王 棟 姜敬德 任紅梅 梁高豐

(1安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 馬鞍山 243002)

(2上海出入境檢驗(yàn)檢疫局機(jī)電產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)中心 上海 200135)

(3無(wú)錫雪浪環(huán)境科技股份有限公司 無(wú)錫 214125)

充注量對(duì)小型CO2制冷系統(tǒng)影響的實(shí)驗(yàn)研究

王 棟1姜敬德2任紅梅1梁高豐3

(1安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 馬鞍山 243002)

(2上海出入境檢驗(yàn)檢疫局機(jī)電產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)中心 上海 200135)

(3無(wú)錫雪浪環(huán)境科技股份有限公司 無(wú)錫 214125)

為了研究充注量對(duì)小型二氧化碳制冷系統(tǒng)的影響，利用一套展示柜二氧化碳制冷系統(tǒng)，進(jìn)行了不同充注量的實(shí)驗(yàn)。討論了充注量對(duì)二氧化碳制冷系統(tǒng)吸排氣壓力、運(yùn)行功率、吸排氣溫度的影響。同時(shí)，結(jié)合本系統(tǒng)，對(duì)假臨界現(xiàn)象進(jìn)行了分析，結(jié)果表明:充注量不足，蒸發(fā)、冷凝壓力低，壓縮機(jī)吸、排氣溫度高，系統(tǒng)COP較低;充注量過(guò)多，系統(tǒng)運(yùn)行功率高，系統(tǒng)制冷系數(shù)降低;系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，回?zé)崞鳠醾?cè)出口達(dá)到假臨界溫度，吸、排氣溫度產(chǎn)生突降;隨著充注量的增加，吸、排氣溫度突降點(diǎn)前移。本研究可為跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)最佳充注量的確定及如何維持系統(tǒng)高效運(yùn)行提供理論指導(dǎo)。

二氧化碳 充注量 假臨界溫度

1 引言

近年來(lái)，隨著臭氧層的破壞和全球溫室效應(yīng)等環(huán)保問(wèn)題日益突出，作為CFCs和HCFCs制冷劑的替代者，CO2作為理想的制冷劑開(kāi)始得到重視，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外制冷界的重視［1-5］。當(dāng)前，小型制冷系統(tǒng)中大多采用傳統(tǒng)制冷劑，用CO2代替?zhèn)鹘y(tǒng)制冷劑應(yīng)用于小型系統(tǒng)的研究已經(jīng)在很多國(guó)家開(kāi)展起來(lái)。小型系統(tǒng)一般采用毛細(xì)管作為節(jié)流元件，具有簡(jiǎn)單、可靠、廉價(jià)且可使壓縮機(jī)的起動(dòng)力矩減小等優(yōu)點(diǎn)［2］，但其不能隨著制冷負(fù)荷的變化來(lái)調(diào)節(jié)節(jié)流截面，當(dāng)制冷循環(huán)的運(yùn)行工況偏離原設(shè)計(jì)工況時(shí)，將會(huì)偏離機(jī)組的最佳工作狀態(tài)。制冷劑過(guò)多或過(guò)少，都將影響制冷裝置的工作性能［6］，Choi J M 等［7-9］對(duì)傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的研究表明，不合適的制冷劑充注量會(huì)影響系統(tǒng)的制冷性能、穩(wěn)定性和可靠性，劉洪勝等［10］研究了CO2充注量對(duì)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)性能的影響。目前，關(guān)于充注量對(duì)小型CO2制冷系統(tǒng)(冷柜、冰箱等)影響的文獻(xiàn)較少，隨著小型CO2制冷裝置的應(yīng)用，對(duì)其充注量進(jìn)行研究具有較大的必要性。

本文以制冷劑充注量為變量，毛細(xì)管長(zhǎng)度為定量進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理，分析了充注量對(duì)各個(gè)運(yùn)行參數(shù)的影響。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法簡(jiǎn)介

本實(shí)驗(yàn)是基于本課題組自行設(shè)計(jì)研發(fā)的一套展示柜CO2制冷系統(tǒng)完成的，通過(guò)在各個(gè)部件的進(jìn)、出口布置熱電偶測(cè)出溫度值，在壓縮機(jī)的吸、排氣口處布置壓力表和壓力傳感器測(cè)出吸氣、排氣壓力，共布置了20個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)和3個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，所有的溫度及壓力測(cè)試數(shù)據(jù)均由美國(guó)Agilent公司的34970A數(shù)據(jù)采集儀直接讀入到計(jì)算機(jī)，完成數(shù)據(jù)的處理，包括實(shí)時(shí)顯示、相關(guān)計(jì)算、控制輸出以及打印輸出等。同時(shí)，選用了一個(gè)功率表對(duì)系統(tǒng)的總功率進(jìn)行測(cè)量，該儀表帶有RS232通訊口以與計(jì)算機(jī)通訊使用，為實(shí)現(xiàn)功率數(shù)據(jù)的采集與保存，用VB語(yǔ)言編制了功率采集程序，采集時(shí)間間隔可通過(guò)功率采集界面設(shè)置。另外通過(guò)VB與access的連接，可將功率計(jì)所測(cè)得的數(shù)值逐個(gè)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)文件中，圖1為制冷系統(tǒng)及測(cè)點(diǎn)布置圖。

