兩級自復疊制冷系統的實驗研究

朱珠

(南京師范大學中北學院,江蘇 鎮江 212000)

自動復疊制冷是一種結構簡單、可靠性高、操作簡單、經濟節能的新型制冷循環機組。多級自動復疊制冷循環系統在低溫領域得到了廣泛的應用。目前,在這兩個方面自動復疊制冷循環有了新的研究方向[1-4]:一是對制冷循環系統的新型換熱器和高效氣液分離器的改進；二是研發新型制冷混合工質,算出最佳的混合制冷劑的配比。Sivakumar 和Somasundaram[5]對自動復疊式制冷系統進行了不同混合工質配比下的實驗研究以及系統的能量和火用進行分析研究,當質量比為0.218:0.346:0.436 的混合工質R290/R23/R14 時,三級自動復疊式制冷系統的COP 為0.253 和火用的效率為58.5%。陳光明等人[7]提出了采用混合制冷劑R1150/R13/R12的單級壓縮、一次精餾多元混合工質自動復疊循環,運行工況為高壓1.5MPa、低壓0.12MPa 的時,可以得到-73℃的制冷溫度、制冷量是35.8W,COP 是0.14。上海理工大學制冷技術研究所[8]用R23／R22 混合制冷劑建立了兩級自動重疊制冷裝置,研究了混合工質配比對系統制冷性能和啟動特性的影響。上海理工大學[9]優化了混合工質R134a/R23/R14 配比和實驗裝置,得到了-100℃的制冷溫度、0.056 的COP。

本文搭建了一臺混合工質為R227/R23/R14 的兩級自動復疊式制冷的試驗臺,分析系統的高低壓以及進出口溫度變化特性,通過實驗研究與理論的研究的對比,得出最佳運行工況。根據二級自動復疊式制冷循環系統的特性,管路和設備壓力的損失可以忽略,壓縮機為高壓系統,高壓不超過2.2Mpa,高壓過高會引起制冷劑的泄露和啟動壓力過大造成機組停止運行,節流毛細管為低壓系統,低壓不低于大氣壓,保證系統正壓運行,這樣便于檢修。

1 兩級自動復疊制冷系統

循環系統的硬件組成以及參數測點布置圖1 所示。

圖1 兩級自動復疊制冷循環系統圖

圖1 為兩級自動復疊制冷原理圖,圖2 為系統壓焓圖,整個系統的循環為非共沸混合制冷劑R227/R23/R14 在A 中壓縮并進入B 中,混合工質在B 中進行變溫冷凝,其中高溫工質R227 冷凝為液體,而中、低溫工質R23、R14 為氣態。從B 出來的氣液混合工質進入D 中,在H 中依靠重力的作用實現氣液體分離,高溫高壓的液體工質經H 底部送至I 中,在J 冷卻低溫低壓氣體工質送至毛K 中,混合氣體工質進入J 中變成高溫低壓氣體工質與從I 中出來的高溫低壓液體工質在P 點處混合進入J 中變成低溫低壓液體工質進入H 中,在H 中上升氣流和下降液體之間進行能量轉換,而且分離的液體中高沸點R227 含量高且分離后氣體會被冷卻到更低溫度。從分H 中出來的高溫低壓液體工質進入D 中變成低溫低壓液體工質進入A 中,完成整個循環[6][11]。

圖2 兩級自動復疊制冷循環壓焓圖

在循環過程中高沸點工質R227 的溫度高于臨界溫度,因此在整個系統中以氣態形式存在,導致系統平衡壓力過高。因此,機組增加了限壓閥和緩沖罐,以保證機組的正常運行。

2 制冷劑與實驗臺

2.1 制冷劑的選擇

兩級自動復疊循環制冷試驗臺實現了循環過程中各工質組的分離和混合。結合R23 的蒸發溫度是-70～-110℃以及R14 的蒸發溫度是-110～-140℃。設置實驗臺-80℃的蒸發溫度以及30℃的冷凝溫度,選用R23、R14、R227[9]的三種工質,三種工質不會破壞臭氧層,其主要物性參數如表1 所示。

表1 三種工質的主要熱物性參數

2.2 實驗臺的搭建

機組采用兩級自動復疊制冷系統,示意圖如圖1 所示。搭建了相應的實驗臺。實驗臺相關設備如表2。

表2 設備及儀器的型號和參數

該實驗臺主要是采用分凝分離器[10]分離混合工質,這種分離方式優點是無需外來機械部件和設置特殊的流道,只依靠重力分離混合工質。制冷機組運行過程中記錄了15 組數據。

3 理論與實驗分析

3.1 循環系統的理論性能分析

基于熱力學的第一定律對二級自動復疊式制冷循環系統的性能進行理論分析,提出一些假設:

a.系統中所有的部件均為穩定和循環過程為穩定過程；

b.壓縮機的過程都是不可逆；

c.毛細管內的節流過程為等焓過程；

d.分凝分離器的蒸汽和液體都是飽和的；

e.冷凝器和蒸發器出口均為飽和狀態；

f.忽略制冷劑的壓降和循壞過程中的熱損失。

本文研究主要基于以下參數:制冷量和COP,基于上述假設,從質量和能量守恒的角度,根據圖2 可以得到下列主要成分的方程。

循環系統性能:

3.2 循環系統的實驗研究分析

3.2.1 制冷機組降溫特性

在30℃的冷凝溫度下,圖3 為兩級自動復疊式制冷機組的降溫過程,由圖可知降溫過程不勻速,因此把降溫過程分為:延遲過程、快速過程、慢速過程、穩定調整過程。試驗機組運行2 個小時后,蒸發溫度下降至-80℃,低溫工質R227 的含量較低,機組運行時混合工質中R227 最先被分離,因此前20 分鐘溫度下降緩慢。

圖3 制冷機機組降溫曲線圖

3.2.2 制冷機組最佳性能

本文采用一臺混合工質為R227/R23/R14 的兩級自動復疊式制冷的試驗臺,實驗測得在不同的混合工質的配比的下,得出機組的制冷量和COP。

由圖4 可知:制冷量隨著環境溫度的降低而增加,機組的最佳工況為10℃的冷凝溫度、428W 的制冷量,0.132 的COP,機組蒸發溫度下降至-80℃并且穩定運行。混合工質R14/R23/R227 的質量比為:30/55/15。

圖4 不同溫度下的機組性能曲線圖

4 結論

本文搭建了一臺混合工質為R227/R23/R14 的兩級自動復疊式制冷的試驗臺,通過理論和實驗研究,可以得到結論:機組的制冷量隨著冷凝溫度的下降而增加,最佳工況為10℃的冷凝溫度、428W 的制冷量以及0.132 的COP,機組蒸發溫度下降至-80℃,混合工質R14/R23/R227 的質量比為:30/55/15。機組優化了上海理工大學搭建的三級自動復疊式制冷裝置。