極限工況下開放式CO2制冷系統的設計

錢曉輝，徐 雷

（1.南京航空航天大學航空學院，南京210016；2.金陵科技學院機電工程學院，南京211169）

0 引 言

我國煤礦安全是煤礦生產中的重要工作內容，為了減少突發事故中人員的二次傷害，國家大力推行礦井安全救生工作［1］。礦用可移動式救生艙一般布置在距生產工作面最近的位置，是重要的救生避險設施，艙內環境控制系統是救生艙內最重要的系統，對人員生存的可靠性與穩定性起到重要的作用。開放式二氧化碳制冷是無源救生艙環境控制系統中，溫濕度控制運用廣泛的一種制冷方式［2］，與相變制冷和蓄冰制冷相比，開放式二氧化碳制冷溫濕度控制范圍寬，運行維護成本低，具有良好的經濟性與適用性［3］。

開放式二氧化碳制冷系統調節范圍廣，操作性要求高，因系統設計不合理或調節不當導致的系統故障常常發生［4］。蔡玉飛等［5］研究了二氧化碳儲存狀態對開放式制冷系統性能的影響，在超臨界條件下，二氧化碳制冷量損失較大；曹利波［6］利用flowmaster軟件設計了合適的蒸發器參數，并對非設計工況下的制冷系統性能進行校核；殷岳等［7］提出現有的二氧化碳節流背壓缺乏相關控制，使蒸發器外表面結霜，提出二次節流一次回熱的改進方式；楊俊玲等［8］同樣采用二次節流的方式優化開放式二氧化碳制冷系統，提高蒸發溫度，降低蒸發器結霜的可能性。開放式二氧化碳制冷系統的設計及研究均局限于救生艙內額定使用工況下，尚未針對系統在多變環境下的適應性進行分析研究，經過大量的實驗證明，開放式制冷系統在冷啟動時多次出現系統冰堵，真人實驗中人員活動量的變化同樣容易引起系統的運行脫離穩態［9］。

本文根據救生艙內制冷系統的運行要求以及人員不同活動狀態的熱濕負荷變化，針對開放式二氧化碳制冷系統的性能進行理論計算與實驗研究，針對二次節流開放式二氧化碳制冷系統確定系統運行包線及極端工況下的調節方式。

1 二次節流開放式二氧化碳制冷系統

1.1 系統原理

開放式二氧化碳制冷系統中，二氧化碳儲存壓力一般為6～7 MPa，開放式排出壓力為0.1 MPa，如果使用單級節流會造成節流過深，使節流后位置處的二氧化碳工質溫度降到-10～-25℃，極易引發蒸發器銅管外表面凝霜［10］，為避免懸崖式壓降并保證系統總流阻，一般使用細長的管路實現連續降壓［11］，系統組成及熱力學原理如圖1所示。

另一種優化系統流阻的方式是使用雙級節流的設計結構，一方面減少了系統管路總長度，另一方面，提高了蒸發溫度，避免出現換熱器凝霜現象，系統的穩定性與制冷效率進一步提升［12］。系統組成及熱力學原理如圖2所示。儲存的液態二氧化碳工質從鋼制高壓氣瓶中經內置虹吸管流出，多路氣瓶由匯流排匯總后，常溫高壓狀態的二氧化碳液體（壓力為p0，焓值為h0）經過一級減壓閥減壓后變成低溫高壓的氣液混合態（p1，h1），蒸發換熱后的常溫高壓二氧化碳氣體（p2，h2）通過二級減壓閥再次減壓成低溫低壓的氣體（p3，h3）［13］，再次換熱后驅動氣動風機，最后排出艙體。

圖1 開放式二氧化碳制冷系統單級節流系統組成及熱力學原理圖

圖2 開放式二氧化碳制冷系統雙級節流系統組成及熱力學原理圖

1.2 額定工況蒸發器制冷量計算

以某公司RP-12型救生艙為例，使用二次節流的開放式二氧化碳制冷系統，采用雙級換熱器：前置換熱器為Φ6 mm，壁厚1 mm的銅管盤成，其排數為10，列數為20，蒸發器有效長度為0.32 m，縱向管中心距S1＝15 mm，橫向管中心距S2＝13 mm；后置蒸發器尺寸與前置蒸發器相同。

