帶有分凝器的小型自復疊制冷循環性能分析

張 麗徐士鳴都萍楊春光高紅巖舒衛華

（1大連理工大學能源與動力工程學院 大連 116024；2大連海洋大學機械與動力工程學院 大連 116023；3松下冷鏈（大連）有限公司營業技術部 大連 116600）

帶有分凝器的小型自復疊制冷循環性能分析

張 麗1，2徐士鳴1都萍2楊春光2高紅巖2舒衛華3

（1大連理工大學能源與動力工程學院 大連 116024；2大連海洋大學機械與動力工程學院 大連 116023；3松下冷鏈（大連）有限公司營業技術部 大連 116600）

為了提高小型自復疊制冷裝置中CO2和丙烷的分離效率，在循環中增設了分凝器。分析了CO2濃度、冷凝器出口蒸汽干度及分凝器高壓側出口溫度對帶有分凝器的自復疊制冷循環性能的影響。結果表明，當CO2質量濃度從0.22上升到0.31時，實驗和理論計算的蒸發溫度分別升高了6.8 K和5.7 K，相應的COP分別提高了68.3%和24.9%。當冷凝器出口蒸汽干度從0.5增加到0.9時，蒸發溫度先降低后升高，在干度等于0.7時達到了211.37 K的最低值；COP陡降了98.8%。此外，分凝器高壓側出口溫度升高8.21 K導致蒸發溫度升高了1.41 K，COP增加了21.3%。

自復疊制冷循環；分凝器；天然制冷劑；CO2；丙烷

自1974年美國加利弗利亞大學的Molina教授和Rowland教授提出了著名的CFCS問題［1］，以及《蒙特利爾議定書》和《京都議定書》兩部對全球環境保護有重大意義的協定頒布以來，應用于自復疊制冷循環的非共沸混合工質經歷了從氯氟烴向環境友好型制冷劑的轉變［2－3］。CO2、丙烷等天然工質因其不破壞大氣臭氧層、溫室效應潛能值小而受到廣泛關注［4－12］。CO2工作壓力高，考慮管道及設備的承壓能力，必須限制其在混合物中的濃度。并且CO2和丙烷融合性較高［13－14］，普通平衡蒸餾方法很難獲得高濃度的CO2，使得自復疊制冷系統蒸發溫度較高，而且相變時溫度滑移大，不利于獲得低溫［15］。Kim S G等［16］從理論和實驗兩個方面分析了CO2／丙烷和CO2／R134a作制冷劑的自復疊制冷系統的性能。結果表明，在相同的CO2組分濃度下，CO2／丙烷自復疊制冷系統的性能系數（COP）大于以CO2／R134a作制冷劑的COP。但是，前者能達到的最低蒸發溫度比后者高12.6℃。說明僅通過一個氣?液相分離器來分離CO2和丙烷是不夠的。有的通過在循環中增加相分離器的個數來增加分離效率，也有的用精餾柱代替相分離來達到目的［17－20］，但是系統變得更復雜。

解決的方式是在小型自復疊制冷循環中增設分凝器。它結構簡單，利用內部熱交換器的工作原理及CO2、丙烷沸點溫差大的特點來進一步提純CO2，獲得更低蒸發溫度。本文主要研究充注制冷劑濃度、冷凝器出口干度及分凝器高壓側出口溫度等參數對帶有分凝器的自復疊制冷循環性能的影響規律。

1 實驗裝置

整個實驗過程在自行設計組裝的小型自復疊制冷裝置上完成。該自復疊制冷實驗裝置流程如圖1所示，圖中數字表示制冷劑狀態點。整個制冷循環分成四個回路：混合回路、高溫、低溫回路和冷卻水回路。

圖1 小型CO2／丙烷自復疊制冷實驗裝置圖Fig.1 Schematic diagram of a small?sized auto?cascade refrigeration system

在裝置中首先充入300 g丙烷，然后分四次充入CO2，形成四種組分濃度分別進行實驗。在冷卻水溫度和流量相同時，比較不同CO2質量濃度下循環蒸發溫度、制冷量、壓縮機輸入功率及 COP的變化情況。

2 相分離器及分凝器模型

冷凝器出口兩相混合制冷劑（3點）在相分離器中被分成飽和氣體和液體兩部分。主要含量為丙烷的高壓液體（8點）從相分離器底部流出；主要含量為CO2的高壓氣體（41點）從相分離器頂部流出，然后進入分凝器高壓側。高壓飽和氣體在分凝器中被低壓回氣（11點）冷卻，部分氣體冷凝并返流至相分離器，與其底部的飽和液體混合，未冷凝高壓氣體（4點）進入冷凝蒸發器。

