跨臨界CO2制冷系統(tǒng)氣體冷卻器實(shí)驗(yàn)研究

靳光亞，謝英柏，劉迎福，劉春濤

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

跨臨界CO2制冷系統(tǒng)氣體冷卻器實(shí)驗(yàn)研究

靳光亞，謝英柏，劉迎福，劉春濤

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

對跨臨界CO2制冷系統(tǒng)氣體冷卻器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究表明：隨著高壓壓力的變化，盡管氣體冷卻器進(jìn)口的CO2溫度與冷卻水的換熱溫差變化范圍較大，但氣體冷卻器出口CO2溫度幾乎不變;系統(tǒng)的高壓壓力為9 MPa時，氣體冷卻器中CO2的壓降只有高壓壓力的1%左右，相對較小;隨著氣體冷卻器出口CO2溫度的升高，系統(tǒng)制冷量先呈線性減小，后逐漸趨于穩(wěn)定，壓縮機(jī)耗功呈線性增加;實(shí)驗(yàn)條件下，氣體冷卻器出口CO2溫度由30℃增至37℃時，系統(tǒng)的COP減小了約25%。

跨臨界CO2制冷系統(tǒng);氣體冷卻器;實(shí)驗(yàn)研究

0 引言

由于臭氧層破壞和溫室效應(yīng)的不利影響，用自然工質(zhì)替代合成工質(zhì)越來越受到國內(nèi)外制冷界的重視。已故國際制冷學(xué)會主席 G．Lorentzen［1］率先提出了CO2跨臨界循環(huán)的理論，認(rèn)為CO2是“21世紀(jì)最具前景的制冷劑”。CO2作為制冷工質(zhì)雖然具有其獨(dú)特的優(yōu)勢［2］，但由于其臨界溫度較低 (31℃)，系統(tǒng)COP不高。因此通過完善系統(tǒng)循環(huán)方式、優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)備來提高系統(tǒng)的循環(huán)效率是推廣CO2跨臨界循環(huán)的關(guān)鍵，其中一個重要方向就是改進(jìn)氣體冷卻器的設(shè)計(jì)［3，4］。

近年來許多學(xué)者對超臨界二氧化碳換熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究［5～7］，結(jié)果表明管徑、壓力、浮升力、熱流密度、質(zhì)量流量等參數(shù)的變化對換熱特性的影響很大。

但值得注意的是，與單純的換熱實(shí)驗(yàn)相比，在實(shí)際的CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)中，相關(guān)參數(shù)之間的相互影響過程非常復(fù)雜。例如調(diào)節(jié)冷卻水的溫度，最初改變的是制冷劑在氣體冷卻器出口的溫度，但同時會引起蒸發(fā)溫度、壓縮機(jī)吸排氣壓力、壓縮機(jī)吸排氣溫度等參數(shù)的明顯變化。因此對實(shí)際的跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)中的氣體冷卻器進(jìn)行研究具有重要意義，可以揭示與氣體冷卻器相關(guān)的各參數(shù)間的變化關(guān)系，改進(jìn)系統(tǒng)的控制和調(diào)節(jié)，為氣體冷卻器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)研究方法

本試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。該試驗(yàn)裝置主要包括3個子系統(tǒng):跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和冷凍水系統(tǒng)。其中跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)為核心部分，包括壓縮機(jī)、氣體冷卻器 (氣冷器)、前置蒸發(fā)器、蒸發(fā)器、節(jié)流閥、內(nèi)部熱交換器、氣液分離器、油分離器等設(shè)備。

氣體冷卻器的設(shè)計(jì)形式為套管式，外管為φ28×1 mm，內(nèi)管由三根成正三角形排列的不銹無縫鋼管φ8.5×1.5 mm組成，換熱總管長為7.8 m，制冷劑走管內(nèi)，冷卻水走管外，逆流換熱。蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)理念是管殼式和套管式的結(jié)合，節(jié)流裝置采用天津大學(xué)自行設(shè)計(jì)的手動節(jié)流閥，壓縮機(jī)采用的是意大利Dorin公司的TCS340/4－D型活塞式CO2專用壓縮機(jī)，為單級、半封閉，理論排氣量3.5 m3/h。

系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)包括制冷系統(tǒng)壓力、溫度，冷凍水和冷卻水進(jìn)出口溫度，壓縮機(jī)和加熱器的功率以及電流。采用WZP－BW管道式鉑電阻溫度計(jì)測量溫度，經(jīng)標(biāo)定其測量誤差為±0.1℃，壓力傳感器采用BP800系列擴(kuò)散硅壓力變送器，其精度為0.5‰，冷卻水與冷凍水的流量利用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量，并采用重量法標(biāo)定，誤差小于3%。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件采用北京研華科技公司生產(chǎn)的ADAM4018遠(yuǎn)端熱電偶采集模塊以及ADAM4017模擬量遠(yuǎn)端測量模塊，數(shù)據(jù)采集軟件部分采用的是北京三維力控科技有限公司生產(chǎn)的PCAuto工控軟件。

