趙 巍 張 華 肖傳晶 劉紅紹 劉瑞希

(1上海理工大學(xué)制冷及低溫工程研究所 上海 200093)

(2艾默生環(huán)境優(yōu)化技術(shù)(蘇州)有限公司 蘇州 215021)

(3丹佛斯自動(dòng)控制管理(上海)有限公司 上海 200233)

環(huán)保制冷劑R290在四級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

趙 巍1張 華1肖傳晶2劉紅紹3劉瑞希1

(1上海理工大學(xué)制冷及低溫工程研究所 上海 200093)

(2艾默生環(huán)境優(yōu)化技術(shù)(蘇州)有限公司 蘇州 215021)

(3丹佛斯自動(dòng)控制管理(上海)有限公司 上海 200233)

采用環(huán)保制冷劑R290取代R22應(yīng)用于四級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)，理論模擬計(jì)算表明，R290與R22有較相似的熱物理性質(zhì)，并且相同溫度條件下R290有更低的飽和壓力;相同壓力條件下具有更大的汽化潛熱，與R23組成非共沸混合工質(zhì)能夠獲得更低的蒸發(fā)溫度。采用混合制冷劑R290/R23/R14/R50進(jìn)行試驗(yàn)，獲取了-142℃的理想低溫，冷量達(dá)到105 W。

自動(dòng)復(fù)疊 環(huán)保制冷劑 R290 熱物性 混合工質(zhì) 降溫特性

1 引言

隨著地球表面溫度逐年上升，遏制全球變暖的呼聲不斷高漲。2007年的《蒙特利爾議定書》中明確規(guī)定了選擇HCFCs替代物的優(yōu)先考慮原則:首先淘汰ODP值較高的HCFCs，在選擇替代品時(shí)應(yīng)考慮最大可能減少對(duì)環(huán)境的影響，特別是對(duì)氣候的影響，要選用GWP值最小的工質(zhì)作替代品。2009年底的哥本哈根會(huì)議之后，新一代零消耗臭氧潛能值(ODP)、零全球變暖潛能值(GWP)環(huán)保制冷劑的研究已成為全球挑戰(zhàn)性的緊迫任務(wù)［1］。自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)因其單機(jī)壓縮、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、可靠性高、成本低，成為實(shí)現(xiàn)-40—-160℃溫區(qū)的主要方式之一:一般-40—-80℃采用雙級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng);-80—-120℃采用三級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng);-100—-160℃采用四級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)［2］。R22屬于HCFCs類制冷劑，由于其優(yōu)良的傳熱性能和流動(dòng)性能，常被作為多級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)的高溫級(jí)制冷劑［3-4］。為了順應(yīng)節(jié)能環(huán)保的全球形勢，本文采用ODP、GWP均為0的環(huán)保制冷劑R290取代R22應(yīng)用于四級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)中。

2 R290和R22比較分析

2.1 R290和R22熱物性比較

如表1所示，從標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)、臨界溫度來看，R290與R22具有接近的熱物性，為R290的成功取代奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，R290的汽化潛熱比R22高一倍以上，所以在相同條件下R290的充注量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于R22，約為R22的43%左右［5］。另外由于R290具有低的動(dòng)力粘性系數(shù)和高的傳熱系數(shù)，采用R290開發(fā)的空調(diào)器較目前常用制冷劑的空調(diào)器，系統(tǒng)能效比有10%左右的提高［6］。

表1 R290、R22的主要熱物性參數(shù)Table 1 Thermal and physical property parameters of R290 and R22

圖1為運(yùn)用REFPROP軟件擬合的R290、R22隨溫度變化的飽和蒸氣壓力曲線圖。從圖1中可以看出，在低溫區(qū)區(qū)段，二者的壓力曲線幾乎重合，說明在相同的低壓下R290能獲得和R22同樣的低溫;在中、高溫區(qū)區(qū)段，飽和蒸氣壓力 R290低于R22，這有利于降低壓縮機(jī)壓比、當(dāng)系統(tǒng)低壓一定時(shí)，有利于降低壓縮機(jī)排氣壓力和排氣溫度，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 R290，R22隨溫度變化的飽和蒸氣壓力曲線圖Fig.1 Saturation vapor pressure changing withtemperature curve for R290 and R22

2.2 非共沸混合制冷劑R290/R23和R22/R23最低蒸發(fā)溫度比較

針對(duì)本文的四級(jí)自動(dòng)復(fù)疊系統(tǒng)，分別選用R290和R22作為高溫級(jí)制冷劑進(jìn)行理論計(jì)算分析，運(yùn)用REFPROP軟件擬合出第一級(jí)復(fù)疊中主要混合工質(zhì)組分R290/R23和R22/R23的壓力溫度特性曲線，分別取具有代表性的充注質(zhì)量比例7:3、5:5、3:7，在不同壓力下，可以得到不同的最低蒸發(fā)溫度［7］，如圖2、3、4所示。從圖2、3、4中可以看出，無論是哪一種質(zhì)量比例，R290/R23組合的最低蒸發(fā)溫度均低于R22/R23組合，因此，R290與R23組成的混合制冷劑更有利于冷凝蒸發(fā)器E2中對(duì)下一級(jí)低溫制冷劑的冷凝，降低高溫級(jí)制冷劑的充注量，有利于整個(gè)系統(tǒng)壓力的降低，促進(jìn)后續(xù)低溫級(jí)制冷劑的充注。

