基于大滑移溫度非共沸工質(zhì)的雙溫冷水機組

劉劍，張小松（東南大學能源與環(huán)境學院，能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096）

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基于大滑移溫度非共沸工質(zhì)的雙溫冷水機組

劉劍，張小松
（東南大學能源與環(huán)境學院，能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096）

摘要：基于大滑移溫度非共沸工質(zhì)（R32/R236fa）的特性，搭建了可應用于溫濕度獨立控制系統(tǒng)的新型雙溫冷水機組及其實驗系統(tǒng)，該機組可獲得兩種不同溫度的冷凍水（例如低溫7℃，高溫16℃）。以機組的COP、制冷量等參數(shù)為評價指標，實驗研究非共沸工質(zhì)中R32的質(zhì)量組分比例分別為30%、40%、50%、60%時機組在不同運行工況下的性能。結(jié)果表明：當冷卻水進水溫度為32℃，高、低溫冷凍水的出水溫度分別為16和7℃時，機組COP在R32質(zhì)量組分比例為60%時達到3.92；而當R32的質(zhì)量組分比例為50%時，機組具有最佳的綜合性能，此時機組在不同運行工況下的COP均大于3.55。通過本研究可為非共沸工質(zhì)在雙溫冷水機組中的應用以及優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：大滑移溫度；非共沸工質(zhì)；雙溫；冷水機組；制冷系數(shù)

2015-03-09收到初稿，2015-09-28收到修改稿。

聯(lián)系人：張小松。第一作者：劉劍（1990—），男，碩士研究生。

Received date: 2015-03-09.

Foundation item: supported by the National Key Technology R&D Program (2011BAJ03B14) and the National Natural Science Foundation of China (51376044).

引　言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，建筑能耗在全國總能耗中占的比例不斷增大，建筑運行能耗約占社會總能耗的25%左右，而建筑空調(diào)系統(tǒng)又是其中主要耗能設(shè)備之一[1]。據(jù)統(tǒng)計，上海地區(qū)空調(diào)使用高峰時，空調(diào)的電力負荷占全市總電力負荷的36%以上[2]。因此，建筑空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能降耗對緩解我國能源緊張狀況有著重要的意義。目前，國內(nèi)外不少學者對建筑空調(diào)系統(tǒng)的冷源即冷水機組進行研究，提出一系列改進和提高冷水機組性能的措施和方法。其中溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)由于在節(jié)能、空氣品質(zhì)方面的優(yōu)勢而受到廣泛關(guān)注[3]。目前，實現(xiàn)溫濕度獨立控制的方式主要是通過溶液除濕或固體吸附除濕等方法來承擔空調(diào)系統(tǒng)潛熱負荷，利用冷水機組制取高溫冷凍水去除空調(diào)的顯熱負荷，具有較好的節(jié)能效果[4-7]。然而溶液除濕系統(tǒng)存在溶液對管道腐蝕、除濕效率低等問題[8]，固體吸附除濕設(shè)備體積大，吸附劑填充量大且再生熱源溫度高（100℃以上）[9]。為此，梁彩華等[10-11]在熱濕獨立處理的基礎(chǔ)上提出熱濕分段處理的空調(diào)負荷處理方式，通過兩套以R22為工質(zhì)的冷水機組來制取兩種溫度的冷凍水（7和16℃）。研究表明，在表冷器設(shè)計溫差為7℃、出風溫度為16℃時，冷水機組的COP相對于傳統(tǒng)空調(diào)方式提高9.14%，在回風干球溫度為25℃、濕球溫度為21℃時，冷水機組COP提高達8%以上。