圖1 跨臨界CO2制冷系統(tǒng)試驗(yàn)裝置圖Fig．1 Schematic diagram of the experimental apparatus

通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥可以改變系統(tǒng)的高壓壓力，在保證蒸發(fā)溫度和冷卻水流量及溫度不變的情況下，測量氣冷器中CO2的溫度分布、冷卻水的溫度以及CO2在氣冷器中的壓降;在保證蒸發(fā)溫度不變的情況下，分析氣冷器出口CO2溫度對循環(huán)系統(tǒng)性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 氣體冷卻器出口溫度對壓縮機(jī)吸、排氣壓力的影響

圖2給出了壓縮機(jī)吸、排氣壓力隨氣冷器出口溫度tc變化的關(guān)系。由圖可知，隨著氣冷器出口溫度tc的增加，壓縮機(jī)吸氣壓力ps基本保持恒定，而壓縮機(jī)排氣壓力pc增加較快。

當(dāng)氣冷器出口溫度變化時，系統(tǒng)內(nèi)的穩(wěn)定過程如下:氣冷器出口溫度增加，節(jié)流閥前溫度跟著增加，手動調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度，使之變小，以此維持節(jié)流后溫度不變，即蒸發(fā)溫度不變。由于節(jié)流閥開度變小，制冷劑流量變小，導(dǎo)致氣冷器中制冷劑量增加，因此排氣壓力變大。由于蒸發(fā)溫度維持不變，壓縮機(jī)吸氣壓力基本保持不變。

圖2 氣冷器出口溫度對吸、排氣壓力的影響Fig．2 Effect of gas cooler exit temperature on suction pressure and discharge pressure of compressor

2.2 氣體冷卻器內(nèi)的溫度分布以及壓降

圖3給出了當(dāng)冷卻水進(jìn)口溫度為32℃時，CO2溫度tCO2和冷卻水溫度tsh沿氣冷器管長方向的分布情況，其中L表示氣冷器換熱管管長，x表示測點(diǎn)與氣冷器進(jìn)口之間的距離?？梢钥吹?，隨著高壓壓力pc的升高，氣冷器進(jìn)口的CO2溫度亦升高，冷卻水沿管長方向的溫度分布幾乎不變，即氣冷器中的各段換熱量和總換熱量幾乎不變。盡管不同壓力時氣冷器入口的CO2與冷卻水的溫差相差很大 (pc=8 MPa和pc=10 MPa時相差約30℃)，但氣冷器中的CO2的溫度變化趨勢相似，在氣冷器管長的大約1/6處溫度幾乎降到一致，此點(diǎn)之后CO2的溫度降低值很小。造成這一現(xiàn)象的主要原因是調(diào)節(jié)節(jié)流閥改變高壓壓力的同時，CO2的質(zhì)量流量發(fā)生了變化。高壓壓力升高，CO2與冷卻水在氣冷器進(jìn)口處的溫差增大，但是由于質(zhì)量流量下降，換熱量幾乎不變。

圖3 CO2溫度和冷卻水溫度沿管長方向分布Fig．3 Temperature distribution of CO2and cooling water in gas cooler

圖4給出了氣冷器中的壓力損失Δp和相對壓力損失Δp/p隨高壓壓力pc變化的關(guān)系曲線?？梢钥吹?，隨著高壓壓力pc的升高，壓力損失減小。在pc為9 MPa時，氣體冷卻器中CO2的壓降只有高壓壓力的1%左右，相對較小。在氣冷器中隨著高壓壓力的升高，CO2的平均粘度有所增大，但是此時質(zhì)量流量的減小引起的壓降減小量更大，所以隨著高壓壓力的升高，壓力損失的絕對值和相對值都減小。由此可見，在合理的壓降范圍內(nèi)，可以通過適當(dāng)?shù)卦黾庸荛L來減小氣冷器出口CO2與冷卻水的換熱溫差，從而提高氣冷器的換熱效率。