圖2 R290/R23與R22/R23質(zhì)量比例7:3最低蒸發(fā)溫度隨壓力變化曲線圖Fig.2 Pressure and minimum evaporation temperature relationship curve with mass ratio 7:3 of R290/R23 and R22/R23

圖3 R290/R23與R22/R23質(zhì)量比例5:5最低蒸發(fā)溫度隨壓力變化曲線圖Fig.3 Pressure and minimum evaporation temperature relationship curve with mass ratio 5:5 of R290/R23 and R22/R23

圖4 R290/R23與R22/R23質(zhì)量比例3:7最低蒸發(fā)溫度隨壓力變化曲線圖Fig.4 Pressure and minimum evaporation temperature relationship curve with mass ratio 3:7 of R290/R23 and R22/R23

3 實(shí)驗(yàn)調(diào)試

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示，針對(duì)四級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)和-140℃的目標(biāo)溫度，研究選擇R290/R23/R14/R50組成非共沸混合制冷劑，主要熱物性參數(shù)見表2。這4種制冷劑滿足多級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷劑選配原則:各組元之間互溶，但不形成共沸混合工質(zhì);有一定的沸點(diǎn)間距，間距在40—80℃范圍內(nèi)［8］。

圖5 單級(jí)壓縮四級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)系統(tǒng)圖A.壓縮機(jī);B.緩沖器;C.冷凝器;D.回?zé)崞?E1—E5.冷凝蒸發(fā)器;F1—F3.第1—3級(jí)氣液分離器;G.干燥過濾器;H1—H5.毛細(xì)管;I.壓力控制閥;J.氣體旁通閥;T.膨脹容器;K.蒸發(fā)器;1—23.溫度測點(diǎn)。Fig.5 Diagram of single-compressor four-stage auto-cascade cycle system

在設(shè)計(jì)工況下，系統(tǒng)高壓定為2 MPa，低壓定為0.2 MPa，環(huán)境溫度35℃左右，按照模擬比例先后充入 R290、R23、R14、R50，實(shí)驗(yàn)經(jīng)過多次調(diào)試后出現(xiàn)如下實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表2 混合工質(zhì)組分主要熱物性參數(shù)Table 2 Thermal and physical properties parameters of mixed refrigerant components

3.1 吸氣溫度、排氣溫度、柜內(nèi)溫度變化情況

圖6為壓縮機(jī)吸、排氣溫度，柜內(nèi)空氣溫度隨時(shí)間變化情況。實(shí)驗(yàn)在環(huán)境溫度35℃的環(huán)境室內(nèi)進(jìn)行。從圖6中可以看出開機(jī)之后，吸氣溫度從35℃迅速下降，初期有些溫度波動(dòng)，并且由于環(huán)境溫度在系統(tǒng)運(yùn)行210 min至360 min期間在30—38℃之間波動(dòng)，導(dǎo)致了吸氣溫度在此期間圍繞-13℃做上下1—2℃的波動(dòng)，6 h之后在-13℃左右穩(wěn)定運(yùn)行，溫度波動(dòng)不超過0.5℃。排氣溫度開機(jī)之后也以較快的速度上升，最高溫度達(dá)到125℃，隨后隨環(huán)境溫度變化在117—125℃之間波動(dòng)，6 h之后穩(wěn)定在120℃。由于是停機(jī)之后再開機(jī)測試，柜內(nèi)溫度還沒來得及恢復(fù)到環(huán)境溫度，所以柜溫的起始溫度為-16℃，系統(tǒng)運(yùn)行至195 min開始降溫，至255 min因受環(huán)境溫度影響降溫速度減慢，6 h之后，穩(wěn)定在-142℃。

圖6 壓縮機(jī)吸、排氣溫度，柜內(nèi)溫度，環(huán)境溫度變化圖Fig.6 Suction temperature and discharge temperature of compressor，freezer internal temperature and ambient temperature

3.2 吸、排氣壓力變化情況

系統(tǒng)采用泰康低溫壓縮機(jī)，能夠很好的適應(yīng)開機(jī)壓力較高的情況。從圖7可以看出，開機(jī)后，吸氣壓力迅速下降至0.15 MPa，隨后小范圍內(nèi)波動(dòng)，6 h之后，穩(wěn)定在0.19 MPa。排氣壓力開機(jī)后迅速升高，最高壓力2.8 MPa，150 min后開始下降，下降至2.0 MPa后又隨環(huán)境溫度變化波動(dòng)，6 h后穩(wěn)定在2.1 MPa，壓比11，與設(shè)計(jì)工況吻合的較好。

