充注量對小型CO2制冷系統(tǒng)影響的實驗研究

王 棟 姜敬德 任紅梅 梁高豐

(1安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 馬鞍山 243002)

(2上海出入境檢驗檢疫局機(jī)電產(chǎn)品檢測技術(shù)中心 上海 200135)

(3無錫雪浪環(huán)境科技股份有限公司 無錫 214125)

充注量對小型CO2制冷系統(tǒng)影響的實驗研究

王 棟1姜敬德2任紅梅1梁高豐3

(1安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 馬鞍山 243002)

(2上海出入境檢驗檢疫局機(jī)電產(chǎn)品檢測技術(shù)中心 上海 200135)

(3無錫雪浪環(huán)境科技股份有限公司 無錫 214125)

為了研究充注量對小型二氧化碳制冷系統(tǒng)的影響，利用一套展示柜二氧化碳制冷系統(tǒng)，進(jìn)行了不同充注量的實驗。討論了充注量對二氧化碳制冷系統(tǒng)吸排氣壓力、運行功率、吸排氣溫度的影響。同時，結(jié)合本系統(tǒng)，對假臨界現(xiàn)象進(jìn)行了分析，結(jié)果表明:充注量不足，蒸發(fā)、冷凝壓力低，壓縮機(jī)吸、排氣溫度高，系統(tǒng)COP較低;充注量過多，系統(tǒng)運行功率高，系統(tǒng)制冷系數(shù)降低;系統(tǒng)運行一段時間后，回?zé)崞鳠醾?cè)出口達(dá)到假臨界溫度，吸、排氣溫度產(chǎn)生突降;隨著充注量的增加，吸、排氣溫度突降點前移。本研究可為跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)最佳充注量的確定及如何維持系統(tǒng)高效運行提供理論指導(dǎo)。

二氧化碳 充注量 假臨界溫度

1 引言

近年來，隨著臭氧層的破壞和全球溫室效應(yīng)等環(huán)保問題日益突出，作為CFCs和HCFCs制冷劑的替代者，CO2作為理想的制冷劑開始得到重視，越來越受到國內(nèi)外制冷界的重視［1-5］。當(dāng)前，小型制冷系統(tǒng)中大多采用傳統(tǒng)制冷劑，用CO2代替?zhèn)鹘y(tǒng)制冷劑應(yīng)用于小型系統(tǒng)的研究已經(jīng)在很多國家開展起來。小型系統(tǒng)一般采用毛細(xì)管作為節(jié)流元件，具有簡單、可靠、廉價且可使壓縮機(jī)的起動力矩減小等優(yōu)點［2］，但其不能隨著制冷負(fù)荷的變化來調(diào)節(jié)節(jié)流截面，當(dāng)制冷循環(huán)的運行工況偏離原設(shè)計工況時，將會偏離機(jī)組的最佳工作狀態(tài)。制冷劑過多或過少，都將影響制冷裝置的工作性能［6］，Choi J M 等［7-9］對傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的研究表明，不合適的制冷劑充注量會影響系統(tǒng)的制冷性能、穩(wěn)定性和可靠性，劉洪勝等［10］研究了CO2充注量對汽車空調(diào)系統(tǒng)性能的影響。目前，關(guān)于充注量對小型CO2制冷系統(tǒng)(冷柜、冰箱等)影響的文獻(xiàn)較少，隨著小型CO2制冷裝置的應(yīng)用，對其充注量進(jìn)行研究具有較大的必要性。

