自復疊制冷系統(tǒng)壓力和組分調(diào)節(jié)

芮勝軍，張華，李健，王志遠

(1河南科技大學車輛與交通工程學院，河南 洛陽 471003；2上海理工大學制冷技術研究所，上海 200093)

自復疊制冷系統(tǒng)壓力和組分調(diào)節(jié)

芮勝軍1,2，張華2，李健1，王志遠1

(1河南科技大學車輛與交通工程學院，河南 洛陽 471003；2上海理工大學制冷技術研究所，上海 200093)

熱氣旁通調(diào)節(jié)可有效排除高壓對自復疊制冷系統(tǒng)的危害，但對混合工質的組分沒有調(diào)節(jié)作用。針對三級自復疊制冷系統(tǒng)冷凝壓力和排氣溫度較高的特點，提出了帶兩路旁通的4種壓力和組分調(diào)控方式。熱氣旁通調(diào)節(jié)時冷凝壓力周期性波動變化較大，電磁閥開啟較頻繁，系統(tǒng)開機70 min后才能達到穩(wěn)定狀態(tài)。二級相分離器氣相出口旁通調(diào)節(jié)時冷量損失較嚴重，低溫工質的冷量通過旁通管路排放到膨脹容器。一級相分離器氣相出口調(diào)節(jié)和兩個相分離器氣相出口同時調(diào)節(jié)時制冷系統(tǒng)的性能很接近，系統(tǒng)開機30 min后即可達到穩(wěn)定運行狀態(tài)。通過對壓縮機和蒸發(fā)器運行工況檢測，一級相分離器氣相出口調(diào)節(jié)和兩個相分離器氣相出口同時調(diào)節(jié)為較好的自動復疊制冷系統(tǒng)壓力和組分調(diào)控方式。

自動復疊制冷；R600a/R23/R14；組分調(diào)節(jié)；旁通控制；壓力調(diào)節(jié)

Key words: auto-refrigerating cascade system; R600a/R23/R14; composition regulation; bypass control; pressure regulation

引 言

自動復疊制冷系統(tǒng)采用一臺壓縮機實現(xiàn)復疊制冷循環(huán)，具有結構簡單、低溫端無運動部件、成本低廉等特點[1-2]。廣泛應用于氣體液化與分離、低溫試驗環(huán)境、低溫醫(yī)療、電子設備冷卻和真空冷凍干燥等領域，近年來在商用和民用方面的應用也不斷增強。通過單臺壓縮機實現(xiàn)內(nèi)部復疊，可制取70～230 K范圍的低溫環(huán)境，特別適用于小型低溫裝置[3-4]。自動復疊節(jié)流制冷系統(tǒng)具有很高的排氣壓力和排氣溫度，不利于系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行，通常在壓縮機開機初期通過電磁閥控制系統(tǒng)的高壓壓力，排氣溫度最高時可達到400 K左右。深冷低溫冰箱的降溫速度都很慢，一般需要3～4 h才能降低到最低溫度并保持穩(wěn)定，降溫速度的進一步提高、工質配比和蒸發(fā)器運行工況等都需要進一步研究[5-6]。

