楊永安楊昭劉 斌

(1天津大學(xué)熱能研究所 天津 300072;2天津市制冷技術(shù)重點實驗室天津商業(yè)大學(xué) 天津 300134)

－60℃水冷自復(fù)疊制冷系統(tǒng)研究

楊永安1，2楊昭1劉 斌2

(1天津大學(xué)熱能研究所 天津 300072;2天津市制冷技術(shù)重點實驗室天津商業(yè)大學(xué) 天津 300134)

提出一種新型水冷自復(fù)疊制冷循環(huán)方式，用冷凝分離器代替?zhèn)鹘y(tǒng)循環(huán)的冷凝器和相分離器，在冷凝分離器中同時完成了高沸點工質(zhì)的冷凝及高沸點工質(zhì)與低沸點工質(zhì)的分離。對采用這種冷凝分離器的水冷自復(fù)疊制冷循環(huán)方式的R22/R23、R290/R170、R134a/R23、R134a/R170四種工質(zhì)對進(jìn)行了循環(huán)特性研究。在自行搭建的水冷自復(fù)疊制冷系統(tǒng)實驗臺上進(jìn)行了

混合工質(zhì)；自復(fù)疊；制冷循環(huán)；冷凝分離器

自復(fù)疊制冷機(jī)(Auto-cascade Refrigerator，簡稱ACR)用單臺壓縮機(jī)壓縮由兩種或兩種以上純工質(zhì)組成的工質(zhì)對，用富含高沸點組分工質(zhì)的蒸發(fā)吸熱冷凝富含低沸點組分工質(zhì)，當(dāng)富含低沸點組分工質(zhì)蒸發(fā)時實現(xiàn)低溫制冷，具有系統(tǒng)簡單、壓縮比低、制造成本低等優(yōu)點。

1936年，Walter JPodbielniak[1]首次提出了帶氣液分離器的自復(fù)疊循環(huán)。Ruhemann M[2]以R22/R13為工質(zhì)對，制冷溫度達(dá)到－65℃。PB Kennedy等[3]提出帶精餾的自復(fù)疊循環(huán)。柴可夫斯基·庫茲涅夫等[4]以R12/R13為工質(zhì)對，實現(xiàn)了單級壓縮一次分凝的自復(fù)疊制冷循環(huán)。當(dāng)蒸發(fā)壓力為0.1MPa、壓縮比為11時，得到了－80℃的蒸發(fā)溫度。Tchaikovsky V F[5]采用雙級壓縮、一次分凝的自復(fù)疊循環(huán)，以R12/R13為工質(zhì)對，當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時達(dá)到了－96℃的最低蒸發(fā)溫度。Albert TMyre等[6]采用最簡單的重力分離方式將自復(fù)疊制冷系統(tǒng)應(yīng)用于環(huán)境實驗箱中，高沸點工質(zhì)使用R12、R22、R502，低沸點工質(zhì)使用R13、R503。系統(tǒng)運轉(zhuǎn)1 h，箱內(nèi)溫度達(dá)到－68℃。Kruse H等[7]對采用 R12/R13、R22/R13 和R12/R13B1為工質(zhì)對的自復(fù)疊制冷循環(huán)進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，得到了自復(fù)疊工質(zhì)對的標(biāo)準(zhǔn)沸點相差越大，循環(huán)的COP越高的結(jié)論。Kiyoshi Sakuma等[8－9]采用R12/R13工質(zhì)對，R12在－30℃蒸發(fā)，R13在－81℃蒸發(fā)。在系統(tǒng)啟動時，可以在較寬的制冷溫度區(qū)間提供更大的冷量。李文林等[10]以R13/R12為工質(zhì)對，在容積為70 L的低溫箱中得到了－55℃的溫度，COP為11.4%。陳光明等[11－18]用填料式精餾塔代替氣液分離器，進(jìn)行了一系列研究，提出了變濃度自復(fù)疊制冷系統(tǒng)。