救生艙內設計空氣狀態t′1＝28 ℃，相對濕度φ′1＝65%，焓值h′1＝67.755 kJ/kg，空氣經過換熱器后的溫度t″1、焓值h″1可由下式計算得出：

式中：hs為蒸發器表面溫度下的空氣飽和狀態焓值，kJ/kg；ts為蒸發器表面溫度，℃，對前置換熱器進行研究時，假設換熱器平均溫度為蒸發溫度；αa為蒸發器外表面顯熱傳熱系數，kW/（m2·K）；uy為迎面風速，m/s；cp為干空氣比定壓熱容，kJ/（kg·K）；ρ為空氣密度，kg/m3；N為沿氣流方向蒸發器管排數；a為蒸發器總外表面積與（N×迎風面積）比。

干工況下空氣側的對流換熱系數為

式中：Nua為空氣的努賽爾數；λa為空氣的導熱系數；Dout為銅管外徑。

推薦管束平均對流換熱系數準則關聯式［14］為

式中：vmax為最小截面風速，υa為空氣的運動黏度，De為最小截面當量直徑。

設計二氧化碳初始狀態為25℃、6.45 MPa，一級減壓閥后狀態為1.3℃、3.6 MPa。計算結果如表1所示，二氧化碳質量流量為9.66 g/s。

表1 前置換熱器設計工況計算結果

12人救生艙額定設計負荷為2 200 W，由表1可知，前置換熱器換熱2 085.5 W，后置換熱器承擔剩余114.5 W的換熱量與系統壓降。

1.3 制冷劑分布

研究極限負荷下的系統性能變化主要是研究外界環境負荷變化時系統內制冷劑的變化，對雙級節流開放式二氧化碳制冷系統進行系統簡化，制冷系統換熱器分為前置換熱器兩相段、前置換熱器過熱段與后置換熱器過熱段3個部分，如圖3所示。

圖3 雙級節流制冷劑分布原理圖

在二氧化碳兩相區內，單位長度ΔL內二氧化碳的干度變化Δx是由空氣吸熱析濕產生的，根據傳熱學公式，得

式中：α11為前置換熱器兩相段表面空氣傳熱系數；c為銅管周長；T空氣1為兩相段空氣平均溫度；T蒸發為CO2蒸發溫度；GCO2為CO2質量流量；H為相變潛熱。

因此，兩相區長度為

式中，x0為一級減壓后CO2的干度。

忽略氣動風機的影響，制冷系統進出口的壓降p1-p0為常數

式中：Δpa、Δpb分別為一級減壓閥與二級減壓閥壓降；Δp11、Δp12、Δp2分別為兩相段、一級過熱段與二級過熱段壓降；p為CO2密度；ξ為減壓閥局部阻力系數；v為CO2流速；f為CO2流經管路的阻力系數；γ為制冷劑平均比容；D為管路直徑。

上述公式表明，當空氣熱負荷發生變化時，制冷系統內的制冷劑兩相區長度發生改變，系統流量與各部件壓降分配也隨之不同。

2 極限工況制冷系統性能

救生艙在運行中存在4種特殊的極限工況：①低溫低濕礦井的制冷系統啟動或艙內人員睡眠狀態，此時艙內人員熱濕負荷影響小，空氣溫濕度較低；②部分礦井濕度較高，溫度較低，制冷系統啟動時無足夠熱源吸收制冷工質冷量，救生艙內溫度較低，濕度較大［15］；③高溫礦井的制冷系統啟動或艙內存在輔助干燥劑除濕，此時艙內溫度較高，濕度較低；④高溫高濕礦井的制冷系統啟動或人員在艙內活動狀態劇烈，此時艙內溫濕度均較高。

根據式（1）～（6）計算6種工況的換熱量如表2所示。

表2 4種極端工況的計算結果

由表2的計算結果可知：

（1）1工況低溫低濕狀態下，艙內熱負荷766.9 W遠小于設計負荷2 200 W：二氧化碳在前置換熱器中無法充分換熱蒸發，再次經過二級減壓后進入后置換熱器將獲得更低的溫度。

空氣溫濕度降低時，T空氣1下降，兩相區長度L11增大，由于系統換熱器總長度不變，L12+L2減小，CO2氣態流阻遠大于液態流阻，故系統換熱器流阻Δp11+Δp12+Δp2降低。

此時，制冷系統的總流量提高，進一步加劇了系統制冷量與環境負荷的差值，若無人工干預，制冷系統二級減壓閥后的溫度將迅速降至二氧化碳干冰點發生系統冰堵。其熱力學過程如圖4（a）所示。