式中：z3為充注制冷劑中CO2質量濃度；zv，zl分別為冷凝器出口氣相和液相CO2質量濃度。

在分凝器高壓側，由于冷凝液回流至相分離器，因此出口處的氣體質量流量小于入口處。令：

式中：q4為分凝器高壓側出口與入口制冷劑質量流量比；為4點（分凝器高壓側出口）質量流量，kg／s。

同樣，q4還可以表示為：

式中：z40為分凝器產生的冷凝液中CO2質量濃度；z4為4點飽和氣體的CO2質量濃度。

相分離器出口8點飽和液體中CO2的質量濃度z8為：

電力營銷圖像識別系統需要有一個固定的操作平臺，在平臺中把撤回電能表置于拍照區，計算機就會自主控制數碼相機進行圖像的采集，在采集完圖像后就可以通過圖像識別技術來識別電能表的型號、表示數以及條碼等。操作臺主要由工控主機、數碼相機、控制開關以及顯示器等設備構成，它是整個系統的核心。在采集完撤回表相關信息后還可以通過信息管理功能對于相關的信息進行管理，完成整理、分析、統計等相關工作。

將式（1）～（5）帶入式（6）中得到：

3 結果與討論

3.1 CO2濃度對循環性能的影響

從理論和實驗兩個方面研究了CO2濃度對帶有分凝器的自復疊制冷循環性能的影響。為了方便比較結果，理論計算與實驗條件相同。

當冷卻水溫度為303.15 K時，蒸發溫度（蒸發器入口處）隨CO2濃度變化關系如圖2所示。從圖2可以看出，混合制冷劑中CO2濃度越大，蒸發溫度越高。CO2濃度增加引起蒸發壓力的迅速升高從而導致了蒸發溫度的升高。當CO2濃度從0.22上升到0.31時，實驗和理論結果顯示蒸發溫度分別升高了6.8 K和5.7 K。

圖2 蒸發溫度隨CO2濃度變化曲線Fig.2 Evaporating temperature versus CO2mass concentration

圖3顯示了制冷量、輸入功率和COP與CO2濃度的變化關系。可以看到，隨著CO2濃度的增加，制冷量、輸入功耗和系統COP都呈現上升的趨勢。與丙烷相比，CO2壓力高，比容小，因此CO2濃度越大則壓縮機吸氣比容值越小，導致無論是整個循環還是低溫環路的質量流量都增加。而低溫環路質量流量的增加是制冷量增加的主要原因。壓縮機功耗增大主要是由于總循環質量流量的增加和壓縮比的升高。此外，當CO2濃度從0.22上升到0.31時，實驗和理論計算結果顯示COP分別提升68.3%和24.9%。

圖3 制冷量、輸入功率和COP隨CO2充注濃度變化曲線Fig.3 Refrigeration capacity，power input and COP versus CO2mass concentration

3.2 冷凝器出口蒸汽干度對循環性能的影響

在冷凝器中，大部分丙烷被環境介質冷凝成液體，而大部分CO2仍為氣體。因此，冷凝器出口制冷劑為氣、液兩相共存狀態。通過理論模擬來分析冷凝器出口蒸汽干度q3對帶有分凝器的自復疊制冷循環熱力性能的影響。該模擬計算是在冷凝器出口制冷劑溫度為304.25 K，CO2充注濃度為0.25的條件下進行的。

圖4顯示是循環吸、排氣溫度和蒸發溫度隨q3的變化情況。在q3從0.5增加到0.9的過程中，吸氣溫度和蒸發溫度都是先降低后增加：當q3等于0.6時，吸氣溫度達到了最低值，為256.84 K；而當q3等于0.7時蒸發溫度達到最低，為211.37 K。隨著q3的增加，排氣溫度呈現單調下降的趨勢，即從344.21 K下降到328.94 K。

圖4 循環溫度隨冷凝器出口蒸汽干度變化曲線Fig.4 Temperature versus the vapor quality at condenser outlet

如圖5所示，冷凝壓力隨著蒸汽干度q3的增大而下降，從1.917 MPa下降到1.577 MPa。在冷凝器出口溫度和混合制冷劑濃度一定的條件下，根據相平衡原理計算可知冷凝器出口干度越大，冷凝壓力越低。蒸發壓力隨著干度的增加先下降，然后上升。在干度q3為0.6時蒸發壓力達到0.370 MPa的最低值，此時壓縮比為4.868，達到最高值。圖6表示制冷量、輸入功率和性能系數隨q3的變化情況。可以看出，隨著干度q3的增加，制冷量和

圖5 循環壓力隨冷凝器出口蒸汽干度變化曲線Fig.5 Pressure versus the vapor quality at condenser outlet

COP都是呈陡降趨勢。干度從0.5增加到0.9，制冷量和COP分別下降了98.5%和98.8%。制冷量下降的主要原因是低溫環路中制冷劑質量流量劇烈減少。從圖6還可以看出，壓縮機功耗隨著干度的增加先下降然后上升，在干度為0.6時，達到0.694 kW的最低值。主要原因是總的制冷劑質量流量隨著q3的增加先下降后上升，在q3為0.6時，達到最低值。

圖6 制冷量、輸入功率和系統COP隨冷凝器出口蒸汽干度變化曲線Fig.6 Refrigeration capacity，power input and COP versus the vapor quality at condenser outlet

3.3 分凝器高壓側出口溫度對循環性能的影響

為了研究分凝器高壓側出口溫度t4對循環熱力性能的影響，所有的理論計算都是在冷凝器出口制冷劑溫度為304.25 K，CO2充注濃度為0.31，冷凝器出口干度為0.6的條件下進行的。