此外，國內(nèi)外學者對將非共沸工質(zhì)應用到冷水機組中也進行了大量理論與實驗研究，Bobbo等[12]對非共沸工質(zhì)R32/R236fa氣液兩相平衡狀態(tài)進行了大量實驗研究，并獲得了大量的實驗數(shù)據(jù)。Yilmaz 等[13]通過風冷式熱泵系統(tǒng)對單一工質(zhì)與非共沸混合工質(zhì)兩種情況進行對比實驗研究，結(jié)果表明采用非共沸工質(zhì)時，系統(tǒng)的效率與熱力完善度都有所提高。Chen等[14]通過理論研究，提出一種利用R32/R134a的新型家用空調(diào)系統(tǒng)，結(jié)果表明該系統(tǒng)較用R22的傳統(tǒng)系統(tǒng)效率提高8%～9%。趙力等[15]提出一種能適應大范圍變工況要求的循環(huán)混合工質(zhì)，實驗研究表明，該工質(zhì)既可以應用于冷凝溫度高達80℃、蒸發(fā)溫度25℃左右的高工況熱泵系統(tǒng)，也可以應用于冷凝溫度55℃、蒸發(fā)溫度5℃的低工況空調(diào)系統(tǒng)，且效率較高。Tan等[16]提出采用R32+R236fa的一種自復疊系統(tǒng)，該系統(tǒng)可利用低溫熱源（80℃左右）獲得?30℃的低溫環(huán)境。

本文將非共沸工質(zhì)應用于熱濕分段處理的空調(diào)系統(tǒng)中，提出一種新型雙溫冷水機組，該冷水機組可產(chǎn)生兩種不同溫度的冷凍水，而該新型雙溫冷水機組采用環(huán)保型大滑移溫度非共沸工質(zhì)R32/R236fa作為制冷劑，通過非共沸工質(zhì)相變過程的溫度滑移的特性實現(xiàn)Lorentz循環(huán)，提高機組的效率[13]。最后，通過實驗深入分析非共沸混合工質(zhì)R32/R236fa的不同質(zhì)量組分比例、不同蒸發(fā)壓力、不同高低溫冷凍水溫度對機組性能的影響，為基于非共沸工質(zhì)的雙溫冷水機組的設(shè)計與應用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1　大滑移溫度非共沸工質(zhì)的雙溫冷水機組實驗研究

1.1實驗裝置介紹

搭建基于大滑移溫度非共沸工質(zhì)R32/R236fa的單級壓縮水冷冷水機組，實驗裝置采用兩臺套管式換熱器將蒸發(fā)過程分為兩段進行，從而獲得兩種不同溫度冷凍水。同時，實驗裝置分兩部分，一部分是制冷循環(huán)，主要包括全封閉轉(zhuǎn)子式壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥、儲液器、干燥過濾器等，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)，每個循環(huán)中主要包括電加熱器、水泵（三級調(diào)速）、手動閥門、蓄水箱等。實驗裝置原理如圖1所示。

根據(jù)實驗原理圖1，整個循環(huán)過程中制冷循環(huán)過程為大滑移溫度非共沸工質(zhì)R32/R236fa先經(jīng)過壓縮機壓縮成高溫高壓的過熱氣體，再經(jīng)冷凝器冷凝成高壓過冷液體，再經(jīng)過儲液器、干燥過濾器之后，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)器進行蒸發(fā)，制取高溫冷凍水（16℃），蒸發(fā)完的工質(zhì)由壓縮機吸入，完成制冷循環(huán)。冷凍水循環(huán)為低溫蒸發(fā)器所制取的冷凍水通過循環(huán)水泵排入低溫冷凍水箱，之后經(jīng)過電熱器進行加熱，將冷量消耗。高溫蒸發(fā)器制冷的冷凍水采用同樣方式將冷量抵消。在冷凝器中進行換熱之后的高溫冷卻水，進入冷卻水水箱與自來水補水混合，之后通過電加熱器，將冷卻水溫度準確控制到32℃，之后再進入冷凝器，完成循環(huán)。

1.2測量裝置

為保證測量準確性及數(shù)據(jù)的完整性，實驗裝置中布置有大量高精度傳感器及測量儀表，用于測量壓縮機吸氣與排氣溫度，吸氣與排氣壓力，冷卻水流量，冷卻水進出口溫度，高、低溫冷凍水流量，高、低溫冷凍水進出口溫度，壓縮機功耗。傳感器、測量儀表及測量儀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，并通過計算機實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的觀察及自動記錄并保存到數(shù)據(jù)庫，用于數(shù)據(jù)處理與分析。

