蒸發制冷系統的冷凝和蒸發過程性能分析

謝立新

(柳州職業技術學院機電工程系，廣西柳州545006)

蒸發制冷系統的冷凝和蒸發過程性能分析

謝立新

(柳州職業技術學院機電工程系，廣西柳州545006)

雙級復疊蒸汽壓縮制冷系統在不同條件下工作性能相差較大，為了提高蒸發制冷系統的制冷效率，在對蒸發制冷系統的冷凝和蒸發過程性能進行詳細分析的基礎上，研究了雙級復疊蒸汽壓縮制冷系統的熱力理論關系式，并結合制冷系統的工作過程，給出了主要參數的計算關系式。然后再對雙級復疊蒸汽壓縮制冷系統進行了實驗測試與分析，得到了主要制冷參數之間的相互關系式。

制冷系統;蒸汽壓縮;性能分析;關系式;效率

0 前言

目前超低溫工況在工商業用途中的需求非常旺盛，蒸汽壓縮制冷系統便是滿足這一市場需求的方法之一。普通單級制冷在－40℃以上的溫度條件下能有效運行，然而，在要達到更低的溫度條件時，這種系統就不太可行了。這是由于蒸發和壓縮過程距離飽和線還比較遠，因此制冷量和壓縮機效率也就較低。為了提高效率、降低壓縮功率，必須采用兩級或多級制冷，因此系統會接近飽和線運行。Khan和Zubair利用有限時間熱力學模型廣泛研究了制冷性能的提高［1－2］，研究結果表明通過適當分配蒸發器和冷凝器之間的全熱交換區域，可以實現制冷系統的性能優化。相關研究結果也表明雙級系統的性能優于簡單的循環系統，這依賴于閃發式中冷器的級間溫度。

然而，在很多需要同時供冷供熱的工業應用上，普通多級制冷系統在擴大熱源與熱源間溫度差方面還存在不足，目前，復疊制冷系統是最佳之選。國內外學者運用大量數值計算分析后，發現復疊制冷系統在用二氧化碳和丙烷以中溫加熱和冷卻方面具有優化性能。通過驗證測試也表明在加熱和冷卻時，復疊系統的性能系數隨著兩者溫度的接近或重疊而單調增加。

Kilicarslan用兩個單獨的復疊制冷系統，通過實驗和理論分析后發現:性能系數主要是一個函數蒸發溫度和壓力［3］。研究同時表明水流量的變化幾乎不對性能系數產生影響。還有學者研究了壓縮機入口壓力和出口壓力對復疊制冷系統的溫度分配產生的影響，結果表明當壓縮機入口壓力和出口壓力低時，可獲得較低的蒸發壓［4］。

在實際情況中，尤其是在四季分明地區，復疊制冷冷凝器在不同的冷凝溫度下工作，要達到其最佳性能，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整到低蒸發壓［5］。這兩個變量構成了復疊制冷系統的重要運行參數。在本文中，為研究冷凝過程和蒸發過程之間的關系，對蒸發制冷系統整體性能進行了實驗分析。

1 蒸發制冷系統工作過程分析

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

圖1 復疊制冷系統的工作過程熱力關系圖

在對制冷系統的工作過程進行分析之前，首先給出相關公式的符合說明。COP表示性能系數，Cp表示比熱(kJ/kg)，HS/LS表示高階段/低階段循環，h表示焓(kJ/kg)，I表示電流(A)，amb表示周圍，m表示質量流量，cas表示復疊，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，V表示電勢，in/out表示進口/出口流量，W表示壓縮機功率，sys表示復疊系統，η表示效率，tot表示總數，θ表示相位，xν表示水。

低溫階段制冷劑蒸發成汽液狀態，基于對膨脹閥出入口之間等焓流動的假設，此態的焓計算如下:

通過吸收冷卻室的熱量，低溫階段制冷劑在蒸發器出口將轉換成過熱氣態，系統產生的制冷量計算如下:

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，壓縮機里制冷劑產生出的工作量計算如下:

在復疊換熱器里，通過復疊換熱器被退回到高溫階段系統的熱量等于:

復疊換熱器里的能量守恒為:

從態4到態5，在公式(1)中解釋的等焓條件下，節流過程得以進行。特別說明:在這個研究中，膨脹閥出口與蒸發器入口的距離非常近，因此，這個點視為同一個點。

對于高溫階段循環的分析與低溫階段區別較大，高溫階段制冷劑蒸發成汽液狀態。基于對膨脹閥出入口之間等焓流動的假設，此態的焓計算如下:

通過吸收復疊換熱器里由低階循環產生的熱量:

復疊蒸發器揮發出的制冷劑呈過熱狀態。

密閉壓縮機提供1態與2態之間的壓力梯值。壓縮器里制冷量計算如下:

此外，電能產生的壓縮功計算如下:

由于運用了密閉交互壓縮機，對壓縮機里的熱能損失忽略不計，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態的余熱被轉送到水，因此，高溫階段系統的冷卻劑轉化成4態的過冷液，這個過程中的焓計算如下:

另外，水側吸收的熱率是:

因此，冷卻劑側和水側之間的能量平衡是:

從5態到4態，在公式(6)解釋的等焓條件下，節流過程得以發生。復疊系統的性能計算如下:

2 蒸發制冷系統性能實驗測試

圖2表示實驗系統的原理圖，冷卻回路中使用了外直徑為12mm的銅管。

圖2 蒸發制冷系統的工作原理圖

高溫階段循環制冷劑從壓縮機出口經水冷在管殼冷凝器里冷卻。水冷安裝了溫度控制器以便調節出水溫度。進水溫度在12～40℃之間變化。為測量水流量，水冷系統的出口上安裝有轉子流量計。

同時，低溫回路的制冷劑被管殼復疊換熱器冷卻，冷凝之后，制冷劑分別在高溫階段和低溫階段循環系統里被恒溫或可變膨脹閥膨脹。低溫階段系統里的可變膨脹閥在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。進水溫度設定在8～35℃，環境溫度為16～28℃，環境濕度在40%～60%，高溫階段蒸發壓力1.5～2.4 bar，低溫階段蒸發壓力0.9～2.2 bar。

低溫階段蒸發器放置在冷卻室里，冷卻劑通過螺旋換熱盤管流入低溫階段蒸發器，換熱器的核心嵌入空心管，從而周邊空氣能夠加熱蒸發器。為形成壓力梯，在高溫階段和低溫階段循環系統上安裝了2馬力的密閉壓縮機。這兩個級別的電能耗用功率計來測量［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。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℃應用中的相對穩定而廣泛應用。這種電熱偶在0.5℃時最為穩定，允許0.4%的超差，其工作時是附著在銅管表面的［8］。而RTD型電熱偶則安裝在高溫系統冷凝器入口和出口的水旁。在壓力傳感方面，高溫階段系統和低溫階段系統的壓縮機、膨脹閥和冷凝器的出入口安裝有壓力傳感器。

所有這些數據每間隔10s由數據記錄器記錄下來。基于實驗研究，這種復疊制冷系統從啟動到達到相對穩定狀態需要大約1h，在兩種壓力與溫度的調整之間實現系統穩定至少需要10min。

3 制冷性能分析

汽化溫度與蒸發溫度之間存在比例關系。當汽化溫度的下降可以直接降低蒸發溫度。當壓縮機進口壓力達到真空狀態時，由于冷凍機油將會蒸發，損壞壓縮機，阻止達到低溫的主要障礙出現。同時，隨著水溫的變化，進水溫度為20℃時，蒸發溫度達到－81℃的最低溫。

表1、2分別表示進水溫度和蒸發壓力與高溫階段和低溫階段的壓力比關系圖。進水溫度增加會導致高溫階段壓力比升高，因為冷凝壓力和冷凝溫度升高，從而增加了壓力比。低溫階段壓力比也升高，盡管幅度不如高溫階段壓力比那么大［9］。同時，低溫階段壓力比隨蒸發壓的升高而降低，然而，高溫階段壓力比僅隨蒸發壓的升高輕微下降［10］。

表1 進水溫度與壓力比關系表

表2 蒸發壓力與壓力比關系表

通過對實驗結果進行分析發現質量流率隨著蒸發壓和進水溫度的升高而升高，低溫系統膨脹閥通道的收縮會使質量流率隨著蒸發溫度的躍升而劇增［11］。質量流率的變化對制冷性能有重要影響。此外，通過運用模擬軟件的制冷劑特性，可以得出了冷凝熱、制冷負荷、制冷系統的壓縮功等熱力學性質。當蒸發壓升高時，制冷量急速增加，但這并非是因為焓升，而是由于之前探討過的質量流率的提高［12］。

4 總結

制冷系統的性能日益成為降低能源成本和間接緩解環境危機的極其重要的關鍵因素。從設計、生產，到最終的運行工況，無不包含著性能優化。本文通過對復疊蒸汽壓縮循環性能的分析和研究，得到其在高溫階段和低溫階段下，冷凝和蒸發過程的詳細性能分析結果。并且通過實驗的分析得到了制冷系統中的主要參數直接的相互影響關系。

參考文獻:

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［2］羅超，黃興華，陳江平.不同環境參數對間冷式冰箱蒸發器結霜換熱性能的影響［J］.制冷學報，2008，(1).

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［9］郝亮，闞杰，袁秀玲.蒸發式冷凝器穩態模型數值模擬［J］.制冷與空調，2005，(4).

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［11］邱嘉昌，劉黃炳.制冷系統采用蒸發式冷凝器的節能效果［J］.上海節能，2006，(2).

［12］洪廣昌，林濤.蒸發式冷凝器在工業制冷機組上的選型和應用［J］.化工生產與技術，2008，(3).

［13］蔣翔，朱冬生，唐廣棟，等.蒸發式冷凝器管外流體流動與傳熱傳質強化［J］.工程熱物理學報，2008，(10).

［責任編輯劉景平］

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，柳州職業技術學院機電工程系副教授，主要研究方向:空調制冷技術。

柳州職業技術學院科研基金資助課題(2009B01)。

2012－02－20