為了降低制冷系統(tǒng)的冷凝壓力和排氣溫度，國內(nèi)外研究者做了很多研究[7-16]。熱氣旁通作為一種較簡單的方法廣泛應用于制冷裝置系統(tǒng)，熱氣旁通除霜和制冷系統(tǒng)逆循環(huán)除霜在冷庫系統(tǒng)中應用很多，風冷熱泵冷熱水機組等低溫設備中也多采用熱氣旁通除霜[7-8]。熱氣旁通除霜的目的是利用壓縮機排出的高溫制冷劑氣體的熱量，融化蒸發(fā)器管道外部集結的霜層和冰層，與系統(tǒng)的壓力關系較小。熱氣旁通作為壓力調(diào)節(jié)方法主要針對制冷系統(tǒng)冷凝壓力較高的情況，為了保護制冷系統(tǒng)免受高溫和高壓的危害，將一部分制冷劑氣體從排氣管路旁通到吸氣管路[9-10]，達到調(diào)控制冷系統(tǒng)冷凝壓力和排氣溫度的目的。液體旁通也可以控制系統(tǒng)溫度和壓力，將冷凝器后的制冷劑液體旁通到吸氣管路或其他設備，形成制冷劑旁通管路，使冷凝壓力降低[11]。熱氣旁通和液體旁通聯(lián)合作為調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)溫度和壓力的方法應用也很多，經(jīng)過冷凝器后的制冷劑液體與壓縮機排氣管路的熱氣匯合后旁通到吸氣管路[12-13]。Yaqub等[13]比較了3種不同旁通系統(tǒng)方案：熱氣體注入吸氣管路、液體和熱氣體注入吸氣管路以及熱氣體注入蒸發(fā)器，發(fā)現(xiàn)性能系數(shù)最高的是熱氣體直接注入蒸發(fā)器。熱氣旁通和液體旁通由于引出了旁通支路，這部分管路系統(tǒng)可以進一步加以利用，形成不同的蒸發(fā)溫度[14]。近年來，對熱氣旁通和液體旁通在自復疊制冷系統(tǒng)的應用研究也較多，旨在實現(xiàn)降低系統(tǒng)的冷凝壓力和排氣溫度，從而達到調(diào)控系統(tǒng)壓力和溫度的目的[15-16]。

本文通過探討自動復疊節(jié)流制冷系統(tǒng)壓力和組分的調(diào)節(jié)控制方式，分析此系統(tǒng)的運行規(guī)律，尋找一種簡單易操作的壓力和組分調(diào)控方式。通過這種控制方法改善系統(tǒng)的工作狀態(tài)，使該系統(tǒng)的運行工況更加節(jié)能和穩(wěn)定，效率進一步提高。

1 非共沸混合制冷工質循環(huán)特性

本文以三級自復疊制冷系統(tǒng)為研究對象，圖 1為一種常見三級自復疊制冷系統(tǒng)原理圖。

非共沸混合制冷工質R600a、R23和R14經(jīng)壓縮機壓縮后排入冷凝器，在冷凝器中進行變溫冷凝，高沸點工質R600a大部分冷凝為液體，中低沸點工質R23和R14大部分仍然保持為氣態(tài)；從冷凝器出來的氣液混合物進入一級相分離器，在重力作用下氣體與液體實現(xiàn)自動分離；液相制冷工質經(jīng)相分離器底部送至一級毛細管節(jié)流，然后在一級冷凝蒸發(fā)器中蒸發(fā)制冷，蒸發(fā)后的氣體回到壓縮機吸氣管路；氣相制冷工質經(jīng)一級相分離器的上部進入一級冷凝蒸發(fā)器進行變溫部分冷凝，大部分中沸點工質冷凝為液體，低沸點工質仍然保持氣態(tài)；從一級冷凝蒸發(fā)器出來的氣液混合物進入二級相分離器，重力作用下氣體與液體實現(xiàn)自動分離；中沸點工質冷凝液經(jīng)二級毛細管節(jié)流后在二級冷凝蒸發(fā)器中蒸發(fā)制冷，釋放冷量后回到壓縮機吸氣管路；自二級相分離器上部流出的低沸點工質氣體在二級冷凝蒸發(fā)器中冷凝，冷凝液經(jīng)三級毛細管節(jié)流降溫進入蒸發(fā)器蒸發(fā)制冷，蒸發(fā)后氣體進入吸氣管路與中高沸點工質氣體匯合回到壓縮機。

根據(jù)自動復疊制冷系統(tǒng)的熱氣旁通和氣相混合制冷工質旁通對溫度和壓力的調(diào)控方法，本文提出了具有兩路旁通的4種壓力和組分調(diào)節(jié)方式，如圖1所示。