本文采用了一種新型水冷 ACR循環(huán)(Watercooling Auto-cascade Refrigeration，簡稱WACR)，用冷凝分離器替代了傳統(tǒng)的風(fēng)冷冷凝器和分離器，壓縮后的混合工質(zhì)直接進(jìn)入冷凝分離器中進(jìn)行冷凝和分離。本文對由R22/R23、R290/R170、R134a/R23、R134a/ R170四種工質(zhì)對進(jìn)行了循環(huán)特性分析研究，并用R22/R23、R134a/R23兩種工質(zhì)對進(jìn)行了實驗研究。

1 理論分析

1·1 WACR循環(huán)

WACR循環(huán)原理見圖1，壓焓圖見圖2。

圖1 水冷自復(fù)疊制冷系統(tǒng)原理圖Fig·1 Water-cooled auto-cascade refrigeration cycle(WACR)

圖2 水冷自復(fù)疊制冷循環(huán)壓-焓圖Fig·2WARCsystempressure-enthalpy diagram

循環(huán)過程如下:從冷凝蒸發(fā)器出來的高沸點工質(zhì)蒸氣(5)和從蒸發(fā)器出來的低沸點工質(zhì)蒸氣(8)混合為二元非共沸混合工質(zhì)蒸氣(1)，進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮至高壓的混合氣體(2)，然后高壓混合工質(zhì)蒸氣進(jìn)入冷凝分離器中，混合工質(zhì)放熱后冷卻，高沸點工質(zhì)冷凝后流到冷凝分離器下部(3H)，低沸點工質(zhì)的蒸氣冷卻后到達(dá)冷凝分離器上部(3L)。冷凝分離器低部的高沸點工質(zhì)經(jīng)節(jié)流閥降壓后(4)在冷凝蒸發(fā)器中吸收低沸點工質(zhì)蒸氣放出的冷凝熱而蒸發(fā)(5)；冷凝分離器頂部的低沸點工質(zhì)蒸氣從冷凝分離器上部進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器中，向高沸點工質(zhì)放熱后冷凝(6)，節(jié)流降壓后(7)進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)，產(chǎn)生制冷現(xiàn)象，完成自復(fù)疊循環(huán)。

1·2 冷凝分離器分離效果的理論分析

冷凝分離器結(jié)構(gòu)簡圖如圖3，可以看出:當(dāng)高壓混合工質(zhì)蒸氣進(jìn)入冷凝分離器后，由于溫度較高和壓力作用，氣體沿冷凝分離器向“3L”出口運動，最終效果就是使冷凝分離器中高沸點工質(zhì)的分壓力越小越好。當(dāng)冷卻水的溫度滿足以下3個條件時，混合氣體中高沸點工質(zhì)就會冷凝分離出來，在重力作用下聚集于冷凝分離器的底部:

圖3 冷凝分離器結(jié)構(gòu)簡圖Fig·3 Diagramof condenser phase separator

1)小于該混合氣體中高沸點工質(zhì)分壓力所對應(yīng)的飽和溫度；

2)高于低沸點工質(zhì)的臨界溫度；

3)低于此壓力下混合氣體的臨界溫度。

對于這一個過程，作如下假設(shè):

1)冷凝分離過程阻力可以忽略不計，且為飽和冷凝；

2)冷凝分離出的高沸點工質(zhì)液體沒有聚集在冷凝器表面上，都自由流向冷凝分離器的底部；

3)冷凝分離器內(nèi)部橫截面混合氣體分布一致，組分只沿流動方向變化；

4)低沸點工質(zhì)在上行過程中的顯熱要遠(yuǎn)小于高沸點工質(zhì)的潛熱；

5)冷凝分離器橫截表面溫度分布一致，只在縱軸方向上有變化；

6)冷卻水的流量足夠大，溫度小于高沸點工質(zhì)的冷凝溫度。

基于以上假設(shè)，對混合氣體上行中的任一段做質(zhì)量平衡和能量平衡分析，如圖4。

圖4 冷凝分離器單元分離過程Fig·4 Separation process in condenser-phase separator unit

其中:tW為冷卻水進(jìn)口溫度，℃；PH為入口的高沸點工質(zhì)的分壓力，Pa；R為冷凝分離器的半徑，m；d L為任意取的單元段，m。

由于過熱段和過冷段的換熱量都較小，所選擇的分析段為凝結(jié)段，對這個單元段進(jìn)行能量及質(zhì)量平衡分析，可以得到以下方程:

