蒸發(fā)制冷系統(tǒng)的冷凝和蒸發(fā)過程性能分析

謝立新

(柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣西柳州545006)

蒸發(fā)制冷系統(tǒng)的冷凝和蒸發(fā)過程性能分析

謝立新

(柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣西柳州545006)

雙級(jí)復(fù)疊蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)在不同條件下工作性能相差較大，為了提高蒸發(fā)制冷系統(tǒng)的制冷效率，在對(duì)蒸發(fā)制冷系統(tǒng)的冷凝和蒸發(fā)過程性能進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，研究了雙級(jí)復(fù)疊蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的熱力理論關(guān)系式，并結(jié)合制冷系統(tǒng)的工作過程，給出了主要參數(shù)的計(jì)算關(guān)系式。然后再對(duì)雙級(jí)復(fù)疊蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試與分析，得到了主要制冷參數(shù)之間的相互關(guān)系式。

制冷系統(tǒng);蒸汽壓縮;性能分析;關(guān)系式;效率

0 前言

目前超低溫工況在工商業(yè)用途中的需求非常旺盛，蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)便是滿足這一市場需求的方法之一。普通單級(jí)制冷在－40℃以上的溫度條件下能有效運(yùn)行，然而，在要達(dá)到更低的溫度條件時(shí)，這種系統(tǒng)就不太可行了。這是由于蒸發(fā)和壓縮過程距離飽和線還比較遠(yuǎn)，因此制冷量和壓縮機(jī)效率也就較低。為了提高效率、降低壓縮功率，必須采用兩級(jí)或多級(jí)制冷，因此系統(tǒng)會(huì)接近飽和線運(yùn)行。Khan和Zubair利用有限時(shí)間熱力學(xué)模型廣泛研究了制冷性能的提高［1－2］，研究結(jié)果表明通過適當(dāng)分配蒸發(fā)器和冷凝器之間的全熱交換區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)的性能優(yōu)化。相關(guān)研究結(jié)果也表明雙級(jí)系統(tǒng)的性能優(yōu)于簡單的循環(huán)系統(tǒng)，這依賴于閃發(fā)式中冷器的級(jí)間溫度。

然而，在很多需要同時(shí)供冷供熱的工業(yè)應(yīng)用上，普通多級(jí)制冷系統(tǒng)在擴(kuò)大熱源與熱源間溫度差方面還存在不足，目前，復(fù)疊制冷系統(tǒng)是最佳之選。國內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用大量數(shù)值計(jì)算分析后，發(fā)現(xiàn)復(fù)疊制冷系統(tǒng)在用二氧化碳和丙烷以中溫加熱和冷卻方面具有優(yōu)化性能。通過驗(yàn)證測試也表明在加熱和冷卻時(shí)，復(fù)疊系統(tǒng)的性能系數(shù)隨著兩者溫度的接近或重疊而單調(diào)增加。

Kilicarslan用兩個(gè)單獨(dú)的復(fù)疊制冷系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)和理論分析后發(fā)現(xiàn):性能系數(shù)主要是一個(gè)函數(shù)蒸發(fā)溫度和壓力［3］。研究同時(shí)表明水流量的變化幾乎不對(duì)性能系數(shù)產(chǎn)生影響。還有學(xué)者研究了壓縮機(jī)入口壓力和出口壓力對(duì)復(fù)疊制冷系統(tǒng)的溫度分配產(chǎn)生的影響，結(jié)果表明當(dāng)壓縮機(jī)入口壓力和出口壓力低時(shí)，可獲得較低的蒸發(fā)壓［4］。

在實(shí)際情況中，尤其是在四季分明地區(qū)，復(fù)疊制冷冷凝器在不同的冷凝溫度下工作，要達(dá)到其最佳性能，需要研究確定最佳溫度條件。在另外的工況下，為了獲得特定用途下的超低溫，需要把膨脹閥出口壓力調(diào)整到低蒸發(fā)壓［5］。這兩個(gè)變量構(gòu)成了復(fù)疊制冷系統(tǒng)的重要運(yùn)行參數(shù)。在本文中，為研究冷凝過程和蒸發(fā)過程之間的關(guān)系，對(duì)蒸發(fā)制冷系統(tǒng)整體性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。

1 蒸發(fā)制冷系統(tǒng)工作過程分析

圖1闡述了復(fù)疊制冷系統(tǒng)的基本原理，圖1(a)以熵為橫坐標(biāo)，溫度為縱坐標(biāo)，圖1(b)是壓縮循環(huán)中的壓力熱焓圖。圖中所示的是蒸發(fā)制冷系統(tǒng)在相應(yīng)熱力學(xué)過程中的圖形。此系統(tǒng)包含兩種制冷循環(huán)，分別是低溫階段系統(tǒng)和高溫階段系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)相互連接，又同時(shí)與復(fù)疊換熱器連接，高溫階段系統(tǒng)的熱量退回到冷卻水冷凝器，而冷卻室提供蒸發(fā)熱量。