1.3非共沸工質(zhì)

實驗中采用R32與R236fa的混合工質(zhì)作為制冷劑。R236fa是近年提出的不破壞臭氧層的制冷劑，而它可作為滅火劑替代哈龍，具有非常好的熱穩(wěn)定性，并且它的標準沸點溫度高，循環(huán)過程中壓縮機排氣溫度也低。R32也不會破壞臭氧層，并且它的單位容積制冷量很大，與R236fa混合成非共沸制冷劑具有很好的優(yōu)勢互補性，其基本物性見表2。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)軟件計算得到，結(jié)果見表3。由表3可得不同質(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組對非共沸工質(zhì)的要求。

表1　測量值的不確定度Table 1　Uncertainty of measured parameters

表2　R32與R236fa的基本物性參數(shù)Table 2　Basic property parameter of R32 and R236fa

表3　R32/R236fa在不同質(zhì)量組分比例下的熱力學性質(zhì)Table 3　Thermodynamic properties at different mass fractions of R32/R236fa mixtures

2　性能評價指標

本文采用系統(tǒng)效率（COP）與制冷量對雙溫冷水機組進行評價，其中COP由式（1）計算

系統(tǒng)制冷量由式（2）計算

此外，文中還將測量系統(tǒng)的排氣壓力與排氣溫度等對系統(tǒng)的安全性進行分析。

3　實驗結(jié)果分析

對不同質(zhì)量組分比例的工質(zhì)進行變工況實驗，其中混合工質(zhì)不同質(zhì)量組分比例下的具體運行工況見表4。對不同蒸發(fā)壓力及不同高、低溫冷凍水溫度的變工況實驗的具體運行工況見表5。在忽略管道壓降的前提下，吸氣壓力即為蒸發(fā)壓力，因此，實驗中對壓縮機吸氣壓力進行了測量。

表4　變質(zhì)量組分比例實驗工況Table 4　Experimental conditions at different mass fractions of R32/R236fa mixtures

表5　變蒸發(fā)壓力與高、低溫冷凍水溫度實驗工況Table 5　Experimental conditions of pe，Thand Tl(mass fraction of R32 is 50%)

3.1測量結(jié)果誤差分析

由于實驗所用測量與采集工具存在一定誤差，為保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性，因此有必要對測量結(jié)果進行誤差分析。其中計算的不確定度由式（3）計算[17]

各計算量的平均不確定度見表6。

表6　計算量的不確定度Table 6　Uncertainty of calculated variable

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

3.2混合工質(zhì)質(zhì)量組分濃度對系統(tǒng)性能的影響

圖2為高、低溫冷凍水出水溫度分別為16和7℃時，混合工質(zhì)中R32的不同質(zhì)量組分比例對系統(tǒng)制冷量與系統(tǒng)效率的影響。當R32的質(zhì)量組分比例由30%增加到70%時，系統(tǒng)制冷量由2.58 kW增加到4.22 kW，系統(tǒng)COP由2.98增加到3.92。可見，在高、低溫冷凍水出水溫度一定的情況下，由于R32的單位質(zhì)量制冷量大于R236fa，因此隨著R32的組分濃度增加，系統(tǒng)的制冷量與效率不斷增大。對于在R32的質(zhì)量組分比例由30%變化到40%的過程中，系統(tǒng)COP增大的幅度大，原因在于實驗過程中此時冷卻水進水溫度為32.3℃，出水溫度為37.8℃。二者均大于其他工況下冷卻水進出口溫度，且進出口溫差也大于其他工況，從而導致壓縮機功耗增大，系統(tǒng)COP降低。

圖3為高、低溫冷凍水出水溫度分別為16和7℃時，混合工質(zhì)中R32的不同質(zhì)量組分比例對系統(tǒng)排氣壓力與吸排氣壓比的影響。隨著R32的質(zhì)量組分比例由30%增加到60%，系統(tǒng)的排氣壓力由1.474 MPa增大到1.931 MPa，原因在于混合工質(zhì)中R32為低沸點組分，隨著R32的質(zhì)量組分比例增大，系統(tǒng)排氣壓力增大；然而，吸排氣壓比則由3.64降低到2.94，且壓比下降的趨勢逐漸平緩。

