微型制冷系统优化设计研究

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随着科技的发展,人们在能源和动力、军事、航空、航天等领域中,对环境温度提出了更高的要求,而微型蒸气压缩式制冷系统具有结构紧凑、体小量轻、换热效率高等优点,适用于特殊环境下的个人冷却和大功率电子系统冷却,有着广阔的开发前景。 本文针对300W制冷量的微型蒸气压缩式制冷系统进行设计研究。系统主要由微型滑片式制冷压缩机、微型多元平行流空冷冷凝器、微型螺旋管式蒸发器和毛细管等组成,由高能锂离子电池提供系统所需动力。 微型制冷压缩机是微型制冷系统的核心部件之一。目前市场上的压缩机因重量高、体积大,无法满足微型制冷系统对压缩机小型化、轻量化的要求,因此研制体积小、重量轻的压缩机是微型制冷系统的关键技术之一。而滑片式制冷压缩机具有结构简单、部件少等特点,是微型制冷压缩机可能的技术途径之一。本文建立了滑片式制冷压缩机的性能模拟数学物理模型,研究了结构参数和运行参数对其性能的影响规律,并设计了与300W制冷量相匹配的微型滑片式制冷压缩机,该压缩机在转速为1100r/min时,可提供约300W制冷量。 为了寻求为300W制冷量微型制冷系统适用的微型冷凝器的最优方案,本文建立了描述平行流冷凝器特殊传热流动的稳态数学模型。利用Matlab软件编程,对微型多元平行流冷凝器进行了一定工况下的性能模拟。获得了不同流程布置,不同风速下微型多元平行流冷凝器的压降、重量等曲线,得到了流程布置和迎面风速对冷凝器的影响规律。给出了冷凝温度45℃,热负荷450W时和冷凝温度50℃,热负荷480W时微型多元平行流冷凝器在最优流程布置和最优风速时的结构设计参数。 本文在总结比较前人设计的微型螺旋管式、微型套管式、微型管带式蒸发器综合性能的基础上,针对微型制冷系统的运行工况,建立了微型螺旋管式蒸发器的传热流动稳态分布参数模型。利用Matlab软件编程,进行了一种满足300W冷负荷的微型螺旋管式蒸发器的设计,并给出具体设计过程和蒸发器结构图。 节流机构是制冷系统的重要部件之一。本文采用Bittle等建立的绝热毛细管特性的无量纲关联式,设计了与系统匹配的毛细管。另外,给出了干燥过滤器、制冷系统连接管路等辅助设备的选择和计算过程。在对压缩机、冷凝器、蒸发器、毛细管和辅助设备设计的基础上,接下来进行了微型制冷系统管路设计,装配成样机,并对样机进行了重量核算。 建立了微型制冷系统火用分析的数学物理模型,并对系统各个环节的火用损进行了分析计算,找出各环节火用损原因。结果表明:压缩环节火用损占整个系统火用损比例最大,蒸发环节次之,冷凝环节居第三位,节流环节火用损最少。提高压缩机的性能,是提高整个循环火用效率的关键。
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