冷凍水流量和溫度對(duì)基于混合工質(zhì)的雙溫冷水機(jī)組性能影響

劉 劍 張小松

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 南京 210096)

冷凍水流量和溫度對(duì)基于混合工質(zhì)的雙溫冷水機(jī)組性能影響

劉 劍 張小松

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 南京 210096)

為研究冷凍水流量與溫度變化對(duì)基于大滑移溫度非共沸工質(zhì)雙溫冷水機(jī)組性能的影響規(guī)律，本文在大滑移溫度非共沸工質(zhì)的雙溫冷水機(jī)組實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了多組實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)分別研究了非共沸工質(zhì)R32/R236fa在不同質(zhì)量組分比例(0.4∶0.6，0.5∶0.5，0.6∶0.4)下，冷凍水流量由0.25 m3/h增大到0.45 m3/h，以及高溫冷凍水溫度變化時(shí)，冷水機(jī)組性能的變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在冷卻水進(jìn)出口溫度為32 ℃與37 ℃，高、低溫冷凍水溫度分別為7 ℃，16 ℃時(shí)，不同冷凍水流量下冷水機(jī)組的制冷效率(COP)最大為4.17，最小COP為3.27。此外，高溫冷凍水溫度變化對(duì)冷水機(jī)組COP存在明顯影響。實(shí)驗(yàn)為大滑移溫度的雙溫冷水機(jī)組的應(yīng)用提出了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

非共沸工質(zhì)；變流量；COP；大滑移溫度

隨著人們對(duì)環(huán)境問題的日益關(guān)注，CFCs類和HCFCs類制冷劑正逐步被禁用和淘汰，而非共沸工質(zhì)由于其本身特有的優(yōu)勢(shì)正受到越來越多的關(guān)注和研究。越來越多的非共沸混合工質(zhì)被提出來用于替代傳統(tǒng)工質(zhì)，例如R407C被用于替代R22，R401B用于替代R501、R12[1-2]，這些非共沸混合制冷劑正被迅速推廣使用。非共沸混合工質(zhì)的相變過程和純工質(zhì)有明顯的區(qū)別，它在相變時(shí)存在明顯的溫度滑移[3-5]。正是根據(jù)非共沸混合制冷劑的這一特點(diǎn)，許多學(xué)者希望利用它來逼近Lorenz循環(huán)，提高空調(diào)、熱泵等系統(tǒng)的運(yùn)行效率[6-9]。此外，非共沸制冷劑與純工質(zhì)相比存在其特有的相變傳熱現(xiàn)象[10-12]，其中對(duì)采用純工質(zhì)的系統(tǒng)，隨著換熱介質(zhì)流量的增加及流速加快，強(qiáng)化了工質(zhì)與換熱介質(zhì)之間的傳熱，使得系統(tǒng)的效率增加[13]。但對(duì)于非共沸工質(zhì)系統(tǒng)，在流量增加不大時(shí)，與純工質(zhì)的情況相同，系統(tǒng)的效率會(huì)隨換熱介質(zhì)流量的增加而上升，但當(dāng)換熱介質(zhì)流量繼續(xù)增加時(shí)，系統(tǒng)的效率反而會(huì)下降[11]。因此對(duì)于采用非共沸工質(zhì)的系統(tǒng)，有必要研究換熱介質(zhì)流量變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。此外，冷水機(jī)組在制取冷凍水時(shí)，蒸發(fā)溫度對(duì)機(jī)組性能有著顯著的影響[14-15]。本文以采用大滑移溫非共沸工質(zhì)R32/R236fa的雙溫冷水機(jī)組為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)冷凍水流量與高溫冷凍水出水溫度變化時(shí)雙溫冷水機(jī)組的運(yùn)行狀況展開實(shí)驗(yàn)研究，分析不同工況對(duì)冷水機(jī)組性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為大滑移溫度非共沸工質(zhì)應(yīng)用于雙溫冷水機(jī)組提供數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

