五級自動復疊系統(tǒng)制冷劑組分實驗研究

2019-03-25 11:49:28張漢青張書春吳銀龍邱金友

能源研究與信息 2019年4期

張漢青，張華，張書春，吳銀龍，邱金友

（上海理工大學能源與動力工程學院上海 200093）

對非共沸混合工質(zhì)制冷循環(huán)的深入研究推動了單級壓縮節(jié)流制冷機在深冷領域的應用，而自動復疊制冷循環(huán)（auto-cascade refrigeration cycle，ARC）制冷機在這類制冷機中具有明顯優(yōu)勢。ARC系統(tǒng)采用的都是混合工質(zhì)，它可以在-220～-40 ℃的廣闊溫度區(qū)域內(nèi)靈活應用。自動復疊制冷循環(huán)結構簡便、性能可靠的特點使其具有很強的實用性［1］。

由于ARC系統(tǒng)中工質(zhì)成分復雜，導致工作中工質(zhì)的運行成分不可控性變大。系統(tǒng)中工質(zhì)的充注比例往往不是運行比例。同時，在充注氣體時，工質(zhì)在系統(tǒng)中的滯流是必須要考慮的重要因素，這種特性是非共沸工質(zhì)自身特性和循環(huán)硬件回路結構特點綜合作用的結果。國內(nèi)有學者對混合工質(zhì)組元的選擇、配比的優(yōu)化、熱物性計算及預測、工作壓力的優(yōu)化等做了大量的研究［2-4］，為后續(xù)研究打下了良好的基礎。一些研究者以相分離器中兩處氣體成分分析采樣點為例分析了多級自動復疊制冷系統(tǒng)在非共沸混合工質(zhì)運行過程中由于相分離、積液和工質(zhì)積存等原因引起的混合工質(zhì)組分發(fā)生變化的問題［5-7］。

本文基于五級自動復疊系統(tǒng)，對其運行成分進行采樣、測試和分析，并將系統(tǒng)的運行工況、各溫度測點以及壓力測點等采集到的數(shù)據(jù)與氣象色譜儀分析得到的數(shù)據(jù)進行比較，全面了解循環(huán)過程中的狀態(tài)，為混合工質(zhì)的運行成分分析提供指導與建議。

1 實驗原理及裝置

本文對五級自動復疊制冷循環(huán)展開研究。選擇的是1HP的常規(guī)制冷壓縮機，所設計的制冷循環(huán)如圖1所示。對該系統(tǒng)進行改進，并對其部分系統(tǒng)進行重新設計，增設了一個真空筒，對低溫部分采用真空筒并進行保溫處理，同時更進一步優(yōu)化了設計，精簡了結構。本文針對系統(tǒng)中氣體運行成分以及制冷劑充注配比進行研究。

本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的區(qū)別在于其壓縮機吸入口與最后一級氣液分離器之間增加了一個膨脹容器和緩沖器，增加的這一回路由電磁閥控制。由于系統(tǒng)開機時溫度還未達到要求，中低溫工質(zhì)仍以氣態(tài)存在，導致吸入氣體的壓力過高，此時，電磁閥會打開，以便迅速降低吸入口壓力，從而保證壓縮機的正常工作。而膨脹容器和緩沖器會降低電磁閥通斷時對系統(tǒng)的沖擊，保證系統(tǒng)的平穩(wěn)運行［8］。膨脹容器的主要作用在于降低機組停機后的平衡壓力，從而保護系統(tǒng)。

圖1 五級自動復疊制冷循環(huán)系統(tǒng)Fig.1 Five-stage automatic cascade refrigeration cycle system

