－60℃水冷自復疊制冷系統研究

楊永安楊昭劉 斌

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

－60℃水冷自復疊制冷系統研究

楊永安1，2楊昭1劉 斌2

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

提出一種新型水冷自復疊制冷循環方式，用冷凝分離器代替傳統循環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的冷凝及高沸點工質與低沸點工質的分離。對采用這種冷凝分離器的水冷自復疊制冷循環方式的R22/R23、R290/R170、R134a/R23、R134a/R170四種工質對進行了循環特性研究。在自行搭建的水冷自復疊制冷系統實驗臺上進行了

混合工質；自復疊；制冷循環；冷凝分離器

自復疊制冷機(Auto-cascade Refrigerator，簡稱ACR)用單臺壓縮機壓縮由兩種或兩種以上純工質組成的工質對，用富含高沸點組分工質的蒸發吸熱冷凝富含低沸點組分工質，當富含低沸點組分工質蒸發時實現低溫制冷，具有系統簡單、壓縮比低、制造成本低等優點。

1936年，Walter JPodbielniak[1]首次提出了帶氣液分離器的自復疊循環。Ruhemann M[2]以R22/R13為工質對，制冷溫度達到－65℃。PB Kennedy等[3]提出帶精餾的自復疊循環。柴可夫斯基·庫茲涅夫等[4]以R12/R13為工質對，實現了單級壓縮一次分凝的自復疊制冷循環。當蒸發壓力為0.1MPa、壓縮比為11時，得到了－80℃的蒸發溫度。Tchaikovsky V F[5]采用雙級壓縮、一次分凝的自復疊循環，以R12/R13為工質對，當環境溫度為25℃時達到了－96℃的最低蒸發溫度。Albert TMyre等[6]采用最簡單的重力分離方式將自復疊制冷系統應用于環境實驗箱中，高沸點工質使用R12、R22、R502，低沸點工質使用R13、R503。系統運轉1 h，箱內溫度達到－68℃。Kruse H等[7]對采用 R12/R13、R22/R13 和R12/R13B1為工質對的自復疊制冷循環進行了數值模擬計算，得到了自復疊工質對的標準沸點相差越大，循環的COP越高的結論。Kiyoshi Sakuma等[8－9]采用R12/R13工質對，R12在－30℃蒸發，R13在－81℃蒸發。在系統啟動時，可以在較寬的制冷溫度區間提供更大的冷量。李文林等[10]以R13/R12為工質對，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，進行了一系列研究，提出了變濃度自復疊制冷系統。

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

1 理論分析

1·1 WACR循環

WACR循環原理見圖1，壓焓圖見圖2。

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

圖2 水冷自復疊制冷循環壓-焓圖Fig·2WARCsystempressure-enthalpy diagram

循環過程如下:從冷凝蒸發器出來的高沸點工質蒸氣(5)和從蒸發器出來的低沸點工質蒸氣(8)混合為二元非共沸混合工質蒸氣(1)，進入壓縮機壓縮至高壓的混合氣體(2)，然后高壓混合工質蒸氣進入冷凝分離器中，混合工質放熱后冷卻，高沸點工質冷凝后流到冷凝分離器下部(3H)，低沸點工質的蒸氣冷卻后到達冷凝分離器上部(3L)。冷凝分離器低部的高沸點工質經節流閥降壓后(4)在冷凝蒸發器中吸收低沸點工質蒸氣放出的冷凝熱而蒸發(5)；冷凝分離器頂部的低沸點工質蒸氣從冷凝分離器上部進入冷凝蒸發器中，向高沸點工質放熱后冷凝(6)，節流降壓后(7)進入蒸發器蒸發，產生制冷現象，完成自復疊循環。

1·2 冷凝分離器分離效果的理論分析

冷凝分離器結構簡圖如圖3，可以看出:當高壓混合工質蒸氣進入冷凝分離器后，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的分壓力越小越好。當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 冷凝分離器結構簡圖Fig·3 Diagramof condenser phase separator

1)小于該混合氣體中高沸點工質分壓力所對應的飽和溫度；

2)高于低沸點工質的臨界溫度；

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:

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)低沸點工質在上行過程中的顯熱要遠小于高沸點工質的潛熱；

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的冷凝溫度。

基于以上假設，對混合氣體上行中的任一段做質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為冷卻水進口溫度，℃；PH為入口的高沸點工質的分壓力，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段，對這個單元段進行能量及質量平衡分析，可以得到以下方程:

傳質方程:

傳熱方程:

式中:mHc為凝結的高沸點工質量，kg/s；α為質交換系數，kg/(m2·Pa·s)；A為單位體積的凝結面積，m2/m3，與冷凝分離器結構中填料有關的參數；PH為高沸點工質的分壓力，Pa；PHs為凝結表面上高沸點工質的分壓力，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為高沸點工質在一定溫度下的凝結潛熱，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，重點求解傳質方程。考慮到假設條件第4條，傳質方程可以改寫為下式:

對傳質方程中的mHc的計算如下:

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

式中:v為混合氣體流速，m/s；ε為冷凝分離器的流通系數，與冷凝分離器結構有關。

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的方程，以下3個表達式擬合了3種不同的方程:

指數方程:

直線方程:

冪次方程:

當混合氣體初始狀態為p0時，從假設條件第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方程的解，高沸點工質的分壓力變化為:

如果考慮冷凝管表面的制冷劑液體都進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分壓力所對應的飽和溫度時，這時低沸點工質也將被冷凝分離出來。

經分析結論如下:

1)隨著混合氣體的速度增大，高沸點工質分離效果越來越差；

2)當冷凝溫度達到高沸點工質分壓力所對應的飽和溫度后，對高沸點工質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面積的越大，分離效果越來越好，且當冷凝分離器其它結構參數一定時，分離段的高度存在著優化值；

4)冷凝分離器的流通系數與冷凝分離器單位體積凝結面積大小相關。當冷凝分離器單位體積凝結面積較大時，冷凝分離器的流通系數將變小，流速變大。

2 不同工質對的循環特性比較

在冷凝分離器優化設計的基礎上，對R22/R23、R290/R170、R134a/R23、R134a/R170四種工質對進行了循環特性分析。

2·1 蒸發溫度對循環比率的影響

系統的循環比率，即參與循環的高沸點工質與低沸點工質質量流量之比。在4組二元非共沸混合工質中，都是隨著蒸發溫度的升高而降低，參見圖5，計算工況冷凝溫度為20℃，EX4回熱器無回熱，冷凝蒸發器換熱溫差為2℃時。在系統運行時，隨著自復疊制冷系統低沸點工質蒸發溫度的降低，低沸點工質的相對參與量會減少，而高沸點工質相對參與量會增加。這是由于低沸點工質蒸發溫度較低時，蒸發壓力也相應降低，而影響到高沸點工質的蒸發溫度相應降低，為滿足系統冷凝蒸發器內平衡的需要，高沸點工質必然以提高質量流量的方式滿足低沸點工質冷凝。

圖5 系統循環比率隨蒸發溫度的變化曲線Fig·5 Curves of cycling ratio with change of evaporation temperature

2·2 蒸發溫度對COP的影響

圖6示出當冷凝溫度為20℃、冷凝蒸發器換熱溫差為2℃時，在不同蒸發溫度下各二元非共沸混合工質的COP。在相同的工況下，各二元非共沸混合工質的COP由大到小依次為:R22/R23、R290/R170、R134a/R23、R134a/R170。在－74～－60℃蒸發溫度區間內，R22/R23組成的二元非共沸混合工質的COP是R134a/R170的1.3倍。R290/R170組成的二元非共沸混合工質的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，ODP和GWP值均為0，是二元非共沸混合工質ACR循環的發展方向。

圖6 各工質對的理論COP隨蒸發溫度變化曲線Fig·6 Curves of COPwith change of evaporation temperature

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

2·3 排氣溫度

圖7為排氣溫度隨蒸發溫度的變化曲線，計算條件為冷凝溫度為20℃、冷凝蒸發器換熱溫差為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ACR循環的排氣溫度最低，為83℃，這些溫度對于普通冷凍潤滑油即可滿足系統要求。

