微型制冷系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的迅速發(fā)展，使過程機(jī)械裝置的微型化和輕量化成為可能。微型制冷系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的工作原理，利用微加工技術(shù)生產(chǎn)出制冷系統(tǒng)的各個(gè)部件，并將這些部件及其傳感器、控制器、電源等集成在一個(gè)微小體積范圍內(nèi)的微小機(jī)械。微型制冷系統(tǒng)是先進(jìn)微型能量系統(tǒng)在工程中應(yīng)用的典型范例，美國軍方已將這種先進(jìn)技術(shù)用于伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)，并引起了國際上廣泛的關(guān)注。微型制冷系統(tǒng)不僅可以滿足士兵和惡劣環(huán)境中的工人的舒適性要求，還廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天

2、、工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。 蒸汽壓縮式制冷有質(zhì)量流量低、冷凝溫度低及COP高等優(yōu)點(diǎn)，本文研制了用于個(gè)人冷卻的微型蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)的樣機(jī)，該系統(tǒng)可以提供300W的制冷量，大小為：265×250×120mm，總重量約2.85kg，系統(tǒng)由直流無刷電機(jī)、微型三角轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)、平行流式空冷冷凝器和微型螺旋管蒸發(fā)器和毛細(xì)管組成，采用高效鋰離子電池做動(dòng)力，可以持續(xù)運(yùn)行90分鐘，加上電池，系統(tǒng)總重量約4kg。 由于微型蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)在

3、國內(nèi)處的研究較少，商業(yè)化的應(yīng)用尚未開始，系統(tǒng)的主要部件均須自行研制，本文介紹了微型制冷系統(tǒng)主要部件的研制，包括無排氣閥微型三角轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的研制、平行流式空冷冷凝器的研制以及微型螺旋管蒸發(fā)器的研制。 為了進(jìn)行微型制冷系統(tǒng)匹配及運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn)研究，建造了溫度可調(diào)的人工環(huán)境柜，并搭建了微型制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過壓縮機(jī)與動(dòng)力系統(tǒng)的匹配實(shí)驗(yàn)，確定了與壓縮機(jī)相匹配的直流電機(jī)及傳動(dòng)比；通過充注量與毛細(xì)管長(zhǎng)度的匹配實(shí)驗(yàn)，確定了毛細(xì)管的最佳尺寸；通過

4、系統(tǒng)運(yùn)行特性實(shí)驗(yàn)得到了系統(tǒng)在不同工況下的運(yùn)行特性，試驗(yàn)結(jié)果表明：在40℃環(huán)境下，壓縮機(jī)壓縮比可以達(dá)到3.0以上，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為1650r/min時(shí)，微型制冷系統(tǒng)的制冷量可以達(dá)到300W左右，COPc可以達(dá)到2.0以上。 采用穩(wěn)態(tài)效率法建立了微型三角轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)的質(zhì)量流量、輸入功率和排氣溫度的數(shù)學(xué)模型；建立了絕熱毛細(xì)管數(shù)學(xué)模型，并利用毛細(xì)管的模擬程序，分析了毛細(xì)管管長(zhǎng)隨制冷劑流量、管徑和過冷度變化趨勢(shì)；采用分布參數(shù)法，建立了平行流式冷

5、凝器和螺旋管式蒸發(fā)器的穩(wěn)念模型，并編制了冷凝器和蒸發(fā)器的模擬程序。 在建立壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和毛細(xì)管各部件模瓔的基礎(chǔ)上，采用順序模塊法，根據(jù)制冷劑質(zhì)量平衡和部件之間的能量平衡關(guān)系式，建立了空氣-水微型制冷系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)仿真模型。對(duì)比結(jié)果表明，模擬值與實(shí)測(cè)值比較吻合。利用系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)了在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度、蒸發(fā)器進(jìn)水溫度以及毛細(xì)管長(zhǎng)度變化的情況下，系統(tǒng)性能的變化情況。提出了制冷系統(tǒng)的優(yōu)化方法，根據(jù)系統(tǒng)仿真程序得到了在冷凝器長(zhǎng)度、