根據(jù)實驗要求選擇合適的制冷劑，分別為R600a、R23、R14、R740、R728。各制冷劑相關物性參數(shù)如表1所示，表中：ODP為臭氧衰減指數(shù)，表示對臭氧層的危害程度；GWP為溫室指數(shù)，表示對造成溫室效應危害程度。通過氣液相平衡圖計算出制冷劑的初步配比，再經(jīng)過多次的驗算和對比［9］，最終選定混合制冷劑R600a、R23、R14、R740、R728初始充注質(zhì)量比為45∶25∶20∶5∶5。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析對系統(tǒng)中的制冷劑配比進行進一步的調(diào)整。然后再進行氣體分析，重新改變比例，最終獲得的系統(tǒng)穩(wěn)定工況為：充注氣體壓力為 1.2 MPa；排氣壓力為 1.9 MPa；壓縮比為9；最終蒸發(fā)器進口溫度為-126 ℃；開機后系統(tǒng)需要7.3 h達到穩(wěn)定。系統(tǒng)中最終混合工質(zhì)R600a、R23、R14、R740、R728 的充注質(zhì)量比為 50∶21.8∶24.7∶2.5∶1，工質(zhì)總質(zhì)量為 465 g。

表1 所選工質(zhì)的主要物性參數(shù)Tab.1 Main physical parameters of the selected working fluids

2 氣體運行組分的確定與分析

2.1 氣體標況圖譜的確定

為了對氣體組分進行更直觀的分析，采用GC112A 氣相色譜儀［10-11］與 N（VI）2000 色譜數(shù)據(jù)工作站聯(lián)合分析氣體組分。由于設備精度原因未能檢測出R23氣體，因此主要對系統(tǒng)中的工質(zhì)R600a、R14、R740、R728進行分析。

氣相色譜儀圖譜的清晰度與準確度對實驗過程有很大的影響，且均依靠其出峰的時間和出峰的穩(wěn)定程度來保證。所以實驗必須將圖譜調(diào)整到合適的狀態(tài)。在樣品氣體R600a、R14、R740、R728 質(zhì)量比為 32∶15.5∶20.5∶32 時進行實驗，通過控制變量法依次控制載氣流量，再利用恒定電流法，通過對比譜圖中氣體峰值的先后順序來確定工質(zhì)的成分和比例［12］。圖2為樣品氣體標況下的圖譜。表2為樣品氣體的分析結果。當選取圖2和表2的實驗方案為氣體圖譜的標況時，得到的結果最貼近樣品氣體的比例，而且峰值時間也合適。進行氣體采樣時，需注意：①系統(tǒng)必須處于運行狀態(tài)且達到穩(wěn)定；②必須控制好時間差，因為一旦對某個測點采樣后，系統(tǒng)的穩(wěn)定性就會遭到破壞，所以必須快速采樣；③采樣時要注意樣品的量，不能太少，否則檢測不出。

圖2 樣品氣體標況下的圖譜Fig.2 Sample gas spectrum under the standard condition

表2 樣品氣體的分析結果Tab.2 Analysis results of the sample gas

2.2 氣體運行組分分析

將本實驗中系統(tǒng)穩(wěn)定工況下采集到的數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)進行對比，在G1～G5穩(wěn)定工況下溫度分別為 -20、-40、-76、-105、-126 ℃ 時對K1～K6運行成分進行采樣分析。

2.2.1 測試點 K1 工質(zhì)組分分析

氣體樣品測試點K1測試的是壓縮機吸入口中工質(zhì)的組分，圖3和表3分別為K1對應的氣體圖譜和分析結果。從表3中可以看出，吸入口有三種工質(zhì)，經(jīng)過對比，按照出現(xiàn)的時間順序各波峰對應的工質(zhì)分別為R14、R740和R600a，混合工質(zhì)R600a、R14、R740的質(zhì)量比約為 38∶20∶42。經(jīng)分析，吸入口應有R23和R728，但是R23和R728未被檢出。分析其原因有：①開機時系統(tǒng)由于壓力過高保護后，氣體進入膨脹容器后大量滯留在其內(nèi)，使R23和R728無法進行正常循環(huán)；②R23和R728在系統(tǒng)中的量太少，沒有參與循環(huán)；③在采樣時未采集到R23和R728前就關閉了采樣閥。另外，從表3中可以看到，只有少量R600a和R14進入回氣管路，其原因是由于系統(tǒng)中R600a和R14大部分都以液體存在，參與循環(huán)的量很少，而系統(tǒng)中大部分R740是不凝性氣體，所以氣體比例會與充注時的相差很大。