本文以制冷劑充注量為變量，毛細(xì)管長度為定量進(jìn)行了大量實驗，通過對實驗數(shù)據(jù)的整理，分析了充注量對各個運行參數(shù)的影響。

2 實驗裝置及方法簡介

本實驗是基于本課題組自行設(shè)計研發(fā)的一套展示柜CO2制冷系統(tǒng)完成的，通過在各個部件的進(jìn)、出口布置熱電偶測出溫度值，在壓縮機(jī)的吸、排氣口處布置壓力表和壓力傳感器測出吸氣、排氣壓力，共布置了20個溫度測點和3個壓力測點，所有的溫度及壓力測試數(shù)據(jù)均由美國Agilent公司的34970A數(shù)據(jù)采集儀直接讀入到計算機(jī)，完成數(shù)據(jù)的處理，包括實時顯示、相關(guān)計算、控制輸出以及打印輸出等。同時，選用了一個功率表對系統(tǒng)的總功率進(jìn)行測量，該儀表帶有RS232通訊口以與計算機(jī)通訊使用，為實現(xiàn)功率數(shù)據(jù)的采集與保存，用VB語言編制了功率采集程序，采集時間間隔可通過功率采集界面設(shè)置。另外通過VB與access的連接，可將功率計所測得的數(shù)值逐個保存在數(shù)據(jù)庫文件中，圖1為制冷系統(tǒng)及測點布置圖。

圖1 制冷系統(tǒng)及測點布置圖Fig.1 Diagram of refrigeration system and point arrangement

實驗開始前，首先依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)容積預(yù)估了充注量，然后在一定充注量范圍內(nèi)對毛細(xì)管長度進(jìn)行了調(diào)節(jié)及選擇，在確定了毛細(xì)管的參數(shù)后，通過實驗研究了充注量對系統(tǒng)性能的影響。

本次實驗采用滿載的展示柜系統(tǒng)作為研究對象，溫控器設(shè)定溫度為3.3℃。在充注量為400 g時，關(guān)閉充注閥門，運行制冷機(jī)組至穩(wěn)定運行狀態(tài)(壓縮機(jī)自動啟停階段稱為為穩(wěn)定運行階段)，全程采集數(shù)據(jù)，穩(wěn)定運行5 h，切斷壓縮機(jī)電源，試驗結(jié)束。在充注量為400 g的實驗完成后又做了充注量為408、416、426 g 3組試驗，每組實驗的加氣和放氣均利用鋼瓶來實現(xiàn)，用電子稱稱得鋼瓶充氣前后的重量相減，得出充注量，電子秤精度為±1 g。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 充注量對壓縮機(jī)吸、排氣壓力及功率的影響

圖2、3分別為穩(wěn)定運行階段，不同充注量條件下，壓縮機(jī)吸、排氣壓力及功率隨時間的變化圖。

圖2 壓縮機(jī)吸、排氣壓力隨充注量的變化圖Fig.2 Change chart of suction pressure and exhaust pressure

從圖2可以看出隨著充注量的增加，蒸發(fā)壓力和冷凝壓力逐漸上升。這是因為，充注量不足時，壓縮機(jī)的吸氣量大于蒸發(fā)器中的制冷劑蒸氣總量，隨著充入的制冷劑增加，蒸發(fā)器中蒸氣量增加，當(dāng)超過了壓縮機(jī)吸氣量時，蒸發(fā)器中會滯留剩余制冷劑蒸氣，導(dǎo)致蒸發(fā)壓力升高;冷凝器中制冷劑總量也隨著充注量的增大而增大，超過最佳值后，就不能及時通過毛細(xì)管排出，造成冷凝器負(fù)荷增大，冷凝壓力上升。

在系統(tǒng)運行一段時間后，柜內(nèi)負(fù)載溫度達(dá)到溫控器設(shè)定的3.3℃，之后機(jī)組進(jìn)入穩(wěn)定運行狀態(tài)，圖3體現(xiàn)了充注量對系統(tǒng)穩(wěn)定運行功率的影響:隨著充注量的增加，功率變大。其原因為充注量的增加使毛細(xì)管的質(zhì)量流量變大，而壓縮機(jī)的功率與制冷劑的質(zhì)量流量成正比，故功率增大。

圖3 不同充注量的功率曲線Fig.3 Power curve in the working condition of different refrigerant charge

3.2 充注量對壓縮機(jī)吸、排氣溫度的影響

圖4、5分別為展示柜內(nèi)負(fù)載從初溫32.2℃開始降溫至系統(tǒng)穩(wěn)定運行階段的壓縮機(jī)吸、排氣溫度曲線。

圖4 不同充注量下的壓縮機(jī)吸氣溫度曲線Fig.4 Curves of suction temperature on compressor of different refrigerant charge

