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user: 3. 正交试验设计 3.1. 正交表设计 根据热力学分析可知影响系统㶲的因素有：环境温度，冷凝温度，蒸发温度，以这三种影响因素设计正交试验探究系统冷量㶲效率和制冷系数的最优值。以RC318为制冷剂，每因素三种水平设计正交试验。对应因素水平的选取准则是：环境温度是根据郑州四季的变化而取得(不考虑零下温度)，故除去冬天零下温度的选取，初春和冬天零上温度选取2℃为代表，秋天和晚春综合考虑选取15℃，夏天温度较高郑州最高温度偶有达到40℃综合考虑选取38℃；冷凝温度的选取：实际循环工作过程中压缩机的排气温度和排气压力决定着冷凝温度的选取，冷凝温度和蒸发温度选取对应的压力又同时影响着压缩机的压缩比，冷凝温度的选取影响着通过节流阀时的压降大小，冷凝温度越小节流阀压降越小通过节流阀的制冷剂流量越少制冷效果不佳，所以根据综合因素选择合适的冷凝温度：20℃，35℃，50℃；蒸发温度的选取：蒸发温度的选取考虑到制冷工质的制冷温度下限(基本稳定在272.15 K附近)和直接接触式制冷方式的换热效率(该方式换热效率高)，该制冷循环中蒸发温度对应的压力就是压缩机的进气压力，冷凝温度对应的压力等于压缩机的排气压力，蒸发温度和冷凝温度的选取直接决定着压缩机的压缩比 [ 20 ] [ 21 ]，所以根据综合因素选择合适的蒸发温度：−7℃，−17℃，−27℃。故根据以上条件合理选取环境温度：2℃，15℃，38℃；冷凝温度：20℃，35℃，50℃；蒸发温度：−7℃，−17℃，−27℃。为了避免人为因素造成系统误差，故抽签得到因素水平数据如表2所示 [ 22 ]。 Table 2 Draw dat 因素 环境温度/℃ (A) 冷凝温度/℃ (B) 蒸发温度/℃ (D) 水平 1 15 50 −7 2 38 35 −27 3 2 20 −17 表2. 抽签数据 如果以四因素三水平实验探究系统冷量㶲效率和制冷系数的综合最优值，那么需要3 3 组试验数据，数据量较大，因此采用四因素三水平的正交试验L 9 (3 4 )九组实验就能得到系统冷量㶲效率和制冷系数的综合最优值，正交试验设计表格如下表3所示 [ 22 ]。 Table 3 Orthogonal test design tabl 试验号 A B 空列 D 实验方案 1 1 1 1 1 A 1 B 1 D 1 2 1 2 2 2 A 1 B 2 D 2 3 1 3 3 3 A 1 B 3 D 3 4 2 1 2 3 A 2 B 1 D 3 5 2 2 3 1 A 2 B 2 D 1 6 2 3 1 2 A 2 B 3 D 2 7 3 1 3 2 A 3 B 1 D 2 8 3 2 1 3 A 3 B 2 D 3 9 3 3 2 1 A 3 B 3 D 1 表3. 正交试验设计表 3.2. 正交试验数据 目标值用综合评定且系统冷量㶲效率和制冷系数的权重各占一半的方法做正交试验，用Excel做正交试验分析结果如下表4所示。通过k值得到极差R，极差R的大小可以得到主要的影响顺序依次为B (冷凝温度)，A (环境温度)，D (蒸发温度)；通过K值确定最优方案为A 2 B 3 D 1 环境温度为38℃，冷凝温度为20℃，蒸发温度为−7℃的试验方案，此方案计算得到数据为：系统的冷量㶲效率 η in 为44.39%，制冷系数ε = 3.10。 各因素综合评定的趋势图如图4所示。图4中看出环境温度越高对应的综合评分越大，其中制冷系数是制冷量和压缩机耗功的比值，制冷量是制冷剂蒸发前后的焓值之差，所以环境温度对制冷系数没有影响，故图4中环境温度对综合评分的影响实际上是对系统冷量㶲效率的影响，该循环制取的冰浆它的温度波动不大一般稳定在−1℃，当其它影响因素一定时，环境温度在热力学中相当于高温热源，制取的冰浆看成低温热源且当做一定值，根据卡诺定理低温热源一定高温热源越大系统效率越高故系统冷量㶲效率值越大，综合评分呈现上升趋势。图4中冷凝温度越低综合评分呈现上升趋势，当其它因素一定时，冷凝温度越低制冷剂在冷凝器内放出的热量越多，冷凝温度越低对应点制冷剂的焓值和压力也就越小压缩机的排气压力也就越小，压缩机的压缩比和排气温度也就越小，压缩机耗功越少，同时对应点制冷剂的焓值的减小让蓄冷罐内的制冷量和冷量㶲增大，制冷系数和系统冷量㶲效率都变大，故冷凝温度越低制冷系数和系统效率的综合评分呈上升趋势。