帶有分凝器的小型自復(fù)疊制冷循環(huán)性能分析

張 麗徐士鳴都萍楊春光高紅巖舒衛(wèi)華

（1大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 大連 116024；2大連海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 大連 116023；3松下冷鏈（大連）有限公司營業(yè)技術(shù)部 大連 116600）

帶有分凝器的小型自復(fù)疊制冷循環(huán)性能分析

張 麗1，2徐士鳴1都萍2楊春光2高紅巖2舒衛(wèi)華3

（1大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 大連 116024；2大連海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 大連 116023；3松下冷鏈（大連）有限公司營業(yè)技術(shù)部 大連 116600）

為了提高小型自復(fù)疊制冷裝置中CO2和丙烷的分離效率，在循環(huán)中增設(shè)了分凝器。分析了CO2濃度、冷凝器出口蒸汽干度及分凝器高壓側(cè)出口溫度對(duì)帶有分凝器的自復(fù)疊制冷循環(huán)性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)CO2質(zhì)量濃度從0.22上升到0.31時(shí)，實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算的蒸發(fā)溫度分別升高了6.8 K和5.7 K，相應(yīng)的COP分別提高了68.3%和24.9%。當(dāng)冷凝器出口蒸汽干度從0.5增加到0.9時(shí)，蒸發(fā)溫度先降低后升高，在干度等于0.7時(shí)達(dá)到了211.37 K的最低值；COP陡降了98.8%。此外，分凝器高壓側(cè)出口溫度升高8.21 K導(dǎo)致蒸發(fā)溫度升高了1.41 K，COP增加了21.3%。

自復(fù)疊制冷循環(huán)；分凝器；天然制冷劑；CO2；丙烷

自1974年美國加利弗利亞大學(xué)的Molina教授和Rowland教授提出了著名的CFCS問題［1］，以及《蒙特利爾議定書》和《京都議定書》兩部對(duì)全球環(huán)境保護(hù)有重大意義的協(xié)定頒布以來，應(yīng)用于自復(fù)疊制冷循環(huán)的非共沸混合工質(zhì)經(jīng)歷了從氯氟烴向環(huán)境友好型制冷劑的轉(zhuǎn)變［2－3］。CO2、丙烷等天然工質(zhì)因其不破壞大氣臭氧層、溫室效應(yīng)潛能值小而受到廣泛關(guān)注［4－12］。CO2工作壓力高，考慮管道及設(shè)備的承壓能力，必須限制其在混合物中的濃度。并且CO2和丙烷融合性較高［13－14］，普通平衡蒸餾方法很難獲得高濃度的CO2，使得自復(fù)疊制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度較高，而且相變時(shí)溫度滑移大，不利于獲得低溫［15］。Kim S G等［16］從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面分析了CO2／丙烷和CO2／R134a作制冷劑的自復(fù)疊制冷系統(tǒng)的性能。結(jié)果表明，在相同的CO2組分濃度下，CO2／丙烷自復(fù)疊制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)（COP）大于以CO2／R134a作制冷劑的COP。但是，前者能達(dá)到的最低蒸發(fā)溫度比后者高12.6℃。說明僅通過一個(gè)氣?液相分離器來分離CO2和丙烷是不夠的。有的通過在循環(huán)中增加相分離器的個(gè)數(shù)來增加分離效率，也有的用精餾柱代替相分離來達(dá)到目的［17－20］，但是系統(tǒng)變得更復(fù)雜。

解決的方式是在小型自復(fù)疊制冷循環(huán)中增設(shè)分凝器。它結(jié)構(gòu)簡單，利用內(nèi)部熱交換器的工作原理及CO2、丙烷沸點(diǎn)溫差大的特點(diǎn)來進(jìn)一步提純CO2，獲得更低蒸發(fā)溫度。本文主要研究充注制冷劑濃度、冷凝器出口干度及分凝器高壓側(cè)出口溫度等參數(shù)對(duì)帶有分凝器的自復(fù)疊制冷循環(huán)性能的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在自行設(shè)計(jì)組裝的小型自復(fù)疊制冷裝置上完成。該自復(fù)疊制冷實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖1所示，圖中數(shù)字表示制冷劑狀態(tài)點(diǎn)。整個(gè)制冷循環(huán)分成四個(gè)回路：混合回路、高溫、低溫回路和冷卻水回路。

圖1 小型CO2／丙烷自復(fù)疊制冷實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Schematic diagram of a small?sized auto?cascade refrigeration system

在裝置中首先充入300 g丙烷，然后分四次充入CO2，形成四種組分濃度分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在冷卻水溫度和流量相同時(shí)，比較不同CO2質(zhì)量濃度下循環(huán)蒸發(fā)溫度、制冷量、壓縮機(jī)輸入功率及 COP的變化情況。