傳質(zhì)方程:

傳熱方程:

式中:mHc為凝結(jié)的高沸點工質(zhì)量，kg/s；α為質(zhì)交換系數(shù)，kg/(m2·Pa·s)；A為單位體積的凝結(jié)面積，m2/m3，與冷凝分離器結(jié)構(gòu)中填料有關(guān)的參數(shù)；PH為高沸點工質(zhì)的分壓力，Pa；PHs為凝結(jié)表面上高沸點工質(zhì)的分壓力，Pa；CW為冷卻水的比熱，J/(kg·℃)；W為冷卻水流量，kg/s；tW為冷卻水的溫度，℃；rH為高沸點工質(zhì)在一定溫度下的凝結(jié)潛熱，J/kg；D為冷凝分離器的直徑，m。

為了求解冷凝分離器的分離效果，重點求解傳質(zhì)方程?？紤]到假設(shè)條件第4條，傳質(zhì)方程可以改寫為下式:

對傳質(zhì)方程中的mHc的計算如下:

式中:V為流入d L的氣體量，m3；RH為高沸點工質(zhì)氣體常數(shù)，J/(kg·℃)；tHin、tHout為高沸點工質(zhì)氣體進(jìn)出d L段時的溫度，℃，ts為所對應(yīng)壓力下的飽和溫度，℃。對V值可以用下式表達(dá):

式中:v為混合氣體流速，m/s；ε為冷凝分離器的流通系數(shù)，與冷凝分離器結(jié)構(gòu)有關(guān)。

把公式(5)代入公式(4)中可以得:

分別代入公式(1)和公式(2)，有:

對ts可以通過對飽和壓力曲線擬合得到相應(yīng)的方程，以下3個表達(dá)式擬合了3種不同的方程:

指數(shù)方程:

直線方程:

冪次方程:

當(dāng)混合氣體初始狀態(tài)為p0時，從假設(shè)條件第6條可以知道，在冷凝分離時，可以加大冷卻水的流量，使冷凝分離表面的溫度盡可能地保持一致，因此方程中的tHs為一定值，等于冷卻水溫度加上傳熱溫差。對方程求解后就可以得到傳質(zhì)方程的解，高沸點工質(zhì)的分壓力變化為:

如果考慮冷凝管表面的制冷劑液體都進(jìn)入冷凝分離器的底部，則上述兩方程分別可表示為:

如果冷卻水的溫度低于混合氣體中低沸點工質(zhì)分壓力所對應(yīng)的飽和溫度時，這時低沸點工質(zhì)也將被冷凝分離出來。

經(jīng)分析結(jié)論如下:

1)隨著混合氣體的速度增大，高沸點工質(zhì)分離效果越來越差；

2)當(dāng)冷凝溫度達(dá)到高沸點工質(zhì)分壓力所對應(yīng)的飽和溫度后，對高沸點工質(zhì)的冷凝分離效果幾乎是不變的；

3)冷凝分離器單位體積凝結(jié)面積的越大，分離效果越來越好，且當(dāng)冷凝分離器其它結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時，分離段的高度存在著優(yōu)化值；

4)冷凝分離器的流通系數(shù)與冷凝分離器單位體積凝結(jié)面積大小相關(guān)。當(dāng)冷凝分離器單位體積凝結(jié)面積較大時，冷凝分離器的流通系數(shù)將變小，流速變大。

2 不同工質(zhì)對的循環(huán)特性比較

在冷凝分離器優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，對R22/R23、R290/R170、R134a/R23、R134a/R170四種工質(zhì)對進(jìn)行了循環(huán)特性分析。