图4中蒸发温度越大综合评分越大但增长趋势较为缓慢，其它影响因素一定，蒸发温度越大压缩机进气压力和焓值都增大，压缩机压缩比减小压缩机耗功减少，由于RC318制冷剂性质的原因蒸发温度越高它对应的焓值和压力都有所提升但增长波动不明显，制冷量增长的少，所以图5中蒸发温度越大综合评分呈上升趋势但折线图相对波动幅度小。 Table 4 Orthogonal test result 试验号 A B 空列 D 系统冷量㶲 效率 制冷系数 系统冷量㶲效率隶属度 制冷系数 隶属度 综合评分 1 1 1 1 1 4.57% 0.78 0.1563 0.1083 0.13230 2 1 2 2 2 5.31% 0.90 0.1849 0.1516 0.16825 3 1 3 3 3 13.45% 2.29 0.4998 0.6534 0.57660 4 2 1 2 3 8.96% 0.61 0.3264 0.0469 0.18665 5 2 2 3 1 22.19% 1.51 0.8379 0.3718 0.60485 6 2 3 1 2 26.38% 1.79 1.0000 0.4729 0.73645 7 3 1 3 2 0.53% 0.48 0.0000 0.0000 0.00000 8 3 2 1 3 1.28% 1.16 0.0290 0.2455 0.13725 9 3 3 2 1 3.58% 3.25 0.1180 1.0000 0.55900 K 1 0.87715 0.31895 1.00600 1.29615 K 2 1.52795 0.91035 0.91390 0.90470 K 3 0.69625 1.87205 1.18145 0.90050 k 1 0.292383 0.106317 0.335333 0.432050 k 2 0.509317 0.303450 0.304633 0.301567 k 3 0.232083 0.624017 0.393817 0.300167 极差R 0.277233 0.517700 0.089183 0.131883 因素的主次 B A D 最优方案 A 2 B 3 D 1 表4. 正交试验结果 图4. 各因素和综合评定分的趋势 3.3. 方差分析 根据正交试验表4数据进行方差分析 [ 22 ]，得到数据如表5所示；表6为其它影响因素一定时蒸发温度对应的数据；图5图6为蒸发温度−27℃到−7℃变化对系统冷量㶲效率和制冷系数的影响趋势图。 表5中分析得到系统冷量㶲效率和制冷系数的影响因素顺序和正交试验极差法分析完全吻合，影响顺序依次为冷凝温度、环境温度、蒸发温度；其中冷凝温度对系统效率和制冷系数的综合影响较为显著，环境温度对其影响显著，蒸发温度对其综合影响不显著。表6中看出其它条件一定时，由于RC318制冷剂性质的影响蒸发温度从−27℃到−7℃对应焓值的变化很小即冷量变化很小，对应蒸发温度的压强变化也不显著对压缩机的压缩比影响小，压缩机耗功波动小，由于其它条件一定从图5和图6中能看出两者的曲线走势一致，对目标值的影响波动情况不显著，故方差分析得到由于制冷剂物性的原因蒸发温度对系统冷量㶲效率和制冷系数综合影响不显著。 Table 5 Analysis of variance dat 差异源 SS df MS F 显著性 A 0.127554 2 0.063777 10.35643 * B 0.409638 2 0.204819 33.25939 ** D 0.034421 2 0.017211 2.794722 误差e 0.012316 2 0.006158 F 0.1 (2，2) 9 F 0.05 (2，2) 19 表5. 方差分析数据 Table 6 Evaporation temperature dat 蒸发温度/℃ 焓值/(KJ/kg) 压强/Mpa 制冷系数 系统的冷量㶲效率 −25 297.73 0.0428 1.79 0.236 −20 301.06 0.0545 2.01 0.265 −15 304.41 0.0686 2.29 0.303 −10 307.77 0.0855 2.68 0.355 表6. 蒸发温度数据 图5. 蒸发温度对制冷系数的影响 图6. 蒸发温度对系统冷量㶲效率的影响