自復疊制冷系統(tǒng)中套管式冷凝器的應用研究

芮勝軍 張 華 王洪年 李娟娟

(1上海理工大學制冷技術研究所 上海 200093;2河南科技大學車輛與動力工程學院 洛陽 471003;3海爾集團技術研發(fā)中心 青島 266103)

自復疊制冷系統(tǒng)采用兩種或兩種以上的混合制冷工質，通過單臺壓縮機實現多級復疊，制取－40℃～－150℃之間的低溫環(huán)境:廣泛應用于低溫電子，低溫醫(yī)學，低溫生物，低溫實驗環(huán)境等小型設備［1］。混合制冷工質由純工質按照一定的比例混合而成，根據其共沸特性，分為共沸混合工質和非共沸混合工質。共沸混合工質定壓蒸發(fā)或冷凝時，其泡點和露點溫度相等，具有與純工質相同的恒溫恒壓蒸發(fā)冷凝特性。非共沸混合工質沒有共沸點，在定壓下蒸發(fā)或冷凝時，氣相和液相具有不同的成分，蒸發(fā)溫度也隨之變化。

非共沸混合制冷工質的冷凝過程溫度呈對數函數規(guī)律變化，相對于恒溫冷凝的純制冷工質而言，溫度逐漸變化的趨勢更符合有限空間的傳熱規(guī)律［2］。非共沸混合制冷工質可近似實現勞侖茲循環(huán)，根據熱力學第二定律，冷凝介質與制冷工質的傳熱溫差越小，其熵增越小，即不可逆損失越小。當冷凝介質與制冷工質的溫差為零，熵增和不可逆損失均為零，但沒有溫差不能達到換熱的效果。非共沸混合制冷工質冷凝的變溫特性很好地迎合了換熱器的變溫特點，使傳熱不可逆損失相對于純工質大大減小［3］。

套管式冷凝器廣泛應用于各種小型制冷裝置系統(tǒng)，由外套管及內穿的單根或多根傳熱管組成，彎制成圓形或橢圓形螺旋結構。外管采用無縫鋼管或銅管，內管多用紫銅管，整個系統(tǒng)為逆流換熱。通常套管式冷凝器冷卻水在內管流動，制冷工質在套管間流動，如圖1所示［4］。冷卻水在內管流動，流向為下進上出;氣態(tài)制冷工質在外套管自上而下流動，冷凝后的液體從下部流出。制冷工質氣體同時受傳熱管內冷卻水和管外空氣冷卻，逆向流動布置傳熱效果較好。對于混合制冷工質冷凝，由于冷凝中后期制冷工質處于氣液兩相狀態(tài)，如果工質在套管間流動，容易出現積液、氣液分離、死體積等現象，還會引起氣體和液體工質流速差別較大等情況［3］，從而影響制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。所以根據混合工質的冷凝特性選取制冷工質在內管流動，冷卻水在套管間流動。

壓縮機排出的混合制冷工質在冷凝器中流動阻力比較小，可認為是一個恒壓冷卻冷凝過程。其釋放的熱量有以下三部分:過熱蒸氣進入冷凝器顯熱放熱，溫度下降到露點溫度;部分工質冷凝為液體，釋放出汽化潛熱;剩余氣體工質進一步冷卻，釋放顯熱［5］。

1 二元工質冷凝過程分析

1.1 二元工質冷凝特性

以兩種制冷工質R600a和R23的質量分數比為7∶3為研究對象。套管間冷卻水與內管混和制冷工質逆流換熱，不考慮套管間冷卻水與外界環(huán)境的熱量交換。工質和冷卻水的溫度變化如圖2所示。

