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1、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(guó)內(nèi)外對(duì)HCFC22替代技術(shù)的研究.61.4主要工作和內(nèi)容9第二章制冷工質(zhì)的熱力性質(zhì)計(jì)算.112.1引言.112.2混合制冷劑的特點(diǎn).112.3狀態(tài)方程的選取.122.4CSD狀態(tài)方程.142.5單工質(zhì)熱力性質(zhì)計(jì)算.152.6混合工質(zhì)熱力性質(zhì)計(jì)算.17第一章前言1.1背景自美國(guó)工程師考布蘭于1918年發(fā)明了世界上第一臺(tái)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(jìn)一步提高，人們對(duì)各種制冷家電，特別是對(duì)電冰箱的需求亦越來越大，制冷

2、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(chǎn)量早在在八十年代初，就已到達(dá)400萬臺(tái)左右。目前，國(guó)內(nèi)電冰箱生產(chǎn)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(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，制冷行業(yè)各種產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。電冰箱的發(fā)展日新月異，電冰箱市場(chǎng)的需求變化也越來越快【1、2】。同時(shí)，人們對(duì)電冰箱的性能也提出了更高的要求。這就擺在冰箱生產(chǎn)廠家面前一個(gè)新的問題：怎樣才能使自己的產(chǎn)品在市場(chǎng)中具有更大的競(jìng)爭(zhēng)能力？怎樣才能使自己在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的市場(chǎng)中繼續(xù)生存和發(fā)展？這就要求生產(chǎn)廠家必須加快新產(chǎn)品的開發(fā)與研制，縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，同時(shí)能夠保證新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)性能。而現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的有些冰

3、箱廠家為了滿足市場(chǎng)的需求，開發(fā)一個(gè)成熟的新產(chǎn)品，達(dá)到設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)，就不得不對(duì)試制的樣機(jī)進(jìn)行一次又一次的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)冰箱各個(gè)部件進(jìn)行調(diào)整，以期達(dá)到設(shè)計(jì)的性能要求，從而造成冰箱的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，影響了生產(chǎn)廠家在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)。我們?cè)谏虾Ｄ潮鋸S調(diào)研時(shí)，據(jù)該廠制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工程師介紹，他們廠的大部分冰箱型號(hào)均是在已有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，針對(duì)某種功能或設(shè)計(jì)性能要求進(jìn)行改進(jìn)、試制、實(shí)驗(yàn)，而后對(duì)冰箱某些部件調(diào)整。如此反復(fù)，直至性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這樣勢(shì)必造成生產(chǎn)成本升高、生產(chǎn)周期過長(zhǎng)，且冰箱類型較為單一，從而影響了產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著人們對(duì)冰箱的智能化要求及自控、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，許多冰箱廠家在自己的產(chǎn)

4、品上增添了電腦控制裝置。這要求設(shè)計(jì)人員必須了解冰箱的運(yùn)行特性，在此基礎(chǔ)之上，才能實(shí)現(xiàn)冰箱運(yùn)行的自控制。如果在冰箱的設(shè)計(jì)階段不深入研究冰箱的運(yùn)行機(jī)理，不與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，僅僅依靠原有的設(shè)計(jì)手段，冰箱運(yùn)行的自控制（冰箱智能化）就無從談起。計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和電冰箱實(shí)際生產(chǎn)的需要，使得冰箱CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）應(yīng)運(yùn)而生。一般來講，一套完整的冰箱CAD系統(tǒng)具有以下幾個(gè)功能：1.建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)資料庫，如壓縮機(jī)性能庫、換熱器性能庫等以及專家系統(tǒng)；2.可以進(jìn)行交互式冰箱制冷系統(tǒng)的熱力計(jì)算；3.可進(jìn)行制冷系統(tǒng)耗冷量的計(jì)算及制冷系統(tǒng)主要部件（壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和毛細(xì)管等）的設(shè)計(jì)計(jì)算；4.可進(jìn)行制冷系統(tǒng)

5、的整體校核計(jì)算；5.能夠?qū)υO(shè)計(jì)工況進(jìn)行仿真；6.利用相應(yīng)的繪圖軟件，進(jìn)行兩維和三維圖形的繪制。國(guó)內(nèi)、外已有關(guān)于制冷系統(tǒng)CAD方面的報(bào)道。文獻(xiàn)【3】概述了一種冷藏庫總體CAD系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。文獻(xiàn)【4】則是CAD系統(tǒng)在制冷設(shè)計(jì)方面的具體應(yīng)用。文獻(xiàn)【5】介紹了速凍裝置CAD系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)【6】介紹了一種冰箱部件毛細(xì)管的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)【7】是專門針對(duì)冰箱制冷系統(tǒng)CAD的研究報(bào)道。毫無疑問，對(duì)冰箱制冷系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，可以大大節(jié)省新型電冰箱的研制費(fèi)用，縮短研制周期，減輕設(shè)計(jì)人員的工作負(fù)擔(dān)。但是，冰箱制冷系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)應(yīng)建立在什么的基礎(chǔ)之上才是正確的呢？如何才能使CAD系統(tǒng)對(duì)冰箱的設(shè)計(jì)