圖5 不同充注量下的壓縮機(jī)排氣溫度曲線Fig.5 Curves of exhaust temperature on compressor of different refrigerant charge

從圖4中可看出，充注量為400 g時，吸氣溫度較高，這是由蒸發(fā)器出口處的制冷劑過熱較大引起的，隨著充注量的增多，在408 g和416 g這個范圍內(nèi)，吸氣溫度變化相對較小;充注量達(dá)到426 g時，由于制冷劑沒有相變完畢，吸氣溫度產(chǎn)生了相對明顯的下降。這也說明最佳充注量應(yīng)該介于408 g與416 g之間。

充注量從400 g逐漸增加到426 g時，雖然壓縮機(jī)功率增大，產(chǎn)生的熱量增多，理論上，排氣溫度應(yīng)該升高，但壓縮機(jī)的排氣溫度由吸氣溫度及功率共同決定，吸氣溫度降低會導(dǎo)致排氣溫度降低，由于在400 g到426 g這個范圍內(nèi)，前者占據(jù)主要地位，因此，總體表現(xiàn)還是隨著充注量的增大，排氣溫度降低。

超臨界流體在臨界點附近有一個重要特性，即假(準(zhǔn))臨界點狀態(tài)，在假(準(zhǔn))臨界溫度下，等壓比熱容變?yōu)樽畲笾担瑩Q熱系數(shù)最大，文獻(xiàn)［11］介紹了假(準(zhǔn))臨界溫度與其對應(yīng)的壓力的關(guān)系，式(1)為文獻(xiàn)［12］給出的假(準(zhǔn))臨界溫度和壓力的關(guān)系式:

式中:p為壓力，MPa;7.5 MPa≤p≤14.0 MPa

在實驗過程中(以416 g這個工況為例)，對回?zé)崞鳠醾?cè)出口溫度及出口壓力進(jìn)行測量，在機(jī)組運行550 min時，溫度值為36℃，壓力值為8.3 MPa，這和文獻(xiàn)介紹的假臨界溫度與其對應(yīng)的壓力關(guān)系非常符合，可以認(rèn)定此時回?zé)崞鳠醾?cè)出口達(dá)到假(準(zhǔn))臨界溫度，質(zhì)量流率增加，壓降增大，導(dǎo)致氣體冷卻器內(nèi)壓力減小，因此，排氣溫度會有所下降，隨著假(準(zhǔn))臨界溫度及其對應(yīng)壓力的減小，最大等壓比熱容迅速增大，換熱系數(shù)相應(yīng)增大，最終使排氣溫度快速降低，吸氣溫度也相應(yīng)降低，圖4、5中550 min以后，吸、排氣溫度產(chǎn)生突降即由此產(chǎn)生。

圖4、5中還顯示出，隨著充注量增加，排氣溫度出現(xiàn)突降點的時間不斷前移，這是因為充注量越大，排氣壓力變高，導(dǎo)致回?zé)崞鳠醾?cè)出口壓力增加，而充注量增加引起的排氣溫度下降也使得回?zé)崞鳠醾?cè)出口溫度下降，這樣，回?zé)嵫h(huán)中的回?zé)崞鳠醾?cè)出口更易達(dá)到假(準(zhǔn))臨界狀態(tài)，吸、排氣溫度突降點也就會隨著制冷劑充注量的增加而前移。

4 結(jié)論

(1)CO2制冷系統(tǒng)的充注量對其運行性能有較大影響，存在著一個最佳充注量。

(2)充注量過多或過少都不利于系統(tǒng)運行，充注量不足，蒸發(fā)、冷凝壓力低，壓縮機(jī)吸、排氣溫度高，系統(tǒng)運行功率低;充注量過多，蒸發(fā)、冷凝壓力高，壓縮機(jī)吸、排氣溫度低，系統(tǒng)運行最大功率高，對系統(tǒng)損耗大。

(3)在系統(tǒng)運行一段時間后，由于采用了回?zé)崞?，其熱?cè)制冷劑出口溫度會達(dá)到假(準(zhǔn))臨界溫度，吸、排氣溫度將產(chǎn)生突降，隨著充注量的增加，吸、排氣溫度突降點前移。

1 王 棟，劉訓(xùn)海，李 蒙.應(yīng)用于展示柜的CO2蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)循環(huán)的分析［J］.制冷與空調(diào)，2010，10(4):85-87.