（2）2工況為低溫高濕狀態，系統在救生艙高濕度環境下：艙內空氣在換熱器處大量析出水分，系統流量增大速率略小于1工況，當流量增大到一定值時，減壓閥局部流阻Δpa+Δpb過大導致節流深度過深，節流后溫度低于冰點溫度，空氣析出的水分快速結冰。

此時換熱惡化加劇，系統快速出現冰堵故障。其熱力學過程如圖4（b）所示。

（3）3工況高溫低濕狀態下，艙內環境相對濕度較低：此時，蒸發器析濕換熱效果較差，制冷能力不足，無法滿足設計工況，但此時由于艙內環境溫度高，后置換熱器的換熱能力增強，系統不會出現干冰點，但系統二氧化碳排氣溫度降低，制冷利用率降低。其熱力學過程如圖4（c）所示。

（4）4工況高溫高濕狀態下，艙內熱濕負荷大于系統設計額定制冷量：T空氣1升高，兩相區長度L11減小，由于系統換熱器總長度不變，L12+L2增大，制冷劑過熱程度增加，換熱器流阻Δp11+Δp12+Δp2升高。

此時，系統流量不斷降低，發生制冷量不足現象。其熱力學過程如圖4（d）所示。

3 改進型制冷系統設計

根據上述熱力學分析，在救生艙冷啟動、人員活動異常等極限工況下，由于熱負荷與系統制冷流量不匹配，系統容易出現故障，故針對系統流阻進行改進型設計，系統原理如圖5所示。

圖4 4種極限工況下制冷系統熱力學過程

圖5 二次節流開放式二氧化碳改進型制冷系統原理圖

減壓閥調節開度對系統流量的控制能力差，極易出現調節過度，對避險人員的操作性要求高。改進型制冷系統在原系統基礎上增加了一級減壓閥后的一級三通換向閥及一級毛細管，增加了二級減壓閥后的二級三通換向閥與二級毛細管，通過開啟與關閉三通換向閥門改變制冷劑流動方向，開啟換向閥后，制冷劑需經過毛細管進入換熱器，系統流阻增加，流量減小。系統操作簡便，可快速緩解故障惡化。

（1）1工況。系統二氧化碳質量流量過大，開啟二級換向閥雖然降低了系統質量流量，但會造成二級節流深度加深，二級毛細管內溫度與壓力迅速降至干冰點導致系統冰堵。故此，低溫低濕的冷啟動條件下，開啟一級換向閥，一級毛細管內溫度將低于0℃，但由于質量流量降低，液態二氧化碳在蒸發器內能夠充分換熱，系統能夠穩定運行。

（2）2、3工況。系統二氧化碳質量流量過大，系統的惡化發生在前置換熱器結霜后的換熱能力快速下降，開啟一級換向閥使蒸發溫度進一步降低，加劇結霜過程，故此應開啟二級換向閥，降低系統流量的同時，提高一級減壓閥后的壓力及蒸發溫度。

（3）4工況。系統二氧化碳質量流量偏小，增大一級減壓閥或增大二級減壓閥開度均可增加系統質量流量，相比二級減壓閥中的氣體節流，一級減壓閥為飽和液體節流，增大一級閥開度產生的質量流量增大程度較高，不利于精細調節；同時增大一級減壓閥開度將提高蒸發溫度，增大二級減壓閥節流深度。故此，當流量不足時，優先增大二級減壓閥開度。

4 結 語

礦井災變環境下制冷系統的運行工況復雜，常出現冷啟動冰堵、過冷結霜及高濕過熱等故障，本文對故障的產生進行熱力學分析，并設計一套新型的二次節流開放式制冷系統。研究結果表明：

（1）冷啟動時，艙內熱濕負荷不足，長時間運行將導致系統冰堵，通過毛細管增加一級減壓閥后的流阻，成功降低系統流量；

（2）低溫高濕工況及高溫低濕工況下蒸發器長時間運行而結霜，導致系統快速發生冰堵現象，在冰堵前使用二級毛細管增加二級減壓閥后流阻，有效緩解結霜狀況；

（3）高溫高濕工況下，調節一級減壓閥可能造成調節過度使系統流量增高，穩定性較差，增大二級減壓閥開度可有效增加系統制冷量，控制精度較高。