6、生產(chǎn)有實(shí)用價(jià)值呢？這就涉及到冰箱CAD系統(tǒng)的關(guān)鍵與核心冰箱制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的研究。對(duì)冰箱CAD系統(tǒng)來說，不僅僅是簡(jiǎn)單的將冰箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出來，還要能夠?qū)υO(shè)計(jì)出來的冰箱進(jìn)行性能預(yù)測(cè)。比如，壓縮機(jī)的開、停機(jī)時(shí)間（這就牽涉到冰箱的耗電量，而這也正是廠家和用戶最關(guān)心的），冰箱的冷卻速度、冷凍能力（產(chǎn)品是否合格）等。所以，一定要對(duì)冰箱制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行認(rèn)真地研究，深入探討冰箱的運(yùn)行特性，在此基礎(chǔ)之上開發(fā)出的冰箱CAD系統(tǒng)，才能真正對(duì)廠家的實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)起到指導(dǎo)作用。1.2冰箱制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法綜述當(dāng)前，制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要有兩種。一種是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，即所謂的靜態(tài)設(shè)計(jì)方法，它主要是考慮冰箱制冷系統(tǒng)處于穩(wěn)定

7、工作時(shí)的參數(shù)匹配。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：模型簡(jiǎn)單，易于計(jì)算，同時(shí)，設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品其性能基本能滿足要求。目前，大多數(shù)的生產(chǎn)廠家均是采用這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。從制冷設(shè)計(jì)的各種手冊(cè)到教材，亦只有靜態(tài)分析，在討論制冷設(shè)備的參數(shù)時(shí)，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(nèi)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(shí)際情況的。實(shí)際的制冷過程是一個(gè)動(dòng)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(shí)間有關(guān)的函數(shù)。制冷系統(tǒng)中工質(zhì)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(shè)計(jì)方法，僅僅是反映了冰箱實(shí)際運(yùn)行的一種特殊情況，即設(shè)計(jì)工況下的穩(wěn)定運(yùn)行。冰箱實(shí)

8、際運(yùn)行時(shí)，大都工作在這種情況下。但是，如果要對(duì)冰箱的運(yùn)行進(jìn)行控制，特別是實(shí)現(xiàn)冰箱的“智能化”，采用原有的靜態(tài)設(shè)計(jì)方法就不夠了。從事制冷工作的學(xué)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(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)，并形成了一門應(yīng)用計(jì)算機(jī)工具，以制冷理論、傳熱學(xué)與流體力學(xué)、自控原理及計(jì)算方法為基礎(chǔ)手段的新學(xué)科：制冷系統(tǒng)熱動(dòng)力學(xué)。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(dòng)力學(xué)作為八十年代重要的課題進(jìn)行研究【8】；前蘇聯(lián)對(duì)此方面的研究亦開始的較早，1978年起就有涉及該領(lǐng)域的著作【9】；前西德自八十年代開始投入力量進(jìn)行這方面的研究，前東德亦有人從事數(shù)學(xué)模擬方面的工作【

9、10、11】；荷蘭人對(duì)蒸發(fā)器和熱力膨脹閥作了專門的研究，但其數(shù)學(xué)模型較為粗糙【12】；日本學(xué)者在該領(lǐng)域的研究工作起步較晚，但進(jìn)展很快，1983年起，開始有此方面的文章發(fā)表，大都是關(guān)于制冷裝置各部件的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)研究【13、14、15】。同時(shí)，美國(guó)、澳大利亞等國(guó)亦競(jìng)相投入開始了這方面的工作【16、17】。從這幾年發(fā)表的文獻(xiàn)來看，國(guó)外已開始將理論研究與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，并取得了一定的成效。有文獻(xiàn)報(bào)道，新西蘭已建立了可進(jìn)行實(shí)際運(yùn)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(dòng)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(xiàn)【18】建立了供熱、通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)的一般模型，在

10、探討微分方程解法的基礎(chǔ)上，將此模型用于一個(gè)1000噸的冷庫上，取得了較好的效果。我國(guó)從八十年代初期開始了這一領(lǐng)域的研究工作。文獻(xiàn)【19】首先在國(guó)內(nèi)提出了制冷系統(tǒng)熱動(dòng)力學(xué)的概念，指出制冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)要以動(dòng)態(tài)理論為指導(dǎo)，并以此為基礎(chǔ)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(jī)的數(shù)學(xué)模型和微分方程。文獻(xiàn)亦同時(shí)指出，其建立的模型還不完善，需要作進(jìn)一步的研究和修正。其他還有一些專門針對(duì)小型制冷系統(tǒng)此方面的研究報(bào)道。文獻(xiàn)【20、21】是針對(duì)小型制冷系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)研究，文獻(xiàn)【22、23】則是針對(duì)不同制冷工質(zhì)小型制冷系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)研究?？偟膩碚f，第二種方法就是以制冷系統(tǒng)熱動(dòng)力學(xué)為理論基礎(chǔ)，進(jìn)行制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