搭建基于大滑移溫度非共沸工質(zhì)R32/R236fa的單級(jí)壓縮水冷冷水機(jī)組，實(shí)驗(yàn)裝置采用兩臺(tái)組管式換熱器將蒸發(fā)過程分為兩段進(jìn)行，從而獲得兩種不同溫度冷凍水。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置分兩部分，一部分是制冷劑循環(huán)，主要包括全封閉轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥、儲(chǔ)液器、干燥過濾器、視液鏡等，其中冷凝器與蒸發(fā)器都為套管式換熱器，兩流體在換熱器呈現(xiàn)逆流換熱。另一部分是冷凍水與冷卻水循環(huán)，每個(gè)循環(huán)中主要包括電加熱器、水泵(三級(jí)調(diào)速)、手動(dòng)閥門、蓄水箱等。實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖1所示。

1壓縮機(jī) 2冷凝器 3儲(chǔ)液器 4電子膨脹閥 5低溫蒸發(fā)器 6高溫蒸發(fā)器 7～9手動(dòng)調(diào)節(jié)閥 10～12流量計(jì) 13～15 電加熱器 16～18循環(huán)水泵 19～21水箱 P壓力測(cè)點(diǎn) T 溫度測(cè)點(diǎn)圖1 雙溫水冷冷水機(jī)組實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理圖1，制冷循環(huán)過程為大滑移溫度非共沸工質(zhì)R32/R236fa經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓的過熱氣體，流經(jīng)冷凝器冷凝成高壓過冷液體，通過儲(chǔ)液器、干燥過濾器之后，再經(jīng)過電子膨脹閥節(jié)流到低溫低壓的兩相區(qū)，之后混合工質(zhì)先經(jīng)過低溫套管式蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)，制取低溫冷凍水(7 ℃左右)，再經(jīng)過高溫套管式蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)，制取高溫冷凍水(16 ℃左右)，蒸發(fā)完的工質(zhì)由壓縮機(jī)吸入，完成制冷循環(huán)。

1.2 測(cè)量裝置

為保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與完整性，實(shí)驗(yàn)裝置中采用大量高精度傳感器及測(cè)量?jī)x表，用于測(cè)量壓縮機(jī)的吸氣與排氣溫度，吸氣與排氣壓力，冷卻水流量，冷卻水進(jìn)出口溫度，高、低溫冷凍水流量，高、低溫冷凍水進(jìn)出口溫度，壓縮機(jī)功耗等。傳感器、測(cè)量?jī)x表及測(cè)量?jī)x表的不確定度詳見表1，所有高精度傳感器都接入安捷倫數(shù)據(jù)采集儀中，并可通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的觀察及自動(dòng)記錄并保存到數(shù)據(jù)庫，用于數(shù)據(jù)處理與分析。

表1 測(cè)量值的不確定度Tab.1 Uncertainly of the measured parameters

1.3 非共沸工質(zhì)

實(shí)驗(yàn)中采用R32與R236fa的混合工質(zhì)作為制冷劑，其中不同質(zhì)量組分比例的混合工質(zhì)的相變特性由NIST8.0物性參數(shù)軟件計(jì)算得到，結(jié)果見表2。由表2可以看出不同質(zhì)量組分比例下混合工質(zhì)的滑移溫度最小為14.5 ℃，完全滿足雙溫冷水機(jī)組對(duì)非共沸工質(zhì)的要求。

表2 R32/R236fa在不同質(zhì)量組分比例下的熱力性質(zhì)Tab.2 Thermodynamic properties at different mass component concentration of R32/R236fa mixtures

2 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文對(duì)COP與制冷量對(duì)雙溫冷水機(jī)組進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中COP由公式(1)計(jì)算：

(1)

系統(tǒng)制冷量由公式(2)計(jì)算：

Qe=cpGe(tg,in-tg,out)+cpGe(td,in-td,out)(2)

此外，文中還將測(cè)量系統(tǒng)的排氣壓力與排氣溫度,對(duì)系統(tǒng)的安全性進(jìn)行分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了探究換熱介質(zhì)流量變化對(duì)機(jī)組性能的影響，實(shí)驗(yàn)對(duì)不同質(zhì)量組分比例的工質(zhì)進(jìn)行多組變工況實(shí)驗(yàn)，具體見表3。

為研究高溫冷凍水溫度變化對(duì)冷水機(jī)組性能的影響，實(shí)驗(yàn)對(duì)不同質(zhì)量組分比例的工質(zhì)進(jìn)行了多組變工況實(shí)驗(yàn)，具體見表4。