圖1 制冷系統(tǒng)及測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Diagram of refrigeration system and point arrangement

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，首先依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)容積預(yù)估了充注量，然后在一定充注量范圍內(nèi)對(duì)毛細(xì)管長(zhǎng)度進(jìn)行了調(diào)節(jié)及選擇，在確定了毛細(xì)管的參數(shù)后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了充注量對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

本次實(shí)驗(yàn)采用滿載的展示柜系統(tǒng)作為研究對(duì)象，溫控器設(shè)定溫度為3.3℃。在充注量為400 g時(shí)，關(guān)閉充注閥門(mén)，運(yùn)行制冷機(jī)組至穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)(壓縮機(jī)自動(dòng)啟停階段稱為為穩(wěn)定運(yùn)行階段)，全程采集數(shù)據(jù)，穩(wěn)定運(yùn)行5 h，切斷壓縮機(jī)電源，試驗(yàn)結(jié)束。在充注量為400 g的實(shí)驗(yàn)完成后又做了充注量為408、416、426 g 3組試驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)的加氣和放氣均利用鋼瓶來(lái)實(shí)現(xiàn)，用電子稱稱得鋼瓶充氣前后的重量相減，得出充注量，電子秤精度為±1 g。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 充注量對(duì)壓縮機(jī)吸、排氣壓力及功率的影響

圖2、3分別為穩(wěn)定運(yùn)行階段，不同充注量條件下，壓縮機(jī)吸、排氣壓力及功率隨時(shí)間的變化圖。

圖2 壓縮機(jī)吸、排氣壓力隨充注量的變化圖Fig.2 Change chart of suction pressure and exhaust pressure

從圖2可以看出隨著充注量的增加，蒸發(fā)壓力和冷凝壓力逐漸上升。這是因?yàn)椋渥⒘坎蛔銜r(shí)，壓縮機(jī)的吸氣量大于蒸發(fā)器中的制冷劑蒸氣總量，隨著充入的制冷劑增加，蒸發(fā)器中蒸氣量增加，當(dāng)超過(guò)了壓縮機(jī)吸氣量時(shí)，蒸發(fā)器中會(huì)滯留剩余制冷劑蒸氣，導(dǎo)致蒸發(fā)壓力升高;冷凝器中制冷劑總量也隨著充注量的增大而增大，超過(guò)最佳值后，就不能及時(shí)通過(guò)毛細(xì)管排出，造成冷凝器負(fù)荷增大，冷凝壓力上升。

在系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，柜內(nèi)負(fù)載溫度達(dá)到溫控器設(shè)定的3.3℃，之后機(jī)組進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，圖3體現(xiàn)了充注量對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行功率的影響:隨著充注量的增加，功率變大。其原因?yàn)槌渥⒘康脑黾邮姑?xì)管的質(zhì)量流量變大，而壓縮機(jī)的功率與制冷劑的質(zhì)量流量成正比，故功率增大。

圖3 不同充注量的功率曲線Fig.3 Power curve in the working condition of different refrigerant charge

3.2 充注量對(duì)壓縮機(jī)吸、排氣溫度的影響

圖4、5分別為展示柜內(nèi)負(fù)載從初溫32.2℃開(kāi)始降溫至系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行階段的壓縮機(jī)吸、排氣溫度曲線。

圖4 不同充注量下的壓縮機(jī)吸氣溫度曲線Fig.4 Curves of suction temperature on compressor of different refrigerant charge

圖5 不同充注量下的壓縮機(jī)排氣溫度曲線Fig.5 Curves of exhaust temperature on compressor of different refrigerant charge

從圖4中可看出，充注量為400 g時(shí)，吸氣溫度較高，這是由蒸發(fā)器出口處的制冷劑過(guò)熱較大引起的，隨著充注量的增多，在408 g和416 g這個(gè)范圍內(nèi)，吸氣溫度變化相對(duì)較小;充注量達(dá)到426 g時(shí)，由于制冷劑沒(méi)有相變完畢，吸氣溫度產(chǎn)生了相對(duì)明顯的下降。這也說(shuō)明最佳充注量應(yīng)該介于408 g與416 g之間。

充注量從400 g逐漸增加到426 g時(shí)，雖然壓縮機(jī)功率增大，產(chǎn)生的熱量增多，理論上，排氣溫度應(yīng)該升高，但壓縮機(jī)的排氣溫度由吸氣溫度及功率共同決定，吸氣溫度降低會(huì)導(dǎo)致排氣溫度降低，由于在400 g到426 g這個(gè)范圍內(nèi)，前者占據(jù)主要地位，因此，總體表現(xiàn)還是隨著充注量的增大，排氣溫度降低。

