蒸气压缩循环的性能在循环温升增大时会迅速恶化，这制约了其作为节能型供热技术在寒冷地区的应用。为了提升蒸气压缩循环的性能、扩大蒸气压缩循环的应用范围，需要对循环的各个环节进行优化。目前，对于传热与压缩过程的研宄较为充分，形成了以温度滑移匹配及多级压缩技术为代表的技术路径，但对于亚临界循环中节流过程的研宄仍然不足，尚未发展出成熟的膨胀功回收技术。为此，本文尝试将气相膨胀技术引入亚临界蒸气压缩循环，结合非共沸工质的非完全冷凝与气液分离过程，提出了气相膨胀双级压缩循环。 如何选择循环工质是构建新循环面临的第一个问题。由于系统中同时存在气相膨胀与压缩过程，从避免工质在膨胀与压缩设备中发生液击的角度考虑，新型循环应优先选择等熵工质。为了解决纯质等熵工质数量少、适用工况有限的问题，本文提出了利用具有不同温熵特性的工质合成等熵混合物的思想。首先针对混合工质的温熵特性展开理论研宄，定性地得到了表征工质温熵特性的特征参数z与分子结构的内在关联。基于给定的热泵工况（蒸发温度约-15°C，冷凝温度约60°C)，筛选出30组二元等熵混合工质，分析了混合物组成及压力对其温熵特性的影响规律。考察了混合工质温熵特性对热力过程及循环性能的影响，计算结果表明，使用等熵混合工质可以有效降低压缩机的排气温度，改善冷凝器换热面积的有效使用率。研宄发现，一定条件下等熵混合工质可分离为温熵特性不同的两种混合物，因而尤其适用作气相膨胀双级压缩循环的工质。 在此基础上，建立了气相膨胀双级压缩循环的稳态热力学模型，并针对三组具有不同循环浓度的混合工质R290/R600a开展了热力学计算，结果表明存在最优的冷凝器出口干度使得新型循环的制热COP达到最大值。将气相膨胀双级压缩循环与传统单级循环、两相膨胀双级压缩循环及压缩机中间补气循环等进行了比较。计算结果显示，当循环温升达到72.5°C时，新型循环的COP较单级循环可提升16.2％，但与目前较为成熟的压缩机中间补气技术相比，在给定工况下新型循环在热力学性能及经济性等方面尚不及前者。 实现非共沸工质在热力循环中的可控分离是构建新循环的另一个关键。本文选择竖直撞击式T形管作为气液分离装置，以实现系统的紧凑式设计并降低成本。为了明确撞击式T形管的相分离特性，自主设计并建立了有机工质气液两相混合物分离特性实验台。针对R134a气液两相流的相分布特性进行了实验研究，考察了T管入口质量流速、入口干度及出口流量比对T形管液相分离效率的影响，并利用高速摄影机对T形管入口流型进行了识别。实验结果表明当T形管入口质量流速为200 kg m-2 s-1、下端出口流量比为75%时，液相分离效率可达到90%。基于可视化研究，建立了 T形管内液体回落比例与气相弗劳德数之间的函数关系，结合划分流线的思想以及液体卷吸机制，提出了适用于环状流及波状流的相分布预测模型。 基于相同的实验系统，对非共沸工质R134a/R245fa及R290/R600a在撞击式T形管内的组元分布特性进行了研宄，明确了入口质量流速、干度、出口流量比、混合物循环浓度及出口管径对组元分离效果的影响。基于一定温度和压力条件下二元混合物组成与密度间的关系，可以间接确定混合工质的循环浓度，从而在一定程度上实现混合物组成的在线、非接触测量。实验结果表明，当T形管出口管径为17.5 m m时，混合物R134a/R245fa(70.75/29.25)在入口质量流速为200 kg m-2 s-1、干度为0.49及下端出口流量比为0.5时，组元分离程度达到最大，组元分离效率之差为-14.6%。混合工质的循环浓度及T形管出口管径可通过改变T形管内压降来影响组元分布特性，研宄结果表明，较小的T形管内压降有助于实现较大程度的组元分离。最后，针对撞击式T形管内气液两相流相分离效率与组元分离效率之间的关系进行了探讨。
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