（1）高低壓熱氣旁通。壓縮機排出的高溫高壓混合工質如果壓力高于電磁閥設定的啟動壓力，則電磁閥打開，部分混合制冷工質旁通到膨脹容器，消除了高溫高壓氣體對系統(tǒng)的危害。壓力降低至電磁閥設定的閉合壓力時電磁閥自動關閉，壓力逐漸回升，經(jīng)過一段時間后壓力旁通閥重新開啟，直到冷凝壓力穩(wěn)定在合理的范圍內(nèi)。

圖1 帶旁通的三級自動復疊制冷系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of three-stage ARC system with bypass control

（2）相分離器Ⅰ氣相出口混合制冷工質旁通，手動球閥Ⅰ調(diào)節(jié)。

（3）相分離器Ⅱ氣相出口混合制冷工質旁通，手動球閥Ⅱ調(diào)節(jié)。

（4）相分離器Ⅰ氣相出口和相分離器Ⅱ氣相出口混合制冷工質同時旁通，兩個球閥同時調(diào)節(jié)。

自動復疊制冷系統(tǒng)的溫度、壓力和組分具有耦合特性，通過壓力調(diào)節(jié)使系統(tǒng)的組分得到調(diào)整。通過相分離器氣相出口的抽氣調(diào)節(jié)方式，將相分離器上部不同組分的混合制冷工質旁通到膨脹容器。優(yōu)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行時的混合工質組分，將殘留在系統(tǒng)的空氣、不凝性氣體和多余的中低沸點工質氣體排放到膨脹容器。通過這種方式可以有選擇性地將有效的環(huán)保制冷工質組分依次通過各級循環(huán)回路，最后達到混合制冷工質組分有效的控制。實驗系統(tǒng)主要進行溫度和壓力的測量，通過制冷工質溫度和壓力的耦合關系分析系統(tǒng)的運行工況。有2個壓力測點，分別是系統(tǒng)高壓和低壓。有28個溫度測點，監(jiān)控各主要關鍵節(jié)點的溫度變化，溫度和壓力測點分布情況如圖1所示。

2 壓力和組分調(diào)節(jié)規(guī)律研究

2.1 壓力和組分調(diào)節(jié)時壓縮機性能變化

傳統(tǒng)的電力營銷方式缺乏健全的管理體系，致使供電單位與用戶關系緊張，不僅限制企業(yè)的發(fā)展，嚴重的還會導致企業(yè)內(nèi)部資金不均衡，帶來安全隱患。因此，企業(yè)領導人應該積極轉變落后思想，不斷建全管理體系；供電管理人員要具備及時處理企業(yè)經(jīng)營問題的能力，可以針對故意拖欠繳費的客戶，進行實時跟蹤，適時與客戶進行溝通，潛移默化地讓客戶知曉企業(yè)的困難，切實提升電企的經(jīng)營質量。

冷凝壓力與壓縮機的排氣壓力基本相等，非共沸混合工質沒有共沸點，在定壓下冷凝時，氣相和液相的成分不同，溫度也不斷變化，液相工質的冷凝量和氣液相組分隨溫度的變化而變化。壓縮機排出的混合制冷工質氣體在冷凝器中流動阻力比較小，是一個恒壓冷卻冷凝過程。其釋放的熱量主要由3部分組成：過熱蒸汽進入冷凝器顯熱放熱，溫度下降到露點溫度；部分工質冷凝為液體，釋放汽化潛熱；剩余氣體工質進一步冷卻，釋放顯熱。

