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基于微型蒸汽压缩制冷循环的个体冷却系统研制

日期:2017年4月25日 15:53

刖言随着科技的发展,人们在能源、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。高温是不少人-机系统不可避免的环境因素,它会引起人缺氧和抗荷耐力降低、注意力分散、记忆力减弱、反应灵活性下降等一系列生理、心理变化。
  这些都严重影响着工作人员的工作情绪和身体健康,对工作质量与效率也产生很大的影响。在直升机、装甲车、赛车等不能或不便安装空调系统的运载工具中,乘员在夏季高温环境下的降温冷却已经此外,随着人们对生活品质的不断追求,微型制冷系统在民用方面也有着广阔的开发前景,可用于户外的行人和烈日下的交警等。所以,微型制冷系统个比较广泛的应用场合即是特殊环境下的个人冷却。
  当前,个人冷却多采用被动式冷却方式,如使用含有冰或其它相变材料的背心,它的效率和适用性差,直很难被推广。微型制冷系统用于个人冷却的制冷方法有多种,主要包括蒸气压缩式、吸收式、吸附式、半导体制冷等,蒸气压缩式制冷因为制冷量大、效率高、结构紧凑、工作可靠等优点是基金项目:中航工业创新基金杨宇飞(1978)副教授,北航;个体冷却系统最佳的制冷方式,其关键是核心部件,如微型压缩机、蒸发器和冷凝器的成熟和实用化。表明,微型制冷压缩机已研制成功,为高性能个体冷却系统的研制奠定了基础。
  由美国ASPEN公司研制开发的微型制冷压缩机如所示微型制冷压缩机外观图国内,北京航空航天大学较早开展了个体冷却系统研究,主要采用冰蓄冷和液冷服装结合的方法;北京工业大学近年来开展了微型蒸汽压缩制冷装置的研制,独立开发了微型制冷压缩机,并研制了微型制冷机样机,但由于压缩机性能所限,未能获得实际应用。
  (a)。个体冷却用微型蒸汽压缩制冷机原理微型蒸汽压缩制冷机研制基于已成熟的微型压缩机技术,本文开发了应用于个体冷却系统的微型蒸汽压缩式制冷装置。
  1.1制冷装置描述微型蒸汽压缩式制冷装置的工作原理如(a)所示,外观如(b)所示。
  (b)。个体冷却用微型蒸汽压缩制冷机外观图该微型制冷机主要部件包括:微型转子式制冷压缩机,微通道平行流冷凝器,干燥过滤器,电子膨胀阀,微通道板翅式蒸发器。其中微通道板翅式水冷蒸发器为自行研制1.2.微型转子式制冷压缩机该压缩机是直流变频调速转子式微型压缩机,由24V直流电驱动,因此可以方便使用高能电池驱动,从而适于便携使用。压缩机由无刷电机驱动,通过微电子驱动板控制转速,驱动板获得05V电压信号后可以将压缩机转速控制在1800rpmto6500rpm之间。表1列出了压缩机的性能参数。
  表1.Aspen微型压缩机性能参数型号运行电流排量最大电流制冷剂工作温度润滑油蒸发温度转速范围冷凝温度标称电压外观尺寸电压范围重量1.3.微通道板翅式蒸发器为了便携的需要,应尽量降低微型制冷装置的重量,为此,本文设计并研制了一种新型的"微通道板翅式"水冷蒸发器,如所示该蒸发器由不锈钢换热片组成,每个换热片厚0.7mm,上面刻有0.35mm深、0.35mm宽的微槽道,所有的换热片叠在一起组成了微通道的板翅式蒸发器。此微型板翅式蒸发器的外观尺寸为48.3x21.1x27.3mm,重量约200g.。微通道板翅式蒸发器微型制冷装置性能试验台1.4.微通道平行流冷凝器本文研制的微型制冷装置所采用的微通道平行流冷凝器如所示微通道平行流冷凝器该微通道平行流冷凝器全部为铝合金材料,由微通道扁管、翅片、端头组成。从微型制冷机整体结构考虑,该冷凝器设计为U型结构。与管翅式和管带式冷凝器相比,平行流冷凝器体积更小、重量更轻,因而更适合用于微型便携式制冷装置。该冷凝器的外观尺寸为172x114x83mm,由11层微通道扁管组成,每个扁管有7个微通道制冷剂流道。扁管间翅片高7.8mm.。
  2个体冷却系统性能测试与结果分析2.1制冷性能测试本文建立了专门的试验台用于检测所研制的微型制冷装置的制冷性能,如所示。
  该试验台可以模拟产生温度、流量可调的水路和风路,通过测量流经蒸发器的冷水的流量和入出口温差,即可测量本文所研制的微型制冷装置的实际制冷量。
  制冷量Qc计算:制冷装置COP计算:本文研制的微型制冷装置在环境温度分别为45°C,和55°C,将蒸发器出口冷水温度分别控制在7°C,12°C,19°C和24°C的条件下进行了制冷性能测试,测试结果如和所示。
  蒸发器出口水温对制冷量的影响蒸发器出口水温对COP的影响由试验结果可以发现,在环境温度高达55°C、蒸发器冷水出口温度为24°C时,本文研制的微型制冷装置的制冷量仍然可达200W以上,COP可达1.2. 2.2着液冷背心的人体试验初探本文除了研制出个体冷却用微型制冷装置,还研制了与之配套的水冷背心,由此组成了个体冷却系统。本文还对身着水冷背心的志愿者进行了热环境下的生理耐受试验。作为试验对象,志愿者身着由微型制冷装置制冷的水冷背心,进入到高温试验箱里。通过主观感受评价个体冷却系统的性能。
  试验结果表明,若没有个体冷却系统的帮助,人体在55°C、25%相对湿度的环境下,可以耐受的时间基本为10分钟;而当使用了本文研制的蒸汽压缩制冷个体冷却系统进行人体表面冷却时,人体耐受时间可以提高到30分钟。而在40°C、相对湿度60%和45°C、相对湿度30%的环境条件下,人体至少在80分钟内可以有效工作,避免热应激的出现。
  由初步的人体试验试验可知,本文研制的个体冷却系统,可以显著延长人体在高温环境下的热耐受时间,为酷热环境下人体降温提供了很好的解决办法。
  3结论本文基于微型制冷压缩机,研制了便携的蒸汽压缩制冷个体冷却系统,该系统有微型制冷装置和水冷背心组成。试验表明,本文研制的微型制冷装置运行可靠、性能优良,在环境温度55C、蒸发器冷水出口温度为24°C时,微型制冷装置的制冷量可本文的研究成果,为蒸汽压缩制冷的个体冷却系统的实际应用奠定了基础,同时也为开展高性能微型制冷装置的研发提供了。

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