圖2　不同質(zhì)量組分比例下的制冷量與效率Fig.2　Refrigeration capacity and COP at different mass fractions of R32/R236fa mixtures

圖3　不同質(zhì)量組分比例下冷凝壓力與吸排氣壓比Fig.3　Exhausting pressure and compressing ratio at different mass fractions of R32/R236fa mixtures

圖4為高、低溫冷凍水出水溫度分別為16和7℃時，混合工質(zhì)中R32的不同質(zhì)量組分比例對系統(tǒng)排氣溫度的影響。不同組分濃度下，系統(tǒng)的排氣溫度變化小，其中最大排氣溫度為72.2℃，最小為70.3℃，排氣溫度低。且排氣溫度隨R32的質(zhì)量組分濃度的增大而增大。因為R32的沸點低，當R32的濃度增大時，機組的排氣壓力升高，使得排氣溫度升高。

圖4　不同質(zhì)量組分比例下壓縮機排氣溫度Fig.4　Exhausting temperature at different mass fractions of R32/R236fa mixtures

3.3蒸發(fā)壓力對系統(tǒng)性能的影響

通過上述實驗研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，混合工質(zhì)質(zhì)量組分比例為R32:R236fa=60%:40%時，系統(tǒng)的效率和制冷量最大，但排氣壓力高達1.931 MPa，從裝置的安全性角度考慮，此刻裝置運行的安全性差。雖然R32:R236fa=50%:50%制冷量與效率低于R32:R236fa=60%:40%，但排氣壓力合適，為1.810 MPa，因此R32:R236fa=50%:50%可作為該系統(tǒng)制冷劑的最佳配比，值得進一步研究。圖5給出組分比例為R32:R236fa=50%:50%時，系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力與制冷量、效率的關(guān)系。當系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力由0.589 MPa增大到0.627 MPa時，系統(tǒng)的制冷量由3.69 kW增大到4.01 kW，系統(tǒng)的效率由3.58增大到3.89，且制冷量與效率都與蒸發(fā)壓力呈近似線性關(guān)系。可見由于蒸發(fā)壓力的升高，系統(tǒng)效率與制冷量都增大。

圖6為質(zhì)量組分比例為R32/R236fa（50%:50%）時，不同吸氣壓力下壓縮機的排氣溫度。當系統(tǒng)的吸氣壓力由0.589 MPa增大到0.627 MPa時，壓縮機的排氣溫度由72.64℃減小到71.42℃。可見，當冷凝壓力不變時，隨著蒸發(fā)壓力的升高，壓縮機排氣溫度下降。

圖5　不同蒸發(fā)壓力下系統(tǒng)的制冷量與效率Fig.5　Refrigeration capacity and COP at different evaporating pressure

圖6　不同蒸發(fā)壓力下系統(tǒng)的排氣溫度Fig.6　Exhausting temperature at different evaporating pressure

圖7　不同高、低溫冷凍水溫度下系統(tǒng)制冷量和系統(tǒng)效率Fig.7　Refrigeration capacity and COP under different high-low temperature chilling water

圖7為不同高、低溫冷凍水溫度下系統(tǒng)的制冷量與效率。首先，由圖7中可得系統(tǒng)可獲得多種溫度的冷凍水，其中可獲得低溫冷凍水溫度分別為6、7、8℃，高溫冷凍水溫度分別為15、16、17、18℃，高溫冷凍水可用于室內(nèi)顯熱處理，低溫冷凍水可用于潛熱處理。其次，隨著高溫冷凍水和低溫冷凍水溫度的升高，系統(tǒng)的效率和制冷量逐漸增大。其中，效率最大值為3.89，制冷量最大值為4.01 kW，此時高溫冷凍水溫度為18℃，低溫冷凍水為8℃。效率最小值為3.58，制冷量最小值為3.69 kW，此時高溫冷凍水為15℃，低溫冷凍水為6℃，原因在于，當冷凍水溫度升高時，蒸發(fā)壓力升高，使得工質(zhì)的制冷量增大，且壓縮比降低，使得壓縮機功耗下降；最后，通過比較高低溫冷凍水溫度的變化情況，可得高溫冷凍水溫度的變化對冷水機組效率的影響大于低溫冷凍水溫度的變化。原因在于，當?shù)蜏乩鋬鏊疁囟壬撸档土说蜏乩鋬鏊M口與高溫冷凍水出口之間的溫差，而高溫冷凍水溫度的升高，提高了此溫差，而此溫差的增大有利于提高混合工質(zhì)的單位質(zhì)量制冷量。從而更有利于提高冷水機組的效率。