圖7顯示蒸發溫度隨t4的升高而升高。當分凝器高壓側出口溫度升高時，進入低溫回路的制冷劑中CO2濃度下降，比焓值上升導致蒸發溫度升高。通過曲線斜率可以看出，t4越高，蒸發溫度上升越快。t4升高8.21 K，引起蒸發溫度升高了1.41 K。

圖7 蒸發溫度隨分凝器高壓側出口溫度變化曲線Fig.7 Evaporating tem perature versus the outlet tem perature on the high?pressure side of fractionation heat exchanger

圖8顯示制冷量、輸入功率和COP均隨t4的升高而增加。當t4升高時，首先，只有少量高壓氣體冷凝成液體并返流，因此進入低溫環路的制冷劑質量流量增加；其次，蒸發溫度升高使得單位制冷量上升，以上二方面是制冷量升高的主要原因。壓縮機功耗增加是由于壓縮比增大以及壓縮機輸送的制冷劑循環量增加。t4上升2.9%，引起COP上升了21.3%。

圖8 制冷量、輸入功率和系統COP隨分凝器高壓側出口溫度變化曲線Fig.8 Refrigeration capacity，power input and COP versus the outlet temperature on the high?pressure side of fractionation heat exchanger

4 結論

對于以CO2和丙烷作制冷劑的小型自復疊制冷裝置，由于兩種組分融合性高，因此提出在相分離器氣相出口安裝分凝器來提高進入蒸發器的混合制冷劑中CO2的濃度。本文主要研究了CO2濃度、冷凝器出口蒸汽干度及分凝器高壓側出口溫度對帶分凝器的自復疊循環性能的影響情況。結果表明：

1）蒸發溫度隨所充注的混合制冷劑中CO2質量濃度的增加而升高；此時循環的制冷量、壓縮機輸入功率也相應增加，COP提高。

2）隨著冷凝器出口蒸汽干度的增加，壓縮機排氣溫度單調降低；當蒸汽干度為0.6時壓縮機吸氣溫度最低；當蒸汽干度為0.7時蒸發溫度最低。

隨著冷凝器出口蒸汽干度的增加，冷凝壓力下降；當蒸汽干度為0.6時蒸發壓力最低，此時循環壓縮比最大。

隨著冷凝器出口蒸汽干度的增加，制冷量劇烈降低，而壓縮機輸入功率先減少，在干度為0.6時到達最少后再增加，計算結果表明COP逐漸下降。

3）在CO2質量濃度和冷凝器出口蒸汽干度一定時，隨著分凝器高壓側出口溫度的升高，蒸發溫度升高，循環的制冷量、壓縮機輸入功率及COP均增加。

本文受中國科學院低溫工程重點實驗室開放基金（CRYO201127）資助。（The project was supported by the Open Foundation of Key Laboratory of Cryogenics，TIPC，CAS（No. CRYO201127）.）

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張麗，女，副教授，大連海洋大學，機械與動力工程學院，（0411）84762221，E?mail：zhangl＠dlou.edu.cn。研究方向：制冷工質物性研究，制冷、熱泵及空調系統節能及優化技術研究。

About the corresponding author

Zhang Li，female，associate professor，School of Mechanical and Power Engineering，Dalian Ocean University，＋86 411?84762221，E?mail：zhangl＠dlou.edu.cn.Research fields：prop?erties of refrigerants，energy saving and optimization of refrigera?tion，heat pump and air?conditioning system.

Performance of a Small?sized Auto?cascade Refrigerator with a Fractionation Heat Exchanger

Zhang Li1，2Xu Shiming1Du Ping2Yang Chunguang2Gao Hongyan2Shu Weihua3

（1.School of Energy and Power Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，116024，China；2.School of Mechanical and Power Engineering，Dalian Ocean University，Dalian，116023，China；3.Panasonic Appliance Cold Chain（Dalian）Co.，Ltd.，Dalian，116600，China）

Water A fractionation heat exchanger was employed to improve the separation efficiency of CO2and propane in the small?sized auto?cascade refrigeration cycle.The effects of CO2mass concentration，vapor quality at condenser outlet and the outlet temperature on the high?pressure side of the fractionation heat exchanger were analyzed.Results show that as CO2mass concentration grows from 0.22 to 0.31，the evaporating temperatures of the experiment and theoretical calculation are raised by 6.8 K and 5.7 K，respectively.And the corresponding COP is increased by 68.3%and 24.9%，respectively.Simulation data also reveal that as the vapor quality increases from 0.5 to 0.9，the evaporating temperature reaches the minimum of 211.37 K and COP drops sharply by 98.8%at a vapor quality of 0.7. In addition，when the outlet temperature on the high?pressure side of the fractionation heat exchanger is raised by 8.21 K，the evaporating temperature and COP are increased by 1.41 K and 21.3%，respectively.

auto?cascade refrigeration cycle；fractionation heat exchanger；natural refrigerant；CO2；propane

TB61＋5；TB657

A

0253－4339（2015）04－0052－06

10.3969／j.issn.0253－4339.2015.04.052

簡介

2014年11月21日