圖1 復(fù)疊制冷系統(tǒng)的工作過程熱力關(guān)系圖

在對(duì)制冷系統(tǒng)的工作過程進(jìn)行分析之前，首先給出相關(guān)公式的符合說明。COP表示性能系數(shù)，Cp表示比熱(kJ/kg)，HS/LS表示高階段/低階段循環(huán)，h表示焓(kJ/kg)，I表示電流(A)，amb表示周圍，m表示質(zhì)量流量，cas表示復(fù)疊，P表示壓力(bar)，cond表示冷凝，Pr表示壓力比，comp表示壓縮，Q表示熱能，T表示溫度，eνap表示蒸發(fā)，V表示電勢，in/out表示進(jìn)口/出口流量，W表示壓縮機(jī)功率，sys表示復(fù)疊系統(tǒng)，η表示效率，tot表示總數(shù)，θ表示相位，xν表示水。

低溫階段制冷劑蒸發(fā)成汽液狀態(tài)，基于對(duì)膨脹閥出入口之間等焓流動(dòng)的假設(shè)，此態(tài)的焓計(jì)算如下:

通過吸收冷卻室的熱量，低溫階段制冷劑在蒸發(fā)器出口將轉(zhuǎn)換成過熱氣態(tài)，系統(tǒng)產(chǎn)生的制冷量計(jì)算如下:

低溫階段密閉壓縮器分別提高低溫階段制冷劑的壓力和溫度，壓縮機(jī)里制冷劑產(chǎn)生出的工作量計(jì)算如下:

在復(fù)疊換熱器里，通過復(fù)疊換熱器被退回到高溫階段系統(tǒng)的熱量等于:

復(fù)疊換熱器里的能量守恒為:

從態(tài)4到態(tài)5，在公式(1)中解釋的等焓條件下，節(jié)流過程得以進(jìn)行。特別說明:在這個(gè)研究中，膨脹閥出口與蒸發(fā)器入口的距離非常近，因此，這個(gè)點(diǎn)視為同一個(gè)點(diǎn)。

對(duì)于高溫階段循環(huán)的分析與低溫階段區(qū)別較大，高溫階段制冷劑蒸發(fā)成汽液狀態(tài)。基于對(duì)膨脹閥出入口之間等焓流動(dòng)的假設(shè)，此態(tài)的焓計(jì)算如下:

通過吸收復(fù)疊換熱器里由低階循環(huán)產(chǎn)生的熱量:

復(fù)疊蒸發(fā)器揮發(fā)出的制冷劑呈過熱狀態(tài)。

密閉壓縮機(jī)提供1態(tài)與2態(tài)之間的壓力梯值。壓縮器里制冷量計(jì)算如下:

此外，電能產(chǎn)生的壓縮功計(jì)算如下:

由于運(yùn)用了密閉交互壓縮機(jī)，對(duì)壓縮機(jī)里的熱能損失忽略不計(jì)，本文假定高溫階段壓縮器的焓變率等于輸送到壓縮器的電能，因此:

在水冷冷凝器里，3態(tài)的余熱被轉(zhuǎn)送到水，因此，高溫階段系統(tǒng)的冷卻劑轉(zhuǎn)化成4態(tài)的過冷液，這個(gè)過程中的焓計(jì)算如下:

另外，水側(cè)吸收的熱率是:

因此，冷卻劑側(cè)和水側(cè)之間的能量平衡是:

從5態(tài)到4態(tài)，在公式(6)解釋的等焓條件下，節(jié)流過程得以發(fā)生。復(fù)疊系統(tǒng)的性能計(jì)算如下:

2 蒸發(fā)制冷系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)測試

圖2表示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理圖，冷卻回路中使用了外直徑為12mm的銅管。

圖2 蒸發(fā)制冷系統(tǒng)的工作原理圖

高溫階段循環(huán)制冷劑從壓縮機(jī)出口經(jīng)水冷在管殼冷凝器里冷卻。水冷安裝了溫度控制器以便調(diào)節(jié)出水溫度。進(jìn)水溫度在12～40℃之間變化。為測量水流量，水冷系統(tǒng)的出口上安裝有轉(zhuǎn)子流量計(jì)。

同時(shí)，低溫回路的制冷劑被管殼復(fù)疊換熱器冷卻，冷凝之后，制冷劑分別在高溫階段和低溫階段循環(huán)系統(tǒng)里被恒溫或可變膨脹閥膨脹。低溫階段系統(tǒng)里的可變膨脹閥在0.8～3.0 bar之間。通過使用加濕器和電熱器，周邊空間濕度和溫度得以保留在特定范圍內(nèi)。進(jìn)水溫度設(shè)定在8～35℃，環(huán)境溫度為16～28℃，環(huán)境濕度在40%～60%，高溫階段蒸發(fā)壓力1.5～2.4 bar，低溫階段蒸發(fā)壓力0.9～2.2 bar。

低溫階段蒸發(fā)器放置在冷卻室里，冷卻劑通過螺旋換熱盤管流入低溫階段蒸發(fā)器，換熱器的核心嵌入空心管，從而周邊空氣能夠加熱蒸發(fā)器。為形成壓力梯，在高溫階段和低溫階段循環(huán)系統(tǒng)上安裝了2馬力的密閉壓縮機(jī)。這兩個(gè)級(jí)別的電能耗用功率計(jì)來測量［6－7］。