表3 變冷凍水流量實(shí)驗(yàn)工況Tab.3 Experimental conditions of variable chilled water flow rate

表4 變高溫冷凍水溫度實(shí)驗(yàn)工況Tab.4 Experimental conditions of variable chilled water temperature

3.1 測(cè)量結(jié)果不確定度分析

由于實(shí)驗(yàn)所用測(cè)量與采集工具存在一定誤差，為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，因此有必要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行誤差分析。其中計(jì)算的不確定度由公式(3)計(jì)算[16]：

(3)

各計(jì)算量的平均不確定度如表5所示：

表5 計(jì)算量的不確定度Tab.5 Uncertainty of calculated values

計(jì)算結(jié)果表明，各計(jì)算量的不確定度在±2%以內(nèi)，滿足精度要求。

3.2 冷凍水流量變化對(duì)機(jī)組制冷量的影響

由圖2可知，機(jī)組制冷量最大值出現(xiàn)在R32的質(zhì)量組分比例為0.6，冷卻水流量為0.8 m3/h，冷凍水流量為0.45 m3/h時(shí)，此時(shí)機(jī)組的制冷量為4.49 kW。機(jī)組制冷量最小值出現(xiàn)在R32的質(zhì)量組分比例為0.4，冷卻水流量為0.6 m3/h，冷凍水流量為0.25 m3/h時(shí)，此時(shí)機(jī)組的制冷量為3.14 kW。隨著冷凍水流量的增大，機(jī)組制冷量明顯增大，且增大的趨勢(shì)逐漸降低。可見冷凍水流量的增大，強(qiáng)化了蒸發(fā)器的換熱，增大制冷量；但降低了冷凍水進(jìn)出口溫差，其強(qiáng)化傳熱的作用越來越弱，制冷量增加的趨勢(shì)降低。此外，隨著R32的質(zhì)量組分比例的增大，機(jī)組的制冷量增大，原因在于R32的單位質(zhì)量制冷量大于R236fa。因此可得，通過增大冷凍水流量和混合工質(zhì)中R32的質(zhì)量組分比例，有利于提高機(jī)組的制冷量。

圖2 冷凍水流量變化對(duì)機(jī)組制冷量的影響Fig.2 Effect of variable chilled water flow rates on the refrigerating capacity of the unit

3.3 冷凍水流量變化對(duì)系統(tǒng)效率的影響

隨著冷凍水流量的變化，必然導(dǎo)致?lián)Q熱介質(zhì)進(jìn)出口溫度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致?lián)Q熱器中換熱溫差發(fā)生變化，對(duì)于換熱溫差采用公式(4)進(jìn)行計(jì)算：

(4)

圖3給出冷凍水流量變化時(shí)，蒸發(fā)器中換熱溫差與冷水機(jī)組制冷效率的變化。首先，機(jī)組制冷效率最大值出現(xiàn)在R32的質(zhì)量組分比例為0.6，冷卻水流量為0.8 m3/h，冷凍水流量為0.45 m3/h時(shí)，此時(shí)機(jī)組的制冷效率為4.16。機(jī)組制冷效率最小值出現(xiàn)在R32的質(zhì)量組分比例為0.4，冷卻水流量為0.6 m3/h，冷凍水流量為0.25 m3/h時(shí)，此時(shí)機(jī)組的制冷效率為3.26。機(jī)組的制冷效率隨冷凍水流量的增大而增大，蒸發(fā)器中換熱溫差隨冷凍水流量的增大而減小。因?yàn)殡S著冷凍水流量的增大，蒸發(fā)器中的換熱溫差減小，導(dǎo)致制冷劑的蒸發(fā)溫度與蒸發(fā)壓力升高，從而使得制冷效率增大；其次，從圖3中可得，低溫蒸發(fā)器中的換熱溫差小于高溫蒸發(fā)器中的換熱溫差，其原因?yàn)椋?)低溫蒸發(fā)器中制冷劑多位液態(tài)，而液液換熱效果要優(yōu)于氣液換熱效果；2)換熱器選擇時(shí)，低溫蒸發(fā)器選擇過大。最后，通過比較圖3中的(a)、(b)和(c)可得，隨著R32的質(zhì)量組分比例的增大，機(jī)組的制冷效率增大。