2·1 蒸發(fā)溫度對循環(huán)比率的影響

系統(tǒng)的循環(huán)比率，即參與循環(huán)的高沸點工質(zhì)與低沸點工質(zhì)質(zhì)量流量之比。在4組二元非共沸混合工質(zhì)中，都是隨著蒸發(fā)溫度的升高而降低，參見圖5，計算工況冷凝溫度為20℃，EX4回?zé)崞鳠o回?zé)?，冷凝蒸發(fā)器換熱溫差為2℃時。在系統(tǒng)運行時，隨著自復(fù)疊制冷系統(tǒng)低沸點工質(zhì)蒸發(fā)溫度的降低，低沸點工質(zhì)的相對參與量會減少，而高沸點工質(zhì)相對參與量會增加。這是由于低沸點工質(zhì)蒸發(fā)溫度較低時，蒸發(fā)壓力也相應(yīng)降低，而影響到高沸點工質(zhì)的蒸發(fā)溫度相應(yīng)降低，為滿足系統(tǒng)冷凝蒸發(fā)器內(nèi)平衡的需要，高沸點工質(zhì)必然以提高質(zhì)量流量的方式滿足低沸點工質(zhì)冷凝。

圖5 系統(tǒng)循環(huán)比率隨蒸發(fā)溫度的變化曲線Fig·5 Curves of cycling ratio with change of evaporation temperature

2·2 蒸發(fā)溫度對COP的影響

圖6示出當(dāng)冷凝溫度為20℃、冷凝蒸發(fā)器換熱溫差為2℃時，在不同蒸發(fā)溫度下各二元非共沸混合工質(zhì)的COP。在相同的工況下，各二元非共沸混合工質(zhì)的COP由大到小依次為:R22/R23、R290/R170、R134a/R23、R134a/R170。在－74～－60℃蒸發(fā)溫度區(qū)間內(nèi)，R22/R23組成的二元非共沸混合工質(zhì)的COP是R134a/R170的1.3倍。R290/R170組成的二元非共沸混合工質(zhì)的COP雖然比R22/R23的低，但比R134a/R23和R134a/R170高，可貴的是R290 和R170均是自然工質(zhì)，ODP和GWP值均為0，是二元非共沸混合工質(zhì)ACR循環(huán)的發(fā)展方向。

圖6 各工質(zhì)對的理論COP隨蒸發(fā)溫度變化曲線Fig·6 Curves of COPwith change of evaporation temperature

COP隨蒸發(fā)溫度的變化幾乎是線性關(guān)系，只有R22/R23在－80～－74℃之間曲線表現(xiàn)出非線性，其主要原因是在此溫度段中，R22的冷凝溫度高于R23在冷凝蒸發(fā)器中的的冷凝溫度，系統(tǒng)整體冷凝溫度被R22提高。

2·3 排氣溫度

圖7為排氣溫度隨蒸發(fā)溫度的變化曲線，計算條件為冷凝溫度為20℃、冷凝蒸發(fā)器換熱溫差為2℃。從圖中可以看出，R134a/R23的排氣溫庶為115℃，R290/R170組成的二元非共沸混合工質(zhì)ACR循環(huán)的排氣溫度最低，為83℃，這些溫度對于普通冷凍潤滑油即可滿足系統(tǒng)要求。

圖7 各工質(zhì)對的排氣溫度隨蒸發(fā)溫度變化曲線Fig·7 Curves of discharge temperature with change of evaporation temperature

2·4 壓縮比

圖8為壓縮比隨蒸發(fā)溫度的變化曲線，計算條件為冷凝溫度為20℃、冷凝蒸發(fā)器換熱溫差為2℃。由圖8可以看出，壓縮比由小到大的排序為R290/ R170、R22/R23、R134a/R23、R134a/R170，由于R290/R170壓縮比較低，更適用于ACR循環(huán)。

圖8 各工質(zhì)對的壓縮比隨蒸發(fā)溫度變化曲線Fig·8 Curves of pressure ratio with change of evaporation temperature

3 實驗研究

本文在理論研究的基礎(chǔ)上搭建了水冷自復(fù)疊制冷系統(tǒng)實驗臺，由于條件限制，只對 R22/R23、R134a/R23工質(zhì)對組成的自復(fù)疊制冷循環(huán)進(jìn)行實驗研究，圖9為在設(shè)計計算基礎(chǔ)上搭建的實驗裝置原理圖以及實物圖。圖中主要部件包括壓縮機(jī)、冷凝器、精餾塔、冷凝蒸發(fā)器、節(jié)流裝置、蒸發(fā)器、回?zé)崞饕约耙曇虹R、干燥過濾器等輔助元件。