系統(tǒng)開機后冷凝壓力瞬時升高至2.0 MPa，通過高壓控制器使其穩(wěn)定在2.0～2.2 MPa之間，4種調(diào)節(jié)方法的冷凝壓力變化如圖2(a)所示。兩個手動球閥都關閉時只能通過高低壓熱氣旁通管路進行調(diào)節(jié)，熱氣旁通調(diào)節(jié)時冷凝壓力周期性波動變化較大，電磁閥開啟較頻繁，制冷系統(tǒng)進入穩(wěn)定運行階段的時間也較長，系統(tǒng)開機后 70 min才能達到穩(wěn)定狀態(tài)。通過旁通閥門Ⅰ、閥門Ⅱ和兩個閥門同時調(diào)節(jié)的方法冷凝壓力變化較平緩，系統(tǒng)運行30 min后進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。相分離器氣相出口工質旁通與高低壓熱氣旁通相比具有平穩(wěn)、靈活和可調(diào)性等特點，可以將殘留在系統(tǒng)的不凝性氣體和多余的中低沸點工質旁通到膨脹容器，使影響系統(tǒng)換熱的不凝性氣體不通過蒸發(fā)器，從而加快制冷工質冷凝和組分調(diào)整，提高降溫速度。開機初期膨脹容器中的混合氣體逐漸參與循環(huán)使系統(tǒng)壓力升高，混合工質不斷冷凝使系統(tǒng)壓力降低，通過連續(xù)調(diào)節(jié)旁通管路閥門對系統(tǒng)的高壓進行控制。

圖2 壓力和組分調(diào)節(jié)時壓縮機性能變化Fig.2 Compressor performance changes during pressure and composition regulations

圖2(b)為4種調(diào)節(jié)方式的排氣溫度變化曲線。系統(tǒng)開機 20 min后閥門Ⅰ和兩個閥門同時調(diào)節(jié)的方式排氣溫度升高到390 K，隨后逐漸下降穩(wěn)定在370 K。閥門Ⅰ和兩個閥門同時調(diào)節(jié)的排氣溫度變化情況類似，開機5 min后快速升高到370 K逐漸減緩上升趨勢，前5 min快速升高的原因是壓縮機開機以后隨著膨脹容器中工質逐漸參與循環(huán)，混合制冷工質流量增大，排氣溫度升高較快。5～20 min緩慢升高是因為低壓系統(tǒng)的壓力趨于均衡穩(wěn)定，制冷劑基本都參與循環(huán)，蒸發(fā)溫度降低較快。開機20 min后溫度變化曲線出現(xiàn)轉折點，溫度逐漸下降，最后排氣溫度穩(wěn)定在370 K左右。出現(xiàn)轉折點的原因是系統(tǒng)溫度已經(jīng)降到最低點，吸氣溫度降低導致排氣溫度下降。熱氣旁通調(diào)節(jié)方式與上述兩種調(diào)節(jié)方式類似，只是轉折點在開機約52 min時才出現(xiàn)，說明系統(tǒng)降溫速度較慢，轉折點的排氣溫度已升高到405 K，降溫速度慢導致排氣溫度逐漸升高。閥門Ⅱ調(diào)節(jié)時低溫工質通過旁通管路不斷排放到膨脹容器，冷量損失嚴重，排氣溫度逐漸升高，最終穩(wěn)定在410 K左右。

吸氣管路壓力相對于冷凝壓力變化較小，低壓系統(tǒng)依靠壓縮機的不斷抽吸作用保持低壓，膨脹容器對制冷工質具有貯存調(diào)節(jié)作用，使制冷裝置低壓系統(tǒng)保持穩(wěn)定。圖2(c)是4種調(diào)節(jié)方式時的吸氣管路壓力變化曲線。吸氣壓力在系統(tǒng)開機后迅速降低到0.15 MPa左右并保持穩(wěn)定，開機20 min左右閥門Ⅰ調(diào)節(jié)和兩個閥門同時調(diào)節(jié)都從0.15 MPa階躍升高到0.25 MPa，增加幅度為0.1 MPa，隨后進入穩(wěn)定運行階段。4種調(diào)節(jié)方式的主要區(qū)別是低壓升高的時間節(jié)點不同，閥門Ⅰ和兩個閥門同時調(diào)節(jié)都在開機后20 min時吸氣壓力升高，吸氣壓力升高說明制冷系統(tǒng)完成了降溫過程。熱氣旁通的調(diào)節(jié)方式在開機后52 min吸氣壓力升高，這種調(diào)節(jié)方式降溫速度較慢。閥門Ⅱ調(diào)節(jié)吸氣壓力總是穩(wěn)定在0.15 MPa左右，與其他3種情況不同，因為閥門Ⅱ調(diào)節(jié)是通過相分離器Ⅱ上部導出部分低溫混合制冷工質，使制冷系統(tǒng)冷量損失嚴重，其結果是吸排氣溫度升高，冷凝壓力增大，吸氣壓力減小，壓比增大。