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

2·4 壓縮比

圖8為壓縮比隨蒸發溫度的變化曲線，計算條件為冷凝溫度為20℃、冷凝蒸發器換熱溫差為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。

圖8 各工質對的壓縮比隨蒸發溫度變化曲線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上搭建了水冷自復疊制冷系統實驗臺，由于條件限制，只對 R22/R23、R134a/R23工質對組成的自復疊制冷循環進行實驗研究，圖9為在設計計算基礎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、冷凝器、精餾塔、冷凝蒸發器、節流裝置、蒸發器、回熱器以及視液鏡、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水溫度影響了自復疊循環系統的冷凝溫度。由于蒸發溫度、蒸發壓力確定，高沸點工質的蒸發溫度沒有發生變化，冷凝溫度的升高會使冷凝溫度對應下的冷凝壓力的提高而增加系統的壓縮功，同時降低了高沸點工質的單位制冷量，進而影響系統的 COP。同樣如圖 11所示，R134a/R23系統的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，在相同的蒸發溫度，相同的冷卻水溫度下，R22/R23系統的COP要高于R134a/R23系統。

實驗同樣表明，采用R22/R23工質對的水冷自復疊制冷系統COP較文獻[10]所提出的系統的COP為11.4%，本系統的提高率達到60%～100%。

圖10 R22/R23 COP隨冷卻水進水溫度變化圖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，冷卻水溫度對循環壓縮比影響很大，當蒸發溫度一定時，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，循環壓縮比增大。從圖中還可以看出，當冷凝溫度一定時，自復疊制冷循環的壓縮比隨著蒸發溫度的下降而上升，這一點與普通蒸氣壓縮制冷循環基本相同。當運行工況相同時，由R134a組成的混合工質自復疊制冷循環壓縮比要大于R22/R23系統。在制冷循環中，當系統的壓縮比較小時，意味著壓縮機的相對余隙容積較小，壓縮機的實際排氣量較大，壓縮機輸氣系數較高，系統的COP會得到提高，因此選用小壓縮比的混合工質對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 結論

1)本文用冷凝分離器替代了傳統自復疊制冷循環中的冷凝器和分離器，壓縮后的過熱混合工質直接進入冷凝分離器中進行冷凝和分離，方案可行。冷凝分離的程度與混合氣體初始狀態、流動狀態、冷卻水溫度及冷凝分離器結構參數有關。理論研究和實驗研究均表明，新型水冷自復疊制冷循環COP明顯提高，為自復疊制冷循環向大型化發展奠定了基礎。

2)對由R22/R23、R290/R170、R134a/R23、R134a/R170四種工質對組成的自復疊制冷循環中，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在四種二元混合工質完成的自復疊制冷循環中排氣溫度低、壓縮比小，系統COP高，工質ODP和GWP為0，具有較好的大氣友好性，是今后自復疊制冷循環的首選工質。

3)搭建了相應的實驗裝置，分別進行了R22/ R23和R134a/R23混合工質對的實驗研究，結果表明制冷系統的COP隨蒸發溫度的變化幾乎是線性關系；在相同的蒸發溫度，相同的冷卻水溫度下，R22/ R23系統的COP要高于R134a/R23系統；當運行工況相同時，由R134a組成的混合工質自復疊制冷循環壓縮比要大于R22/R23系統。R22/R23組成的水冷自復疊制冷系統實驗性能明顯優于R134a/R23組成的水冷自復疊制冷系統；和傳統制冷系統相比，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，天津商業大學，13820522256，E-mail:yyan＠tjcu.edu.cn。研究方向:制冷系統優化設計。

2014年6月23日

R22/R23、R134a/R23兩種工質對的實驗研究。結果表明，在相同工況下，R22/R23自復疊制冷系統的COP要高于R134a/R23自復疊制冷系統；和傳統的自復疊系統相比，采用冷凝分離器的水冷自復疊制冷循環COP明顯提高，提升率達到60%～100%。