圖9 實驗裝置圖Fig·9 Experiment table

溫度測量采用T型熱電偶，溫度巡檢儀為FLUKE巡檢儀，水流量計為轉(zhuǎn)子流量計。

3·1 冷卻水溫度對COP的影響

圖10為冷凝分離器的冷卻水溫度對COP的影響。從圖中可以看出，COP隨著冷卻水溫的升高而下降。主要原因是冷卻水的進(jìn)水溫度影響了自復(fù)疊循環(huán)系統(tǒng)的冷凝溫度。由于蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)壓力確定，高沸點工質(zhì)的蒸發(fā)溫度沒有發(fā)生變化，冷凝溫度的升高會使冷凝溫度對應(yīng)下的冷凝壓力的提高而增加系統(tǒng)的壓縮功，同時降低了高沸點工質(zhì)的單位制冷量，進(jìn)而影響系統(tǒng)的 COP。同樣如圖 11所示，R134a/R23系統(tǒng)的COP隨著冷卻水溫度的升高而降低。從圖10和圖11中還可以看出，在相同的蒸發(fā)溫度，相同的冷卻水溫度下，R22/R23系統(tǒng)的COP要高于R134a/R23系統(tǒng)。

實驗同樣表明，采用R22/R23工質(zhì)對的水冷自復(fù)疊制冷系統(tǒng)COP較文獻(xiàn)[10]所提出的系統(tǒng)的COP為11.4%，本系統(tǒng)的提高率達(dá)到60%～100%。

圖10 R22/R23 COP隨冷卻水進(jìn)水溫度變化圖Fig·10 COPof R22/R23 systemwith the change of the inlet temperature of the cooling water

圖11 R134a/R23 COP隨冷卻水進(jìn)水溫度變化圖Fig·11 COPof R134a/R23 systemwith the change of the inlet temperature of the cooling water

3·2 冷卻水溫度對壓縮比的影響

圖12～圖13可以看出，冷卻水溫度對循環(huán)壓縮比影響很大，當(dāng)蒸發(fā)溫度一定時，冷卻水的溫度影響了冷凝溫度。隨著冷卻水溫度升高，冷凝壓力升高，循環(huán)壓縮比增大。從圖中還可以看出，當(dāng)冷凝溫度一定時，自復(fù)疊制冷循環(huán)的壓縮比隨著蒸發(fā)溫度的下降而上升，這一點與普通蒸氣壓縮制冷循環(huán)基本相同。當(dāng)運行工況相同時，由R134a組成的混合工質(zhì)自復(fù)疊制冷循環(huán)壓縮比要大于R22/R23系統(tǒng)。在制冷循環(huán)中，當(dāng)系統(tǒng)的壓縮比較小時，意味著壓縮機(jī)的相對余隙容積較小，壓縮機(jī)的實際排氣量較大，壓縮機(jī)輸氣系數(shù)較高，系統(tǒng)的COP會得到提高，因此選用小壓縮比的混合工質(zhì)對R22/R23較為合適。

圖12 R134a/R23在to＝－68℃和－60℃時壓縮比隨冷卻水進(jìn)水溫度的變化圖Fig·12 Compression ratio of R134a/R23 with the change of the cooling water temperature under evaporation temperature of－68℃and－60℃

圖13 R22/R23與R134a/R23在to＝－68℃時壓縮比隨冷卻水進(jìn)水溫度的變化圖Fig·13 Compression ratio of R22/R23 and R134a/R23 with the change of the cooling water temperature under evaporation temperature of－68℃