圖2工質和冷卻水溫度變化Fig．2 Temperature change of refrigerant and cooling water

套管式冷凝器設計計算時作如下假設:系統(tǒng)內部制冷工質流動壓力損失忽略不計，系統(tǒng)內只有兩個壓力:冷凝壓力2.0 MPa和蒸發(fā)壓力0.2 MPa。選用泰康1.5匹壓縮機CAJ2464Z，吸排氣管尺寸分別為:15.9×0.889 mm，9.52×0.813 mm，理論排量34.45 cm3，壓縮機轉速按額定轉速2800 r/min計算。吸排氣溫度開始時都不能準確確定，如果吸排氣溫度太低，則容易引起壓縮機回氣管帶液，造成壓縮機液擊。0.2 MPa時混合工質的露點溫度為－17.143℃，為了避免壓縮機回氣管帶液，一般回氣管路應有20℃的回氣過熱度;吸氣溫度太高則相應的排氣溫度太高，通常排氣溫度不能超過120℃，否則容易引起潤滑油分解、碳化等現象。綜合考慮各種情況，確定冷凝器中混合制冷工質和冷卻水的流動特性如表1所示。

表1 混合制冷工質在冷凝器中的流動特性Tab．1 Flow characteristics of mixed refrigerant in condenser

混合氣體工質遇到低于其露點溫度的冷卻壁時，緊靠壁面的高沸點組元氣體分子開始凝結，形成一層凝液膜。這些氣體分子的凝結，使壁面附近高沸點組元的氣體分壓力降低，由遠離壁面處的分壓力降至氣液分界面上的壓力。在壁面附近，不凝結氣體分子的不斷積聚，使其分壓力逐漸升高，由遠離壁面處的壓力上升至氣液分界面上的壓力。這樣就在液膜外面又形成一層氣膜，高沸點分子必須借助擴散穿過這層氣膜，才能到達液膜表面進行凝結，這層氣膜構成了凝結放熱的主要熱阻，因而使放熱系數大大降低［3］。在這層氣膜中溫度也發(fā)生相應的變化，由氣膜外部的溫度降低到氣液分界面上的溫度(與其壓力相對應的飽和溫度)。由于溫差的存在，在氣膜與液膜間的表面上產生了對流換熱。對于多元非共沸混合工質，由于其冷凝溫度差別較大，低沸點工質可作為不凝性氣體處理［6－7］。工質R600a和R23的熱物理特性如表2所示［8］。

表2兩種純制冷工質的熱物理特性Tab．2 Thermal physical properties of two kinds of pure refrigerants

1.2 定壓冷凝過程分析

非共沸混合工質在定壓下冷凝時，氣相和液相的質量分數不同，溫度也不斷變化。圖3是根據NIST refprop 8.0軟件計算并繪制的壓力恒定為2.0 MPa，二元混合制冷工質R600a和R23不同質量分數的泡點溫度和露點溫度線，它顯示了這兩種混合工質的氣液平衡關系。橫坐標表示混合工質中R23的質量百分含量，縱坐標表示溫度。圖中上邊一條曲線為露點溫度線，表示在相同壓力不同溫度時與液相平衡的氣相組成，它表示不同組分的氣體開始冷凝時的溫度，稱為氣相線或冷凝等壓線;下邊一條曲線是在一定壓力下的泡點溫度線，即不同組分溶液開始沸騰時的溫度，也稱為液相線或沸騰等壓線［9－10］。不同質量分數的泡點溫度和露點溫度可以通過與縱坐標平行的線段進行分析;不同溫度的氣相和液相質量分數可以通過與橫坐標平行的線段進行分析。

圖3壓力2.0 MPa時泡點溫度和露點溫度Fig．3 Bubble point and dew point temperature at 2.0 MPa

當R600a和R23混合工質的質量分數為7∶3時，在冷凝壓力2.0 MPa混合工質隨溫度的變化特性如表3所示。如果壓縮機出口混合制冷工質溫度為110℃，則混合制冷工質在壓縮機出口呈過熱單一的氣體狀態(tài)，混合氣體工質的質量分數分別為70%和30%。