圖2(d)是4種調(diào)節(jié)方式的壓縮機吸氣溫度變化趨勢。熱氣旁通調(diào)節(jié)方式的降溫速度較慢，到52 min溫度才降到最低點。閥門Ⅱ調(diào)節(jié)由于冷量損失使吸氣溫度較高，開機后30 min穩(wěn)定在287 K。不同的調(diào)節(jié)方式，最終穩(wěn)定運行階段吸氣溫度差別很大，相差高達30 K。

4種調(diào)節(jié)方式的壓縮機壓比曲線如圖2(e)所示。開機初期4種調(diào)節(jié)方式的壓比都很高，達到13左右，穩(wěn)定運行以后壓縮機壓比為8.0。系統(tǒng)運行20 min后，閥門Ⅰ和兩個閥門同時調(diào)節(jié)的壓比有一個快速降低過程，由13降低到8。系統(tǒng)開機后前20 min處于快速降溫階段，毛細管作為節(jié)流機構很難快速將混合工質從高壓管路系統(tǒng)輸運到低壓管路系統(tǒng)，低壓系統(tǒng)保持 0.15 MPa是由于膨脹容器的貯藏作用使低壓系統(tǒng)工質不斷回流到壓縮機，保證了開機初期低壓系統(tǒng)的穩(wěn)定。開機20 min后系統(tǒng)的降溫基本完成，混合工質大多以液體形式通過毛細管，工質流量增大使高壓和低壓系統(tǒng)處于新的平衡，低壓0.25 MPa就是新的平衡壓力。

圖3 壓力和組分調(diào)節(jié)時蒸發(fā)器性能變化Fig.3 Evaporator performance changes during pressure and composition regulations

2.2 壓力和組分調(diào)節(jié)時蒸發(fā)器性能變化

圖3(a)為4種調(diào)節(jié)方式蒸發(fā)器進口溫度的變化曲線。熱氣旁通的調(diào)節(jié)方法溫度降低較慢，需要52min降低到最低點，閥門Ⅰ調(diào)節(jié)、閥門Ⅱ調(diào)節(jié)和兩個閥門同時調(diào)節(jié)時蒸發(fā)器進口溫度基本相同，開機20 min可降低到最低溫度185 K。

圖3(b)是4種調(diào)節(jié)方式蒸發(fā)器最低溫度的變化曲線。閥門Ⅱ調(diào)節(jié)雖然降溫速度較快，但最終穩(wěn)定運行時的溫度比其他的調(diào)節(jié)方式高5 K左右。由于閥門Ⅱ調(diào)節(jié)冷量損失嚴重，冷量隨著旁通氣體排放到膨脹容器，不宜單獨調(diào)節(jié)。熱氣旁通的調(diào)節(jié)方式可以有效排除高壓對系統(tǒng)的危害，但對混合工質的組分沒有調(diào)節(jié)作用。剛開機時由于高沸點制冷工質還沒有完全冷凝成液體，節(jié)流后產(chǎn)生的冷量較小，使中低沸點制冷工質不能迅速冷凝。沒有冷凝的中低沸點制冷工質就成為高沸點制冷工質的不凝性氣體，高沸點制冷工質的冷凝速度變慢，壓縮機啟動初期系統(tǒng)降溫較慢。