2 王 棟，李 蒙，戚利利，等.二氧化碳制冷系統(tǒng)毛細(xì)管的設(shè)計及實驗研究［J］. 化工學(xué)報，2011，62(10):2753-2758.

3 崔曉龍，邢子文.水冷式跨臨界CO2商用熱泵熱水器實驗研究［J］. 制冷學(xué)報，2009，30(3):11-15.

4 黃冬平，丁國良，張春路.不同跨臨界二氧化碳制冷循環(huán)的性能比較［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報，2003，37(7):1094-1097.

5 王建栓，張于峰，張志紅.天然制冷劑充注量的計算與試驗［J］.流體機(jī)械，2003，31(1):44-47.

6 Wulfing hoff D R.Energy efficiency manual［M］.Wheaton，Mary land，USA，Energy Institute Press，1999，342-346.

7 Choi J M，Kim Y C.The effects of improper refrigerant charge on the performance of a heat pump with an electronic expansion valve and capillary tube［J］.Energy，2002，27:391-404.

8 Ratts E B，Brown J S.An experimental analysis of the effect of refrigerant charge level on an automotive ref rigeration system［J］.Int.J.Therm.Sci.，2000，29:592-604.

9 Naer Vjacheslav，Andrey Rozhentsev，Wang Chichuan.Rationally based model for evaluating the optimal refrigerant mass charge in refrigerating machines［J］.Energy Conversion and Management，2001，42:2083-2095.

10 劉洪勝，陳江平，陳芝久.CO2充注量對跨臨界轎車空調(diào)系統(tǒng)性能的影響［J］.化工學(xué)報，2005，56(8):1426-1432.

11 丁國良，黃冬平.氧化碳制冷技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

12 楊俊蘭，馬一太，曾憲陽，等.超臨界壓力下CO2流體的性質(zhì)研究［J］.流體機(jī)械，2008，36(1):53-57.

Experimental study on performances of a small carbon dioxide refrigeration system at different refrigerant charge

Wang Dong1Jiang Jingde2Ren Hongmei1Liang Gaofeng3

(1School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Technology，Ma Anshan 243002，China)
(2Shanghai Machinery and Electrical Products Testing Center of Shanghai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Shanghai 200135，China)
(3Wuxi Xuelang Environmental Science and Technology Co.Ltd.，Wuxi 214125，China)

In order to study the effects of refrigerant charge on the performance for a small carbon dioxide refrigeration system，many experiments under different charge were carried out.The effects of changing the refrigerant charge on condensing pressure，evaporating pressure，power of system，condensingt emperature and evaporating temperature were discussed.By combining the system，pseudo critical condition was analyzed.The results indicate that undercharged carbon dioxide systems could result in decrease of the evaporator pressure and condenser pressure，improve of suction temperature and exhaust temperature of the compressor，COP is low.However，overcharged carbon dioxide systems could increase the power of system，decrease COP.The outlet hot side of internal heat exchanger reaches pseudo critical temperature after the plant works for a while，meantime the suction temperature and exhaust temperature drop suddenly.The point-in-time of sudden-drop temperature comes in advance constantly along with the increase of the refrigerant charge.This study may provide theoretical guidance on how to determine optimal refrigerant charge and

2 how to maintain efficient operation of the small carbon dioxide refrigeration system.

carbon dioxide;refrigerant charge;pseudo critical temperature

TB657.9

A

1000-6516(2013)01-0056-04

2012-11-06;

2013-02-03

王 棟，男，32歲，碩士，講師。