表3混合制冷工質在2.0 MPa時特性變化Tab．3 Characteristic change of mixed refrigerant at 2.0 MPa

壓縮機排出的高溫高壓混合工質氣體在冷卻介質(水或空氣)的作用下溫度逐漸降低，當達到80.31℃時，開始有混合工質液滴析出。開始出現的液滴并不是純凈的R600a工質，其中R600a的質量分數為94.79%;R23的質量分數為5.21%。隨著溫度逐漸降低，混合工質氣體逐漸冷凝為液體，所冷凝的液體中R23的質量分數逐漸增多，R600a的質量分數逐漸減少。在80.31℃到22.89℃之間為混合制冷工質逐漸冷凝的過程，到22.89℃混合工質全部冷凝為液體。最后冷凝的液滴并不是純凈的R23工質，其中R600a的質量分數為17.51%;R23的質量分數為82.49%?；旌弦后w工質的質量分數分別為70%和30%，整個冷凝過程液相中R23的質量分數逐漸由5.21%增加到30%，液相中R600a的質量分數逐漸由94.79%減小到70%;氣相中R23的質量分數逐漸由30%增加到82.49%，氣相中R600a的質量分數逐漸由70%減小到17.51%。兩種工質始終處于混合狀態(tài)，很難達到完全分離。

當溫度進一步降低時，混合工質過冷。實際冷凝過程中，由于少量不凝性氣體和潤滑油等的存在，使混合工質始終處于氣液平衡狀態(tài)。即使達到過冷狀態(tài)以后，由于混合工質在流動過程冷凝時處于湍流狀態(tài)，大量的液體混合工質里面仍然夾雜有少量不凝性氣泡。

2 傳熱分析及設計計算

根據30℃氣液混合物的焓278.47 kJ/kg和110℃過熱氣體的焓623.08 kJ/kg可計算出單位質量混合制冷工質的冷凝熱量:623.08－278.47=344.61 kJ/kg，制冷工質質量流量:9.791 g/s，套管式冷凝器的冷凝負荷:1610 W，其中冷卻段的負荷:768.8 W，冷凝段的負荷:841.2 W?；旌瞎べ|換熱系數按照冷卻段和冷凝段分別計算。

冷卻段混合工質都為氣體狀態(tài)，從110℃冷卻到80.31℃工質狀態(tài)不變。混合制冷工質在水平光管內的紊流冷卻換熱可采用迪圖斯和貝爾特(Dittus and Boelter)提出的公式［11］:

上式適用的條件為:流體與壁面有中等以下的溫差，0．7≤Pr≤160，Re≥104，l/d≥60，定性溫度按氣體在110℃到80.31℃溫度段的平均溫度95.2℃計算。

冷凝段溫度區(qū)間為80.31℃到30℃，所以取平均溫度55.2℃作為定性溫度按下式進行計算［12］。

套管式冷凝器內管9.52×0.813 mm，外管19.1×0.889 mm。冷卻水換熱系數2031 W/(m2·K)，換熱器長度4.842 m。

冷凝器將壓縮機排出的高溫高壓氣體制冷工質冷卻冷凝，滿足制冷工質在系統(tǒng)中循環(huán)使用的要求?；旌现评涔べ|冷凝與單一制冷工質冷凝不同，是一個變溫過程。溫度滑移使制冷工質的物性也隨著溫度的變化而變化，采用混合制冷工質的平均溫度作為定性溫度，通過定性溫度確定混合制冷工質的物性參數。

3 實驗研究

混合工質冷凝受實驗環(huán)境限制，本文對混合工質R600a和R23以7:3的比例進行運行特性實驗研究。由于實驗在冬季進行，系統(tǒng)冷凝溫度較低，壓縮機排氣溫度低于110℃，為了保證系統(tǒng)能在一年四季順利運行，分析了系統(tǒng)冷凝溫度的變化對壓縮機吸排氣溫度的影響。通過改變冷卻水的流量來改變進出口水溫度，從而改變系統(tǒng)冷凝溫度。不同水流量下冷卻水的進口溫度、出口溫度和冷凝溫度如表4所示。

表4不同水流量下對應的冷凝溫度Tab．4 Condensing temperature of different water flow rate

圖4為各冷凝溫度下吸氣溫度的變化曲線。從圖中可以看出隨著冷凝溫度的升高，壓縮機的吸氣溫度也相應地升高，特別是前半小時變化比較顯著。當水流量最小時，冷凝溫度也最高，對應的吸氣溫度也最高，在2 h后達到25℃，由于實驗系統(tǒng)采用大負荷換熱器，使吸氣溫度并沒有隨著降溫過程的深入而降低。四種水流量下的吸氣溫度均呈現上升趨勢。