圖3 冷凍水流量變化對(duì)機(jī)組效率的影響Fig.3 Effect of variable chilled water flow rates on the COP of the unit

3.4 冷凍水流量變化下系統(tǒng)各狀態(tài)點(diǎn)變化

表6給出了冷凍水流量變化時(shí)機(jī)組各狀態(tài)點(diǎn)變化。首先，從表6中可得，冷凍水流量的變化對(duì)冷水機(jī)組的排氣溫度與排氣壓力的影響非常小。不同工況下，冷水機(jī)組的排氣溫度保持70～72 ℃左右。而隨著R32質(zhì)量組分比例的增大，冷水機(jī)組的排氣壓力增大明顯。可見由于R32的沸點(diǎn)低，隨著R32的質(zhì)量組分比例的升高，機(jī)組排氣壓力升高。其中，在R32的質(zhì)量組分比例為0.6時(shí)，機(jī)組的排氣壓力在不同的換熱介質(zhì)流量下接近2 MPa。總之，雖然當(dāng)R32的質(zhì)量組分比例越大時(shí)，機(jī)組的效率和制冷量越大，但此時(shí)機(jī)組的排氣壓力較高，因此在選擇混合工質(zhì)的組分時(shí)，R32的質(zhì)量組分比例應(yīng)在0.5左右。其次，隨著冷凍水流量的增大，蒸發(fā)器的進(jìn)出口溫度都逐漸增大，這說明制冷劑的蒸發(fā)壓力不斷升高，使得制冷劑的蒸發(fā)溫度不斷升高。隨著蒸發(fā)壓力的提高，蒸發(fā)器的換熱量不斷增大，導(dǎo)致蒸發(fā)器進(jìn)出口溫差不斷增大。

表6 不同冷凍水流量下冷水機(jī)組各狀態(tài)點(diǎn)Tab.6 State points of the unit under variable chilled water flow rates

3.5 高溫冷凍水溫度變化對(duì)冷水機(jī)組性能的影響

表7給出了高溫冷凍水溫度變化對(duì)冷水機(jī)組性能的影響。首先，從表7中可得，在R32的不同質(zhì)量組分比例下，冷水機(jī)組的制冷效率與制冷量都隨高溫冷凍水溫度的增大而增大。最大值出現(xiàn)在R32的質(zhì)量組分比例為0.6，高溫冷凍水溫度為17 ℃時(shí)，此時(shí)制冷效率為3.97，制冷量為4.29 kW；制冷效率最小值為3.52，制冷量為3.25 kW，此時(shí)R32的質(zhì)量組分比例為0.4，高溫冷凍水溫度為15.9 ℃。其次，高溫冷凍水溫度變化對(duì)壓縮機(jī)排氣溫度與排氣壓力的影響較小。最后，隨著高溫冷凍水溫度的增大，蒸發(fā)器進(jìn)出口的溫度都增大，且蒸發(fā)器進(jìn)出口的溫差也隨著高溫冷凍水溫度的增大而增大。低溫蒸發(fā)器中換熱量隨著高溫冷凍水溫度的升高而減小，高溫蒸發(fā)器則相反，原因在于隨著高溫冷凍水溫度的升高，高溫蒸發(fā)器的換熱量增大，而此刻換熱系數(shù)與換熱面積保持不變，因此換熱溫差必然增大。

4 結(jié)論

本文提出一種基于大滑移溫度非共沸工質(zhì)的雙溫冷水機(jī)組，并對(duì)冷凍水流量與高溫冷凍水溫度的變化對(duì)系統(tǒng)性能影響進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：

