shù)，是與物理位置、時間有關的函數(shù)。制冷系統(tǒng)中工質的狀態(tài)、部件的溫度分布都是不斷變化的，用傳統(tǒng)的靜態(tài)設計方法，僅僅是反映了冰箱實際運行的一種特殊情況，即設計工況下的穩(wěn)定運行。冰箱實際運行時，大都工作在這種情況下。但是，如果要對冰箱的運行進行控制，特別是實現(xiàn)冰箱的“智能化”，采用原有的靜態(tài)設計方法就不夠了。從事制冷工作的學者、工程師早已注意到這方面的問題，從七十年代開始，就從不同角度對傳統(tǒng)的設計方法進行改進，并形成了一門應用計算機工具，以制冷理論、傳熱學與流體力學、自控原理及計算方法為基礎手段的新學科：制冷系統(tǒng)熱動力學。挪威NTH研究所早在七十年代末就明確提出，要把制冷裝置熱動力學作為八十年代重要的課題進行研究【8】；前蘇聯(lián)對此方面的研究亦開始的較早，1978年起就有涉及該領域的著作【9】；前西德自八十年代開始投入力量進行這方面的研究，前東德亦有人從事數(shù)學模擬方面的工作【10、11】；荷蘭人對蒸發(fā)器和熱力膨脹閥作了專門的研究，但其數(shù)學模型較為粗糙【12】；日本學者在該領域的研究工作起步較晚，但進展很快，1983年起，開始有此方面的文章發(fā)表，大都是關于制冷裝置各部件的動態(tài)特性試驗研究【13、14、15】。同時，美國、澳大利亞等國亦競相投入開始了這方面的工作【16、17】。從這幾年發(fā)表的文獻來看，國外已開始將理論研究與實際應用相結合，并取得了一定的成效。有文獻報道，新西蘭已建立了可進行實際運用的程序包【4】。該程序包含幾大塊程序，可以分別用于制冷系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析、動態(tài)模擬等，并將其用于肉類加工廠，取得了較好的效果。文獻【18】建立了供熱、通風、空調系統(tǒng)的一般模型，在探討微分方程解法的基礎上，將此模型用于一個1000噸的冷庫上，取得了較好的效果。我國從八十年代初期開始了這一領域的研究工作。文獻【19】首先在國內提出了制冷系統(tǒng)熱動力學的概念，指出制冷系統(tǒng)的優(yōu)化設計要以動態(tài)理論為指導，并以此為基礎給出了制冷系統(tǒng)四大部件蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流閥和壓縮機的數(shù)學模型和微分方程。文獻亦同時指出，其建立的模型還不完善，需要作進一步的研究和修正。其他還有一些專門針對小型制冷系統(tǒng)此方面的研究報道。文獻【20、21】是針對小型制冷系統(tǒng)的動態(tài)研究，文獻【22、23】則是針對不同制冷工質小型制冷系統(tǒng)的動態(tài)研究?？偟膩碚f，第二種方法就是以制冷系統(tǒng)熱動力學為理論基礎，進行制冷系統(tǒng)的設計計算。該方法主要是用以下三個基本觀點來進行制冷系統(tǒng)的設計：1.動態(tài)的觀點，視所有參數(shù)均是時間的函數(shù)；2.分布參數(shù)，視各參數(shù)又是物理位置的函數(shù)，可以是一維分布參數(shù)，也可是二、三維參數(shù)；3.參數(shù)間有一定的相互關系。應用上述三個基本觀點，按照一般數(shù)學模型的推導方法，簡化次要因素，作一些必要的假設，然后利用能量、質量及動量守恒等基本定律導出冰箱制冷系統(tǒng)的數(shù)學模型，再作線性化等數(shù)學加工，對電冰箱部件足夠小的“微元”內部采用集中參數(shù)或線性分布參數(shù)代替分布參數(shù)。（“微元”的步長視計算精度及所用計算機容量和速度而定；此外，步長還和差分網格計算的穩(wěn)定性與收斂性有關）。有關電冰箱制冷系統(tǒng)此方面的研究和探討，國內、外亦有不少報道。文獻【24、25、26】是國外學者在制冷系統(tǒng)熱動力學理論基礎上，針對家用冰箱系統(tǒng)的研究。國內的報道中，文獻【27、28】主要集中在蒸發(fā)器和毛細管的動態(tài)特性及匹配特性研究上。文獻【29】對冰箱的保溫層模型進行了研究。在文獻【30】中，作者以動量、能量、質量守恒方程和傳熱方程為基礎，給出了直冷式電冰箱冷凍、冷藏箱溫度場的微分方程組。雖然在該微分方程組中，體現(xiàn)了時間因素的影響，但給出的解亦只有某一時刻的溫度場分布。作者稱，要作進一步的研究。文獻【31】則在直冷式電冰箱制冷系統(tǒng)模擬的基礎上，對其冷凍箱內部三維溫度場、速度場進行了計算模擬。而文獻【32】是針對間冷式電冰箱系統(tǒng)動態(tài)特性的研究，從間冷式冰箱的部件關聯(lián)，到各部件數(shù)學模型的建立，都有詳盡的分析。文獻【33】是對間冷式冰箱風道阻力特性及流量分配的研究，文獻【34】則是針對間冷式冰箱空氣流道計算方法的研究?？梢钥闯?，前人對于冰箱制冷系統(tǒng)的設計方法已經作了大量研究，取得了不少的成果。1.3本文所從事的工作從前人的研究我們可以發(fā)現(xiàn)，制冷系統(tǒng)熱動力學的發(fā)展對冰箱制冷系統(tǒng)的設計計算有著很大的指導作用。但我們同時也應看到，盡管國內、外的學者都對其模型作了簡化，建立的微分方程仍較為復雜。尤其對間冷式冰箱來說，其制冷過程是一個融合流動、傳熱、傳質的復雜過程，熱力參數(shù)是時間和位置的函數(shù)，而且參數(shù)間是相互關聯(lián)的。間冷式冰箱制冷系統(tǒng)的復雜性決定了建立符合實際情況的數(shù)學模型是較為困難的。從另一方面來講，傳統(tǒng)的設計方法歷經制冷工作者的近百年發(fā)展和完善，已經非常成熟。他們對制冷系統(tǒng)的各個部件進行了廣泛而深入的研究，取得了大量的有益成果。理論分析表明該方法有其不足之處，但由于冰箱一般都是工作在穩(wěn)定運行的工況下，所以采用此方法進行設計，冰箱性能亦能得到保證。本文進行的研究，便是希望在傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設計