超臨界流體在臨界點(diǎn)附近有一個(gè)重要特性，即假(準(zhǔn))臨界點(diǎn)狀態(tài)，在假(準(zhǔn))臨界溫度下，等壓比熱容變?yōu)樽畲笾担瑩Q熱系數(shù)最大，文獻(xiàn)［11］介紹了假(準(zhǔn))臨界溫度與其對(duì)應(yīng)的壓力的關(guān)系，式(1)為文獻(xiàn)［12］給出的假(準(zhǔn))臨界溫度和壓力的關(guān)系式:

式中:p為壓力，MPa;7.5 MPa≤p≤14.0 MPa

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中(以416 g這個(gè)工況為例)，對(duì)回?zé)崞鳠醾?cè)出口溫度及出口壓力進(jìn)行測(cè)量，在機(jī)組運(yùn)行550 min時(shí)，溫度值為36℃，壓力值為8.3 MPa，這和文獻(xiàn)介紹的假臨界溫度與其對(duì)應(yīng)的壓力關(guān)系非常符合，可以認(rèn)定此時(shí)回?zé)崞鳠醾?cè)出口達(dá)到假(準(zhǔn))臨界溫度，質(zhì)量流率增加，壓降增大，導(dǎo)致氣體冷卻器內(nèi)壓力減小，因此，排氣溫度會(huì)有所下降，隨著假(準(zhǔn))臨界溫度及其對(duì)應(yīng)壓力的減小，最大等壓比熱容迅速增大，換熱系數(shù)相應(yīng)增大，最終使排氣溫度快速降低，吸氣溫度也相應(yīng)降低，圖4、5中550 min以后，吸、排氣溫度產(chǎn)生突降即由此產(chǎn)生。

圖4、5中還顯示出，隨著充注量增加，排氣溫度出現(xiàn)突降點(diǎn)的時(shí)間不斷前移，這是因?yàn)槌渥⒘吭酱?，排氣壓力變高，?dǎo)致回?zé)崞鳠醾?cè)出口壓力增加，而充注量增加引起的排氣溫度下降也使得回?zé)崞鳠醾?cè)出口溫度下降，這樣，回?zé)嵫h(huán)中的回?zé)崞鳠醾?cè)出口更易達(dá)到假(準(zhǔn))臨界狀態(tài)，吸、排氣溫度突降點(diǎn)也就會(huì)隨著制冷劑充注量的增加而前移。

4 結(jié)論

(1)CO2制冷系統(tǒng)的充注量對(duì)其運(yùn)行性能有較大影響，存在著一個(gè)最佳充注量。

(2)充注量過(guò)多或過(guò)少都不利于系統(tǒng)運(yùn)行，充注量不足，蒸發(fā)、冷凝壓力低，壓縮機(jī)吸、排氣溫度高，系統(tǒng)運(yùn)行功率低;充注量過(guò)多，蒸發(fā)、冷凝壓力高，壓縮機(jī)吸、排氣溫度低，系統(tǒng)運(yùn)行最大功率高，對(duì)系統(tǒng)損耗大。

(3)在系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，由于采用了回?zé)崞鳎錈醾?cè)制冷劑出口溫度會(huì)達(dá)到假(準(zhǔn))臨界溫度，吸、排氣溫度將產(chǎn)生突降，隨著充注量的增加，吸、排氣溫度突降點(diǎn)前移。

1 王 棟，劉訓(xùn)海，李 蒙.應(yīng)用于展示柜的CO2蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)循環(huán)的分析［J］.制冷與空調(diào)，2010，10(4):85-87.

2 王 棟，李 蒙，戚利利，等.二氧化碳制冷系統(tǒng)毛細(xì)管的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究［J］. 化工學(xué)報(bào)，2011，62(10):2753-2758.

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Experimental study on performances of a small carbon dioxide refrigeration system at different refrigerant charge

Wang Dong1Jiang Jingde2Ren Hongmei1Liang Gaofeng3

(1School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Technology，Ma Anshan 243002，China)
(2Shanghai Machinery and Electrical Products Testing Center of Shanghai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Shanghai 200135，China)
(3Wuxi Xuelang Environmental Science and Technology Co.Ltd.，Wuxi 214125，China)

In order to study the effects of refrigerant charge on the performance for a small carbon dioxide refrigeration system，many experiments under different charge were carried out.The effects of changing the refrigerant charge on condensing pressure，evaporating pressure，power of system，condensingt emperature and evaporating temperature were discussed.By combining the system，pseudo critical condition was analyzed.The results indicate that undercharged carbon dioxide systems could result in decrease of the evaporator pressure and condenser pressure，improve of suction temperature and exhaust temperature of the compressor，COP is low.However，overcharged carbon dioxide systems could increase the power of system，decrease COP.The outlet hot side of internal heat exchanger reaches pseudo critical temperature after the plant works for a while，meantime the suction temperature and exhaust temperature drop suddenly.The point-in-time of sudden-drop temperature comes in advance constantly along with the increase of the refrigerant charge.This study may provide theoretical guidance on how to determine optimal refrigerant charge and

2 how to maintain efficient operation of the small carbon dioxide refrigeration system.

carbon dioxide;refrigerant charge;pseudo critical temperature

TB657.9

A

1000-6516(2013)01-0056-04

2012-11-06;

2013-02-03

王 棟，男，32歲，碩士，講師。