1)冷凍水流量的變化對(duì)機(jī)組的效率和制冷量都存在較大的影響。當(dāng)?shù)蜏乩鋬鏊鏊疁囟葹? ℃，高溫冷凍水出水溫度為16 ℃，冷卻水進(jìn)出口溫度分別為32 ℃與37 ℃時(shí)，機(jī)組制冷量與制冷效率最大值都出現(xiàn)在R32的質(zhì)量組分比例為0.6，冷卻水流量為0.8 m3/h，冷凍水流量為0.45 m3/h時(shí)，此時(shí)機(jī)組的制冷量為4.49 kW，制冷系數(shù)為4.17。組制冷量最小值出現(xiàn)在R32的質(zhì)量組分比例為0.4，冷卻水流量為0.6 m3/h，冷凍水流量為0.25 m3/h時(shí)，此時(shí)機(jī)組的制冷量為3.15 kW，制冷系數(shù)為3.36。

2)不同工況下的研究結(jié)果表明：冷水機(jī)組的排氣溫度保持在70～72 ℃左右，排氣溫度低，系統(tǒng)運(yùn)行溫度；R32的質(zhì)量組分比例對(duì)排氣壓力影響很大，當(dāng)非共沸混合工質(zhì)中R32的質(zhì)量組分比例為0.5時(shí)，不同換熱介質(zhì)流量下機(jī)組的排氣壓力1.8 MPa左右，排氣壓力適中。制冷系數(shù)最小為3.59，最大為4.06；制冷量最小為3.62，最大為4.07。因此該機(jī)組推薦所采用的混合工質(zhì)中R32的質(zhì)量組分比例度應(yīng)在0.5左右。

3)在其他工況一定情況下，隨高溫冷凍水出水溫度的升高，冷水機(jī)組的效率提高且最高可達(dá)3.97。

表7 高溫冷凍水溫度變化冷水機(jī)組的影響Tab.7 Effect of the temperature change of high temperature chilled water on the unit

符號(hào)說明

COP——制冷效率

ODP——臭氧層消耗能值

Qe——制冷量，kW

GWP——全球變暖潛能值

f——不確定度，%

W——壓縮機(jī)功耗

cp——換熱流體的定壓比熱容，J/(kg·K)

w——質(zhì)量組分比例

T——溫度，℃

G——換熱介質(zhì)流量(水)，m3/h

DTG——高溫?fù)Q熱器換熱溫差，℃

DTD——低溫?fù)Q熱器換熱溫差，℃

下標(biāo)

f——液相

t,tol——計(jì)算量

g——?dú)庀?/p>

e——蒸發(fā)器

t,i——測(cè)量值

c——冷凝器

x——壓縮機(jī)吸氣

d——高溫冷凍水

in——進(jìn)口

g——低溫冷凍水

out——出口

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Zhang Xiaosong, male, professor, School of Energy and Environment, Southeast University, +86 13951974528, E-mail: rachpe@seu.edu.cn. Research fields: new technology of refrigeration and performance optimization of air conditioning system.

Effect of Variable Chilled Water Flow Rates and Temperatureon Performance of Double Temperature Chiller with Largeemperature Glide Zeotropic Refrigerant

Liu Jian Zhang Xiaosong

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing, 210096, China)

To study the effect of variable chilled water flow rates and temperature on double temperature chiller with large temperature glide zeotropic refrigerant, the chiller’s performance under different conditions was investigated experimentally, including mass concentration ratio of R32/R236fa (0.4∶0.6, 0.5∶0.5, 0.6∶0.4), chilled water flow rates change from 0.25 m3/h to 0.45 m3/h and temperature change of the high temperature chilling water. The experimental results show that the maximum and minimum COP of the unit under different flow rates is 4.17 and 3.27 respectively, this moment, the inlet and outlet water temperature of condenser are 32 ℃ and 37 ℃, the high-low temperature chilling water are 7 ℃ and 16 ℃. In addition, the temperature change of high temperature chilled water have obvious effect on the performance of the unit. At last, the results of this paper provide database for the application of double temperature chiller.

zeotropic; variable flow rate; COP; large temperature glide

國家自然科學(xué)基金(51376044)和國家科技支撐計(jì)劃(2011BAJ03B14)資助項(xiàng)目。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51376044) and the National Key Technology R&D Program(No.2011BAJ03B14). )

2015年3月24日

0253- 4339(2015) 06- 0083- 07

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.06.083

TU831.4;TB64

A

張小松，男，教授，東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，13951974528，E-mail: rachpe@seu.edu.cn。研究方向：制冷新技術(shù)與制冷空調(diào)系統(tǒng)性能優(yōu)化。