圖3 壓縮機吸入口氣體圖譜Fig.3 Gas spectrum of the compressor suction port

2.2.2 測試點 K2 工質(zhì)組分分析

氣體樣品測試點K2測試的是氣液分離器D1中工質(zhì)的組分。圖4和表4分別為K2對應的氣體圖譜和分析結果。圖4中有三個波峰，可以確定檢測出三種工質(zhì)。對照波峰出現(xiàn)的時間順序可以看出，對應的三種物質(zhì)分別為R14、R740和R600a，混合工質(zhì)R600a、R14、R740的質(zhì)量比為6∶31∶63。理論上，經(jīng)過第一級氣液分離器后，樣品中僅有少量R600a，這與所測結果相差不大。而這三種物質(zhì)中，R14和R740的質(zhì)量比為1∶2，這與充注配比相差較大，同時可以看到，與吸氣口相比，R14和R740比例相差不大。在該測試點，氣體中仍有R23存在，但是儀器未能檢出。

表3 壓縮機吸入口氣體的分析結果Tab.3 Gas analysis results of the compressor suction port

圖4 氣液分離器 D1 氣體圖譜Fig.4 Gas spectrum of the gas-liquid separator D1

表4 氣液分離器 D1 氣體的分析結果Tab.4 Gas analysis results of the gas-liquid separator D1

2.2.3 測試點 K3 工質(zhì)組分分析

氣體樣品測試點K3測試的是氣液分離器D2中工質(zhì)的組分。圖5和表5分別為K3對應的氣體圖譜和分析結果。圖5中只有兩個波峰，經(jīng)過對比，可以得到按照出現(xiàn)的時間順序兩個波峰對應的工質(zhì)分別為R14和R740。結果顯示，混合工質(zhì)中R14、R740的質(zhì)量比為42∶58。首先，第二級分離器內(nèi)不存在氣態(tài)制冷劑R600a，都變成了液體。而R14和R740這兩種制冷劑的質(zhì)量比與上級氣液分離器D1的質(zhì)量比變化不大，約為1∶1.5，R14的含量有所上升?？梢钥吹?，第二級中間換熱器運行方向出口溫度為-25 ℃，R14和R740不可能發(fā)生冷凝。這種變化是由氣體在系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生了滯留或工質(zhì)流動的不均勻造成的。

圖5 氣液分離器 D2 氣體圖譜Fig.5 Gas spectrum of the gas-liquid separator D2

表5 氣液分離器 D2 氣體的分析結果Tab.5 Gas analysis results of the gas-liquid separator D2

2.2.4 測試點 K4 工質(zhì)組分分析

氣體樣品測試點K4測試的是氣液分離器D3中工質(zhì)的組分，圖6和表6分別為K4對應的氣體圖譜和分析結果。圖6中只有兩個波峰，經(jīng)過對比，可以得到按照出現(xiàn)的時間順序的兩個波峰對應的工質(zhì)是R14和R740，結果顯示混合工質(zhì)R14、R740質(zhì)量比為48∶52。注意到此級并沒有R600a，且R14的質(zhì)量分數(shù)增加。分析原因為：①R14在該級的滯留量相對較大，該級存在大量的R14氣體；②對樣品進行采集時，流動工質(zhì)具有不穩(wěn)定性，使得結果偏差變大，導致R14檢測值變大。