為測量低溫階段回路里的制冷劑流量，在液體管路上連接了精確度為+1%的流量計(jì)。連接在管道表面的熱電偶測量制冷劑回路的溫度。T型熱電偶由于其在－200～300℃應(yīng)用中的相對(duì)穩(wěn)定而廣泛應(yīng)用。這種電熱偶在0.5℃時(shí)最為穩(wěn)定，允許0.4%的超差，其工作時(shí)是附著在銅管表面的［8］。而RTD型電熱偶則安裝在高溫系統(tǒng)冷凝器入口和出口的水旁。在壓力傳感方面，高溫階段系統(tǒng)和低溫階段系統(tǒng)的壓縮機(jī)、膨脹閥和冷凝器的出入口安裝有壓力傳感器。

所有這些數(shù)據(jù)每間隔10s由數(shù)據(jù)記錄器記錄下來。基于實(shí)驗(yàn)研究，這種復(fù)疊制冷系統(tǒng)從啟動(dòng)到達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)需要大約1h，在兩種壓力與溫度的調(diào)整之間實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定至少需要10min。

3 制冷性能分析

汽化溫度與蒸發(fā)溫度之間存在比例關(guān)系。當(dāng)汽化溫度的下降可以直接降低蒸發(fā)溫度。當(dāng)壓縮機(jī)進(jìn)口壓力達(dá)到真空狀態(tài)時(shí)，由于冷凍機(jī)油將會(huì)蒸發(fā)，損壞壓縮機(jī)，阻止達(dá)到低溫的主要障礙出現(xiàn)。同時(shí)，隨著水溫的變化，進(jìn)水溫度為20℃時(shí)，蒸發(fā)溫度達(dá)到－81℃的最低溫。

表1、2分別表示進(jìn)水溫度和蒸發(fā)壓力與高溫階段和低溫階段的壓力比關(guān)系圖。進(jìn)水溫度增加會(huì)導(dǎo)致高溫階段壓力比升高，因?yàn)槔淠龎毫屠淠郎囟壬撸瑥亩黾恿藟毫Ρ取５蜏仉A段壓力比也升高，盡管幅度不如高溫階段壓力比那么大［9］。同時(shí)，低溫階段壓力比隨蒸發(fā)壓的升高而降低，然而，高溫階段壓力比僅隨蒸發(fā)壓的升高輕微下降［10］。

表1 進(jìn)水溫度與壓力比關(guān)系表

表2 蒸發(fā)壓力與壓力比關(guān)系表

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)質(zhì)量流率隨著蒸發(fā)壓和進(jìn)水溫度的升高而升高，低溫系統(tǒng)膨脹閥通道的收縮會(huì)使質(zhì)量流率隨著蒸發(fā)溫度的躍升而劇增［11］。質(zhì)量流率的變化對(duì)制冷性能有重要影響。此外，通過運(yùn)用模擬軟件的制冷劑特性，可以得出了冷凝熱、制冷負(fù)荷、制冷系統(tǒng)的壓縮功等熱力學(xué)性質(zhì)。當(dāng)蒸發(fā)壓升高時(shí)，制冷量急速增加，但這并非是因?yàn)殪噬怯捎谥疤接戇^的質(zhì)量流率的提高［12］。

4 總結(jié)

制冷系統(tǒng)的性能日益成為降低能源成本和間接緩解環(huán)境危機(jī)的極其重要的關(guān)鍵因素。從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)，到最終的運(yùn)行工況，無不包含著性能優(yōu)化。本文通過對(duì)復(fù)疊蒸汽壓縮循環(huán)性能的分析和研究，得到其在高溫階段和低溫階段下，冷凝和蒸發(fā)過程的詳細(xì)性能分析結(jié)果。并且通過實(shí)驗(yàn)的分析得到了制冷系統(tǒng)中的主要參數(shù)直接的相互影響關(guān)系。

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［責(zé)任編輯劉景平］

The Performance Analysis of Condensation and Evaporation Process of Evaporation Refrigeration System

XIE Li－xin
(Department of Mechanical－electrical Engineering，Liuzhou Vocational and Technical College，Liuzhou，Guangxi545006，China)

The two－stage cascade evaporation compression refrigeration system performance is highly different under the dissimilar condition．To raise the evaporation refrigeration system cooling efficiency，this paper makes the performance analysis of condensation and the evaporation process of evaporation refrigeration system in details，studies thermal energy theory relationship of two－stage cascade evaporation compression refrigeration system，and presents themain parameter computation relationship by unifying the refrigeration system work process．Then it carries on the experiment and makes an analysis of the two－stage cascade evaporation compression refrigeration system，and obtains themain refrigeration parameter relationship．

refrigeration system;steam compression;performance analysis;relationship;efficiency

book=0,ebook=6

TB61

B

1672－9021(2012)02－0039－05

謝立新(1965－)，男，廣西柳州人，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系副教授，主要研究方向:空調(diào)制冷技術(shù)。

柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研基金資助課題(2009B01)。

2012－02－20