11、計(jì)算。該方法主要是用以下三個(gè)基本觀點(diǎn)來進(jìn)行制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：1.動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn)，視所有參數(shù)均是時(shí)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(guān)系。應(yīng)用上述三個(gè)基本觀點(diǎn)，按照一般數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)方法，簡(jiǎn)化次要因素，作一些必要的假設(shè)，然后利用能量、質(zhì)量及動(dòng)量守恒等基本定律導(dǎo)出冰箱制冷系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，再作線性化等數(shù)學(xué)加工，對(duì)電冰箱部件足夠小的“微元”內(nèi)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(zhǎng)視計(jì)算精度及所用計(jì)算機(jī)容量和速度而定；此外，步長(zhǎng)還和差分網(wǎng)格計(jì)算的穩(wěn)定性與收斂性有關(guān)）。有關(guān)電冰箱制冷系統(tǒng)此方面的研究和探討，國(guó)內(nèi)、

12、外亦有不少報(bào)道。文獻(xiàn)【24、25、26】是國(guó)外學(xué)者在制冷系統(tǒng)熱動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)上，針對(duì)家用冰箱系統(tǒng)的研究。國(guó)內(nèi)的報(bào)道中，文獻(xiàn)【27、28】主要集中在蒸發(fā)器和毛細(xì)管的動(dòng)態(tài)特性及匹配特性研究上。文獻(xiàn)【29】對(duì)冰箱的保溫層模型進(jìn)行了研究。在文獻(xiàn)【30】中，作者以動(dòng)量、能量、質(zhì)量守恒方程和傳熱方程為基礎(chǔ)，給出了直冷式電冰箱冷凍、冷藏箱溫度場(chǎng)的微分方程組。雖然在該微分方程組中，體現(xiàn)了時(shí)間因素的影響，但給出的解亦只有某一時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布。作者稱，要作進(jìn)一步的研究。文獻(xiàn)【31】則在直冷式電冰箱制冷系統(tǒng)模擬的基礎(chǔ)上，對(duì)其冷凍箱內(nèi)部三維溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算模擬。而文獻(xiàn)【32】是針對(duì)間冷式電冰箱系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的研

13、究，從間冷式冰箱的部件關(guān)聯(lián)，到各部件數(shù)學(xué)模型的建立，都有詳盡的分析。文獻(xiàn)【33】是對(duì)間冷式冰箱風(fēng)道阻力特性及流量分配的研究，文獻(xiàn)【34】則是針對(duì)間冷式冰箱空氣流道計(jì)算方法的研究?？梢钥闯觯叭藢?duì)于冰箱制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)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(dòng)力學(xué)的發(fā)展對(duì)冰箱制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算有著很大的指導(dǎo)作用。但我們同時(shí)也應(yīng)看到，盡管國(guó)內(nèi)、外的學(xué)者都對(duì)其模型作了簡(jiǎn)化，建立的微分方程仍較為復(fù)雜。尤其對(duì)間冷式冰箱來說，其制冷過程是一個(gè)融合流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)的復(fù)雜過程，熱力參數(shù)是時(shí)間和位置的函數(shù)，而且參數(shù)間是相互關(guān)聯(lián)的。間冷式冰箱制冷系統(tǒng)的復(fù)雜性

14、決定了建立符合實(shí)際情況的數(shù)學(xué)模型是較為困難的。從另一方面來講，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法歷經(jīng)制冷工作者的近百年發(fā)展和完善，已經(jīng)非常成熟。他們對(duì)制冷系統(tǒng)的各個(gè)部件進(jìn)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(yùn)行的工況下，所以采用此方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，冰箱性能亦能得到保證。本文進(jìn)行的研究，便是希望在傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，針對(duì)間冷式冰箱的設(shè)計(jì)計(jì)算，將間冷式冰箱部件的實(shí)測(cè)性能曲線代入到設(shè)計(jì)計(jì)算中去，以使冰箱設(shè)計(jì)更為貼近實(shí)際。同時(shí)通過試驗(yàn)與理論分析，建立起間冷式冰箱的性能預(yù)測(cè)模型，并對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而對(duì)設(shè)計(jì)的間冷式冰箱其所具有的性能作出較為接近實(shí)際的預(yù)測(cè)，為冰箱廠家的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供一定的依據(jù)。并在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出一套能夠?qū)﹂g冷式冰箱進(jìn)行性能預(yù)測(cè)的CAD系統(tǒng)。同時(shí)也希望本文的研究成果能夠?yàn)橹袊?guó)制冷行業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量，亦能起到拋磚引玉的作