蒸發(fā)器出口溫度的變化與蒸發(fā)器進口和最低溫度的變化相似，經(jīng)歷了相同的變化階段，圖3(c)顯示了蒸發(fā)器出口溫度的變化過程。非共沸混合制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)不斷吸熱汽化，混合工質溫度逐漸由泡點溫度升高到露點溫度。兩個閥門同時調(diào)節(jié)的控制方法使兩個相分離器的氣相出口同時旁通出少量不凝性氣體，加強了換熱和冷凝速度，旁通出的少量氣體對系統(tǒng)的冷量損失較少。兩個閥門同時調(diào)節(jié)時閥門Ⅱ盡量小，只需排放微量不凝性氣體，壓力主要還是由閥門Ⅰ調(diào)控。

3 結 論

針對自動復疊制冷系統(tǒng)排氣壓力和排氣溫度較高，啟動降溫速度慢等特點，對4種壓力和組分調(diào)節(jié)控制方法進行了比較。相分離器氣相出口旁通的調(diào)節(jié)方式不僅具有壓力調(diào)節(jié)作用，還具有組分調(diào)控和優(yōu)化作用，不凝性氣體和壓縮機啟動初期難于冷凝的低沸點工質旁通到膨脹容器。這種壓力和組分調(diào)節(jié)方式減小了系統(tǒng)啟動壓力，加快了制冷裝置系統(tǒng)的降溫速度。

（1）熱氣旁通調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能波動變化較大，電磁閥開啟較頻繁，制冷系統(tǒng)進入穩(wěn)定運行階段的時間較長，需要70 min系統(tǒng)才能達到穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）二級相分離器氣相出口調(diào)節(jié)時低溫工質通過旁通管路不斷流到膨脹容器，冷量損失比較嚴重。

（3）一級相分離器氣相出口調(diào)節(jié)和兩個相分離器氣相出口同時調(diào)節(jié)時制冷系統(tǒng)的性能很接近，系統(tǒng)開機30 min后即可達到穩(wěn)定狀態(tài)。

通過對壓縮機和蒸發(fā)器運行特性比較，一級相分離器氣相出口調(diào)節(jié)和兩個相分離器氣相出口同時調(diào)節(jié)為較好的自動復疊制冷系統(tǒng)壓力和組分調(diào)控方式。

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Pressure and composition regulation of auto-refrigerating cascade system

RUI Shengjun1,2, ZHANG Hua2, LI Jian1, WANG Zhiyuan1
(1Vehicle & Transportation Engineering Institute, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, Henan, China;2Institute of Refrigeration Technology, Shanghai University of Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The hot-gas bypass control can effectively eliminate the harm of high pressure on auto-refrigerating cascade system, but it is useless for the regulation of mixed refrigerant composition. The four kinds of pressure and composition adjustment method with two bypass was put forward in connection with the characteristics of higher condensing pressure and exhaust temperature of three-stage auto-refrigerating cascade cycle. The condensing pressure was changed in regular fluctuations and the solenoid valve was opened and closed frequently for the hot-gas bypass regulation, and the refrigeration system was stable after 70 min. The cold lost seriously for vapor outlet bypass adjustment of phase separator Ⅱ, and the cold of refrigerant was discharged to the reservoir through the bypass line. The performance of the refrigeration system was very close to the vapor outlet bypass adjustment of phase separator Ⅰ and two phase separators, and the refrigeration cycle was stable after 30 min. The vapor outlet bypass adjustment of phase separator Ⅰ and two phase separators were the better pressure and composition regulation method of auto-refrigerating cascade cycle according to the study of the operating conditions of compressor and evaporator.

Dr. RUI Shengjun, sjrui@163.com

TB 657.3

：A

：0438—1157（2017）01—0329—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20160773

2016-06-06收到初稿，2016-10-31收到修改稿。

聯(lián)系人及第一作者：芮勝軍（1975—），男，博士，講師。

國家自然科學基金項目（51176124）；河南省重點攻關項目（152102210279）；河南省高等學校重點科研項目（15A470001）；河南科技大學青年科學基金項目（2015QN014）。

Received date: 2016-06-06.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51176124), the Key Projects of Henan Province (152102210279), the Outstanding Scientific Research Project of Henan Colleges and Universities (15A470001) and the Youth Science Foundation of Henan University of Science and Technology (2015QN014).