圖6 氣液分離器 D3 氣體圖譜Fig.6 Gas spectrum of the gas-liquid separator D3

表6 氣液分離器 D3 氣體的分析結果Tab.6 Gas analysis results of the gas-liquid separator D3

2.2.5 測試點 K5 工質(zhì)組分分析

氣體樣品測試點K5測試的是氣液分離器D4中工質(zhì)的組分。圖7和表7分別為K5對應的氣體圖譜和分析結果。圖7中只有兩個波峰，經(jīng)過對比，可以得到按照出現(xiàn)的時間順序兩個波峰對應的工質(zhì)分別為R14和R740。結果顯示，混合工質(zhì)中R14、R740質(zhì)量比為36∶64，接近初始的循環(huán)比例。當不考慮上一級測試結果時，發(fā)現(xiàn)R14的質(zhì)量分數(shù)逐漸增加。第四級中間換熱器出口溫度為-96 ℃，在該溫度下有少部分R14發(fā)生冷凝液化，而在系統(tǒng)中其質(zhì)量分數(shù)在變大，說明工質(zhì)R14在流動過程中有部分滯留。R740在該級的質(zhì)量分數(shù)大幅降低有兩個原因：①R740在前幾級一直是以不凝性氣體存在，流動時有極大的不穩(wěn)定性，同時在系統(tǒng)中的滯留量較大，其質(zhì)量分數(shù)一直在波動；②工質(zhì)R740在該級已部分發(fā)生液化并參與循環(huán)。同時，未發(fā)現(xiàn)R728原因是：①其質(zhì)量分數(shù)太少，未能參與到循環(huán)中；②由于流動時的不均勻性，采樣時未能采集到R728。

圖7 氣液分離器 D4 氣體圖譜Fig.7 Gas spectrum of the gas-liquid separator D4

表7 氣液分離器 D4 氣體的分析結果Tab.7 Gas analysis results of the gas-liquid separator D4

2.2.6 測試點 K6 工質(zhì)組分分析

氣體樣品測試點K6測試的是第五級毛細管G5節(jié)流后的工質(zhì)的組分。圖8和表8分別為K6對應的氣體圖譜和分析結果。從圖8中可以看出，第五級的測試結果與第四級測試結果相差不大，按照出現(xiàn)的時間順序兩個波峰對應工質(zhì)分別為R14和R740。結果顯示，混合工質(zhì)中R14、R740的質(zhì)量比為22∶78。理論上該級在節(jié)流后主要工質(zhì)應為R728，但是根據(jù)節(jié)流后溫度-126 ℃判斷，工質(zhì)不可能為R728。而第六級中間換熱器F6的出口溫度為-110 ℃，結合R14和R740的氣液相平衡圖分析，因為工質(zhì)存在形式為氣液兩相，所以R14氣體的比例減少較多，流入第五級毛細管的工質(zhì)為氣液兩相；同時可看到在該循環(huán)中最終是由R14、R740組成的混合物代替了R728進入蒸發(fā)器進行蒸發(fā)。

3 結論

圖8 毛細管 G5 節(jié)流后氣體圖譜Fig.8 Gas spectrum after throttling of the capillary G5

表8 毛細管 G5 節(jié)流后氣體分析結果Tab.8 Gas analysis results after throttling of the capillary G5

本文搭建了一套五級自動復疊制冷循環(huán)系統(tǒng)，經(jīng)過調(diào)試得到了-126 ℃的低溫環(huán)境。本實驗僅初步運用氣相色譜儀以及其工作站對五級自動復疊系統(tǒng)中的制冷劑進行了研究。由于實驗中并未測出R23、R728這兩種工質(zhì)，所以得到的實驗結果還不夠完善，但對于進一步的研究還是有一定的指導意義。本文主要結論為：

（1）自動復疊制冷循環(huán)中制冷劑的配比影響很大。運行過程中，充入R14能有效地降低系統(tǒng)溫度，但會增加系統(tǒng)壓力。系統(tǒng)充注的低溫制冷劑越多，不凝性氣體越多，系統(tǒng)穩(wěn)定性就越差。

（2）ARC系統(tǒng)中工質(zhì)運行狀況較復雜，存在制冷劑滯留和流動不均勻等情況，所以制冷劑在制冷循環(huán)中的循環(huán)量與充注量不相等，而且這些狀況也造成了氣體采樣的不準確性，可能會使分析結果偏離原來的方向。