4 結(jié)論

1)本文用冷凝分離器替代了傳統(tǒng)自復(fù)疊制冷循環(huán)中的冷凝器和分離器，壓縮后的過熱混合工質(zhì)直接進(jìn)入冷凝分離器中進(jìn)行冷凝和分離，方案可行。冷凝分離的程度與混合氣體初始狀態(tài)、流動狀態(tài)、冷卻水溫度及冷凝分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。理論研究和實驗研究均表明，新型水冷自復(fù)疊制冷循環(huán)COP明顯提高，為自復(fù)疊制冷循環(huán)向大型化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2)對由R22/R23、R290/R170、R134a/R23、R134a/R170四種工質(zhì)對組成的自復(fù)疊制冷循環(huán)中，COP由大到小依次為:R22/R23、R290/R170、R134a/ R23、R134a/R170。由R290/R170組成的二元非共沸混合二元混合工質(zhì)在四種二元混合工質(zhì)完成的自復(fù)疊制冷循環(huán)中排氣溫度低、壓縮比小，系統(tǒng)COP高，工質(zhì)ODP和GWP為0，具有較好的大氣友好性，是今后自復(fù)疊制冷循環(huán)的首選工質(zhì)。

3)搭建了相應(yīng)的實驗裝置，分別進(jìn)行了R22/ R23和R134a/R23混合工質(zhì)對的實驗研究，結(jié)果表明制冷系統(tǒng)的COP隨蒸發(fā)溫度的變化幾乎是線性關(guān)系；在相同的蒸發(fā)溫度，相同的冷卻水溫度下，R22/ R23系統(tǒng)的COP要高于R134a/R23系統(tǒng)；當(dāng)運行工況相同時，由R134a組成的混合工質(zhì)自復(fù)疊制冷循環(huán)壓縮比要大于R22/R23系統(tǒng)。R22/R23組成的水冷自復(fù)疊制冷系統(tǒng)實驗性能明顯優(yōu)于R134a/R23組成的水冷自復(fù)疊制冷系統(tǒng)；和傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)相比，效率提高60%～100%。

本文受天津市科技支撐項目(142C2DNC00016)資助。(The project was supported by the Science and Technology Support Programof Tianjin(No.142C2DNC00016).)

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About the author

Yang Yongan，male，senior engineer，Tianjin University of Commerce，＋86 13820522256，E-mail:yyan＠tjcu.edu.cn.Research fields:optimization design of refrigeration system.

Study of Water-cooled Auto-cascade Refrigeration Cycle withALowTem perature of－60℃

Yang Yongan1，2Yang Zhao1Liu Bin2

(1.School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin，300072，China；2.The Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin University of Commerce，Tianjin，300134，China)

Anew water-cooled auto-cascade refrigeration cycle(WACR)usingAbinary refrigerantmixture is presented，which adoptsAcondenser-phase separator instead ofAcondenser and an evaporative separator in traditional auto-cascade refrigeration cycle.In condenserphase separator，high boiling point refrigerant can be condensed，and high boiling point and low boiling point refrigerants can be separated.Characteristics of four binary refrigerantmixtures(R22/R23，R290/R170，R134a/R23，and R134a/R170)circulation were analyzed.And the WACR using R22/R23 and R134a/R23 were studied experimentally.In the same condition，the COPof WACR using R22/R23 is higher than that of theWACR systemusing R134a/R23.Compared with the traditional system，COPof the new water-cooled auto-cascade refrigeration cycle(WACR)is higher from60%to 100%.

mixed refrigerant；auto-cascade；refrigeration cycle；condenser-phase separator

TB61＋1；TB64；TB657.5

A

0253－4339(2015)02－0052－07

10.3969/j.issn.0253－4339.2015.02.052

楊永安，男，高級工程師，博士，天津商業(yè)大學(xué)，13820522256，E-mail:yyan＠tjcu.edu.cn。研究方向:制冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。

2014年6月23日

R22/R23、R134a/R23兩種工質(zhì)對的實驗研究。結(jié)果表明，在相同工況下，R22/R23自復(fù)疊制冷系統(tǒng)的COP要高于R134a/R23自復(fù)疊制冷系統(tǒng)；和傳統(tǒng)的自復(fù)疊系統(tǒng)相比，采用冷凝分離器的水冷自復(fù)疊制冷循環(huán)COP明顯提高，提升率達(dá)到60%～100%。