圖5為不同冷凝溫度下的排氣溫度曲線。從圖中可以看出當冷卻水流量為50.4L/h時，即冷凝溫度為15.3℃時，壓縮機的排氣溫度在前2 h內穩(wěn)定在90℃以下。減小冷卻水流量后，壓縮機排氣溫度有所升高，當流量為12.5～33.0 L/h時，壓縮機排氣溫度變化情況比較接近。在冬季由于水溫和環(huán)境溫度較低，冷卻水流量即使在很低的情況下，壓縮機的排氣溫度也保持在90℃以下。但在夏季，水溫和環(huán)境溫度均升高，壓縮機排氣溫度將會很高，因此要保證夏季壓縮機正常運行，必需加大冷卻水量。

圖4不同冷凝水流量的吸氣溫度Fig．4 Suction temperature in different condensing water flow

圖5不同冷凝水流量的排氣溫度Fig．5 Exhaust temperature in different condensing water flow

圖6為不同冷凝溫度下的蒸發(fā)溫度曲線。從圖中可以看出冷卻水的流量導致冷凝溫度變化，對蒸發(fā)溫度和系統(tǒng)的降溫情況影響不大。這是由于系統(tǒng)的換熱器很大，再加上水冷時換熱系數較大，使制冷工質在節(jié)流前已經充分冷凝，從而導致同一制冷工質配比下四種冷凝溫度的降溫曲線相似。

在單級壓縮循環(huán)實驗中，系統(tǒng)冷凝溫度對壓縮機排氣溫度有較大影響。進出口水流量的大小影響著冷凝器換熱的好壞，因此對壓縮機排氣溫度有影響。由于采用混合工質運行，故研究進出口水流量對高壓比運行的壓縮機影響很重要。圖7為R600a和R23以7∶3的比例混合運行時，水流量12.5 L/h時冷卻水進出口溫差及排氣溫度變化曲線。

圖6不同冷凝水流量的蒸發(fā)溫度Fig．6 Evaporation temperature in different condensing water flow

圖7冷卻水進出口溫差及排氣溫度Fig．7 Inlet and outlet temperature of cooling water and exhaust temperature

當水流量為12.5 L/h時，壓縮機排氣溫度在2 h內穩(wěn)定在90℃以下。實驗前期套管式冷凝器進出口水溫差較大，但隨著壓縮機排氣溫度的升高，冷凝器進出口水溫差逐漸減小，最后穩(wěn)定在4.3℃。當系統(tǒng)運行穩(wěn)定后冷凝器的負荷不但沒有隨壓縮機排氣溫度的升高而增大，反而減小，這是由于隨著壓縮機排氣溫度的升高，壓縮機的排氣量減小。隨著降溫過程的不斷進行，換熱器高壓側溫度逐漸下降，使部分高沸點制冷工質R600a沉積在換熱器管道中，使系統(tǒng)制冷工質循環(huán)量減小，最終導致排氣量減小，制冷量下降，系統(tǒng)COP降低。

4 結論

混合制冷工質冷凝是一個復雜的傳熱傳質過程，涉及到相變傳熱、氣液平衡等工程熱力學和傳熱學的相關知識。工質中各組分氣相和液相的成分隨溫度的變化而變化。本文以自動復疊制冷系統(tǒng)用套管式冷凝器為研究對象，深入地分析了混合制冷工質冷凝時的過程機理。針對套管式冷凝器的具體設計過程，通過詳細的計算過程得到了換熱器的具體尺寸。

混合工質冷凝中后期制冷工質處于氣液兩相狀態(tài)，工質在套管間流動容易出現積液、氣液分離、死體積等現象，還會引起氣體和液體工質流速差別較大等不良情況，所以本文選取制冷工質在內管流動，冷卻水在套管間流動?；旌现评涔べ|在套管式冷凝器中先冷卻后冷凝，可以分為冷卻段和冷凝段，冷凝段又是部分工質冷凝。為了與壓縮機排氣管的直徑相匹配，換熱器內管直徑相對較小，套管換熱器長度相對比較大。在設計過程中考慮了水垢的影響，所以此冷凝器在安裝完成后設備運行初期階段冷凝負荷有一定的余量。

本文受上海曙光跟蹤計劃項目(10GG21)資助。(The project was supported by Shanghai Shuguang Tracking Program(No．10GG21)．)

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