圖4 高壓壓力對壓力損失的影響Fig．4 Effect of heat rejection pressure on pressure drop

2.3 氣體冷卻器出口溫度對循環(huán)性能的影響

圖5給出了當(dāng)蒸發(fā)溫度te為0℃時，制冷量Q0和壓縮機(jī)耗功Wc隨氣冷器出口CO2溫度tc變化的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，隨著氣冷器出口溫度的升高，制冷量逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。這是由于開始階段排氣壓力的升高引起的制冷量升高量，抵消不了氣冷器出口溫度升高引起的制冷量降低量;后來由于兩者產(chǎn)生的作用相互抵消，制冷量趨于穩(wěn)定。這一點(diǎn)與傳統(tǒng)的亞臨界循環(huán)不同，在亞臨界循環(huán)中，隨著冷凝溫度的增加，單位質(zhì)量制冷量和制冷劑的質(zhì)量流量一直減小，導(dǎo)致制冷量也一直減小，但是由于跨臨界循環(huán)中氣冷器出口制冷劑焓值由壓力和溫度兩個參數(shù)共同決定，因此單位質(zhì)量制冷量可能不變，甚至增大，從而導(dǎo)致系統(tǒng)制冷量不變。從圖中還可以看出，隨著氣冷器出口溫度的升高，壓縮機(jī)耗功一直增加，其原因在于隨著氣冷器出口溫度的升高，壓縮機(jī)排氣壓力一直增加，吸氣壓力保持不變，造成壓縮比增大，壓縮機(jī)耗功隨之增加。

圖5 氣冷器出口溫度對制冷量、壓縮機(jī)耗功的影響Fig．5 Effect of gas cooler exit temperature on refrigerating capacity and compressor work

圖6給出了系統(tǒng)的COP隨氣冷器出口CO2溫度變化的關(guān)系曲線，可以看到，隨著氣冷器出口CO2溫度的上升，開始階段，COP幾乎成線性減小，后來減小速率逐漸減小，這與文獻(xiàn) ［3］的理論研究結(jié)果基本一致。循環(huán)的COP下降十分明顯，氣冷器出口CO2溫度由30℃增至37℃時，系統(tǒng)的COP減小了約25%。因此，提高跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)性能系數(shù)的一個重要方法，就是在合理的條件下盡可能降低氣冷器出口CO2溫度。

圖6 氣冷器出口CO2溫度對循環(huán)性能系數(shù)的影響Fig．6 Effect of gas cooler exit temperature on COP

3 結(jié)論

通過對跨臨界CO2制冷循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了氣體冷卻器中的壓力和溫度分布情況以及氣體冷卻器出口CO2溫度對吸排氣壓力、制冷量、壓縮機(jī)耗功和系統(tǒng)的性能系數(shù)的影響。

(1)在維持蒸發(fā)溫度不變的情況下，隨著氣冷器出口溫度的上升，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程使CO2的質(zhì)量流量發(fā)生了改變，從而引起壓縮機(jī)的排氣壓力升高，氣冷器換熱量則幾乎不變。

(2)套管式氣冷器中，超臨界CO2的相對壓降很小，在高壓壓力為9 MPa時，相對壓降在1%左右，因此可以在壓降允許范圍內(nèi)考慮以增加換熱管長的方法提高換熱器的效率。

(3)氣冷器出口溫度的升高會導(dǎo)致制冷量的下降和壓縮機(jī)耗功的增加，對COP影響很大，因此在合理范圍內(nèi)降低氣冷器出口溫度能明顯改善循環(huán)系統(tǒng)的性能。

［1］ Lorentzen G．Revival of carbon dioxide as a refrigerant［J］．International Journal of Refrigeration，1994，17(5):292－301．

［2］ Andy Pearson．Carbon dioxide—new uses for an old refrigerant［J］．Int J．Refrig，2005，28:1140 －1148．

［3］Liao SM，Zhao TS，Jakobsen A．A correlation of optimal heat rejection pressure in transcritical carbon dioxide cycles ［J］．Applied Thermal Engineering，2000，20(9):831－ 841．

［4］ Yin JianMin，Bullard CW，Hrnjak PS．R744 gas cooler development and validation ［J］．Int J．Refrig，2001，24(7):692－701．

［5］ Jong Kyu Kim，Hong Kyu Jeon，Joon Sik Lee．Wall temperature measurement and heat transfer correlation of turbulent supercritical carbon dioxide flow in vertical circular/non-circular tubes［J］．Nuclear Engineering and Design，2007，237(15－17):1795－1802．

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Experimental Study of Gas Cooler in Trans-critical CO2Refrigeration System

Jin Guangya，Xie Yingbai，Liu Yingfu，Liu Chuntao
(School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

In this paper，the gas cooler in trans-critical CO2refrigeration cycle system is studied experimentally．Research shows that:the temperature different between the inlet CO2and the cooling water changes in a wide range as the heat rejection pressure changes，but the outlet CO2temperature of the gas cooler is almost unchanged;the relative pressure drop is only about 1%when the heat rejection pressure is 9MPa in the system;with the increase of the outlet temperature of the gas cooler，the refrigeration effect decreases linearly first，and the latter becoming more and more stable，but the compression work is linearly increased;on the experimental conditions，the COP decreased about 25%when the outlet temperature of the gas cooler ranged from 30℃ to 37℃．

trans-critical CO2refrigeration system;gas cooler;experimental study

TB65

A

2010－12－14。

靳光亞 (1983－)，男，助理工程師，研究方向?yàn)橹评浼芭照{(diào)相關(guān)領(lǐng)域，E-mail:jinguangya@foxmail．com。