4　結(jié)　論

基于大滑移溫度非共沸工質(zhì)構(gòu)建一種新型雙溫冷水機組，并通過實驗對機組性能進行了研究，主要結(jié)論如下：

（1）混合工質(zhì)R32/R236fa中R32質(zhì)量組分比例為30%、40%、50%、60%時，系統(tǒng)都能生產(chǎn)出7℃的低溫冷凍水與16℃的高溫冷凍水，且系統(tǒng)效率與制冷量隨R32組分比例的增加而增加，最大值為當R32的質(zhì)量組分比例為60%時機組COP與制冷量分別達到3.92與4.22 kW；系統(tǒng)排氣壓力隨R32組分比例的增加而增大，在R32組分比例為60%時，排氣壓力為1.931 MPa，排氣壓力過高。

（2）在R32質(zhì)量組分比例為50%時，系統(tǒng)能同時生產(chǎn)6～8℃的低溫冷凍水，15～18℃的高溫冷凍水；實驗系統(tǒng)的排氣溫度為72℃左右，排氣壓力為1.810 MPa左右，排氣溫度與排氣壓力均較低，系統(tǒng)運行安全穩(wěn)定。

（3）綜合比較非共沸工質(zhì)4種不同質(zhì)量組分比例下機組的性能表明采用R32與R236fa質(zhì)量比例為1:1時機組整體性能最佳。

符號說明

COP——制冷效率

cp——換熱流體的比定壓熱容，J·kg?1·K?1

f——不確定度，%

G——換熱介質(zhì)（水）流量，m3·h?1

GWP——全球變暖潛能值

ODP——臭氧層消耗能值

p——壓力，MPa

Qe——制冷量，kW

r——吸排氣壓比

T——溫度，℃

W——壓縮機功耗，kW

w——質(zhì)量分數(shù)

下角標

c——冷凝器

Eva——蒸發(fā)

Ex——排氣

e——蒸發(fā)器

f——液相

g——氣相

h——高溫冷凍水

in——進口

l——低溫冷凍水

out——出口

t,i——測量值

t,tol——計算量

x——壓縮機吸氣

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Double temperature chilled water unit based on large temperature glide zeotropic mixture

LIU Jian，ZHANG Xiaosong
(School of Energy and Environment，Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，Jiangsu，China)

Abstract:Accordingly to the properties of zeotropic mixture R32/R236fa，a novel double-temperature chilling unit is proposed which can be used in the temperature and humidity independent control air conditioning system (THICS)，the unit can produce two different temperature of chilled water (such as low temperature is 7℃ and high temperature is 16℃). An experimental system is established to test the performance of the unit. The results show that at inlet water temperature of the condenser of 32℃ and inlet water temperature of the evaporator of 7℃ and 16℃，the coefficient of performance (COP) of the system can reach 3.92 when the mass component ratio of R32 is 60%. But under mass fractions of R32 of 50%，the combination properties of the system is the best and COP is higher than 3.55 in different operation condition. The results of this study provides the experimental foundation for the application of large temperature glide zeotropic mixture used in the double-temperature chilling water unit.

Key words:large temperature glide; zeotropic mixture; double temperature; chilling water unit; COP

DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20150285

中圖分類號：TK 123

文獻標志碼：A

文章編號：0438—1157（2016）04—1186—07

基金項目：國家科技支撐計劃項目（2011BAJ03B14）；國家自然科學基金項目（51376044）。

Corresponding author:ZHANG Xiaosong，rachpe@seu.edu.cn