3.3 各級(jí)毛細(xì)管節(jié)流后降溫特性

圖8為各級(jí)節(jié)流后溫度變化情況。隨著開機(jī)運(yùn)行，各級(jí)節(jié)流后溫度均在平衡溫度點(diǎn)穩(wěn)定段時(shí)間后開始降溫，其中第一級(jí)節(jié)流后溫度(測點(diǎn)9)最先到達(dá)穩(wěn)定溫度-70℃，然后依次是第二級(jí)節(jié)流溫度(測點(diǎn)11)-100℃，第三級(jí)節(jié)流后溫度(測點(diǎn)17)-132℃，蒸發(fā)器出口溫度(測點(diǎn)21)-143℃，符合各級(jí)溫度變化規(guī)律，前級(jí)的穩(wěn)定制冷是后級(jí)溫度下降的前提。同時(shí)各級(jí)節(jié)流后溫度受到環(huán)境溫度較大的影響。

圖7 壓縮機(jī)吸排氣壓力變化圖Fig.7 Suction pressure and discharge pressure of compressor

圖8 各級(jí)毛細(xì)管節(jié)流后降溫特性曲線Fig.8 Decreasing temperature characteristic curves of each capillaries after throttling

4 結(jié)論

理論模擬計(jì)算表明，R290與R22有較相近的熱物性，相同溫度條件下R290有更低的飽和壓力，相同的壓力條件下有更大的汽化潛熱，與R23組成非共沸混合工質(zhì)能夠獲得更低的蒸發(fā)溫度，這些特性均說明R290能夠替代R22用作多級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)的高溫級(jí)制冷劑，并能獲得更好的制冷效果和更有利于系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

實(shí)驗(yàn)方面，在35℃的環(huán)境溫度下，充入混合制冷劑R290/R23/R14/R50進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲取了-142℃理想低溫，系統(tǒng)高壓穩(wěn)定在2.1 MPa，低壓穩(wěn)定在0.19 MPa，制冷量達(dá)到105 W，表明R290作為高溫級(jí)制冷劑能達(dá)到理想低溫，取得好的制冷效果。

由于在實(shí)驗(yàn)調(diào)試過程中引起了環(huán)境溫度的變化，導(dǎo)致吸、排氣壓力，吸排氣溫度產(chǎn)生波動(dòng)，改變了各級(jí)毛細(xì)管節(jié)流后的降溫特性，從而影響了系統(tǒng)的降溫速度，延長了系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間。穩(wěn)定后排氣溫度達(dá)到120℃，稍稍偏高，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)工作可以對(duì)混合工質(zhì)的質(zhì)量配比進(jìn)行微調(diào)，在不影響系統(tǒng)低溫的前提下，盡量降低排氣溫度，使系統(tǒng)能夠更加安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

1 楊 昭，吳 曦，尹海蛟，等.低溫室效應(yīng)HCFCS替代物性能分析［J］.制冷學(xué)報(bào)，2011，32(1):1-6.

2 Walker G.Cry coolers，Part1:Fundamentals［M］.NewYork:Plenum Press，1983.

3 陸向陽，黃 森，張 華，等.R22/R23自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)的特性研究［J］.低溫工程，2004(6):38-42.

4 黃 森，陸向陽，劉訓(xùn)海，等.R22/R23自動(dòng)復(fù)疊低溫冷柜的分析［J］.低溫與超導(dǎo)，2004，32(3):53-57.

5 鄭賢德.制冷原理與裝置［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

6 陳 偉，祁影霞，張 華.HCFCs制冷劑替代物研究進(jìn)展及性能分析［J］.低溫與超導(dǎo)，2011，39(12):41-44.

7 趙 巍，張海東，張 華.一種五級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)的初步試驗(yàn)研究［J］. 制冷學(xué)報(bào)，2011，32(1):28-32.

8 陸向陽，張 華，黃 森，等.R134a/R23自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)的試驗(yàn)研究［J］.低溫與特氣，2004，22(5):26-30.

Application of environment friendly refrigerant R290 in a four-stage auto-cascade refrigeration system

Zhao Wei1Zhang Hua1Xiao Chuanjing2Liu Hongshao3Liu Ruixi1
(1Institute of Refrigeration and Cryogenic，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China)
(2Emerson Climate Technologies Co.，Ltd，Suzhou 215021，China)
(3Danfoss automatic controls management(Shanghai)Co.，Ltd，Shanghai 200233，China)

The environment friendly refrigerant R290 was applied in a four-stage auto-cascade refrigeration system to replace R22.Theoretical simulation shows that the refrigerant R290 has similar thermo-physical properties with R22，a lower saturation pressure under the same temperature and larger latent heat of evaporation than R22.The non-azeotropic refrigerant mixtures R290 combine R23 can get a lower evaporation temperature than R22 combine R23.Using the mixed refrigerants R290/R23/R14/R50 to take experiment，the ideal low temperature of-142 ℃ was got，the refrigerating capacity reached 105 W.

auto-cascade;environment friendly refrigerants;R290;thermo-physical property;mixed refrigerants;ecreasing temperature characteristics

TB657

A

1000-6516(2013)01-0034-04

2012-11-20;

2013-01-31

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.51176124)、曙光跟蹤計(jì)劃項(xiàng)目(No.10GG21)資助。

趙 巍，女，38歲，博士研究生。