2 相分離器及分凝器模型

冷凝器出口兩相混合制冷劑（3點(diǎn)）在相分離器中被分成飽和氣體和液體兩部分。主要含量為丙烷的高壓液體（8點(diǎn)）從相分離器底部流出；主要含量為CO2的高壓氣體（41點(diǎn)）從相分離器頂部流出，然后進(jìn)入分凝器高壓側(cè)。高壓飽和氣體在分凝器中被低壓回氣（11點(diǎn)）冷卻，部分氣體冷凝并返流至相分離器，與其底部的飽和液體混合，未冷凝高壓氣體（4點(diǎn)）進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器。

式中：z3為充注制冷劑中CO2質(zhì)量濃度；zv，zl分別為冷凝器出口氣相和液相CO2質(zhì)量濃度。

在分凝器高壓側(cè)，由于冷凝液回流至相分離器，因此出口處的氣體質(zhì)量流量小于入口處。令：

式中：q4為分凝器高壓側(cè)出口與入口制冷劑質(zhì)量流量比；為4點(diǎn)（分凝器高壓側(cè)出口）質(zhì)量流量，kg／s。

同樣，q4還可以表示為：

式中：z40為分凝器產(chǎn)生的冷凝液中CO2質(zhì)量濃度；z4為4點(diǎn)飽和氣體的CO2質(zhì)量濃度。

相分離器出口8點(diǎn)飽和液體中CO2的質(zhì)量濃度z8為：

電力營銷圖像識(shí)別系統(tǒng)需要有一個(gè)固定的操作平臺(tái)，在平臺(tái)中把撤回電能表置于拍照區(qū)，計(jì)算機(jī)就會(huì)自主控制數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行圖像的采集，在采集完圖像后就可以通過圖像識(shí)別技術(shù)來識(shí)別電能表的型號(hào)、表示數(shù)以及條碼等。操作臺(tái)主要由工控主機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、控制開關(guān)以及顯示器等設(shè)備構(gòu)成，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心。在采集完撤回表相關(guān)信息后還可以通過信息管理功能對(duì)于相關(guān)的信息進(jìn)行管理，完成整理、分析、統(tǒng)計(jì)等相關(guān)工作。

將式（1）～（5）帶入式（6）中得到：

3 結(jié)果與討論

3.1 CO2濃度對(duì)循環(huán)性能的影響

從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面研究了CO2濃度對(duì)帶有分凝器的自復(fù)疊制冷循環(huán)性能的影響。為了方便比較結(jié)果，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)條件相同。

當(dāng)冷卻水溫度為303.15 K時(shí)，蒸發(fā)溫度（蒸發(fā)器入口處）隨CO2濃度變化關(guān)系如圖2所示。從圖2可以看出，混合制冷劑中CO2濃度越大，蒸發(fā)溫度越高。CO2濃度增加引起蒸發(fā)壓力的迅速升高從而導(dǎo)致了蒸發(fā)溫度的升高。當(dāng)CO2濃度從0.22上升到0.31時(shí)，實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果顯示蒸發(fā)溫度分別升高了6.8 K和5.7 K。

圖2 蒸發(fā)溫度隨CO2濃度變化曲線Fig.2 Evaporating temperature versus CO2mass concentration

圖3顯示了制冷量、輸入功率和COP與CO2濃度的變化關(guān)系?？梢钥吹剑S著CO2濃度的增加，制冷量、輸入功耗和系統(tǒng)COP都呈現(xiàn)上升的趨勢。與丙烷相比，CO2壓力高，比容小，因此CO2濃度越大則壓縮機(jī)吸氣比容值越小，導(dǎo)致無論是整個(gè)循環(huán)還是低溫環(huán)路的質(zhì)量流量都增加。而低溫環(huán)路質(zhì)量流量的增加是制冷量增加的主要原因。壓縮機(jī)功耗增大主要是由于總循環(huán)質(zhì)量流量的增加和壓縮比的升高。此外，當(dāng)CO2濃度從0.22上升到0.31時(shí)，實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果顯示COP分別提升68.3%和24.9%。

圖3 制冷量、輸入功率和COP隨CO2充注濃度變化曲線Fig.3 Refrigeration capacity，power input and COP versus CO2mass concentration

3.2 冷凝器出口蒸汽干度對(duì)循環(huán)性能的影響

在冷凝器中，大部分丙烷被環(huán)境介質(zhì)冷凝成液體，而大部分CO2仍為氣體。因此，冷凝器出口制冷劑為氣、液兩相共存狀態(tài)。通過理論模擬來分析冷凝器出口蒸汽干度q3對(duì)帶有分凝器的自復(fù)疊制冷循環(huán)熱力性能的影響。該模擬計(jì)算是在冷凝器出口制冷劑溫度為304.25 K，CO2充注濃度為0.25的條件下進(jìn)行的。

圖4顯示是循環(huán)吸、排氣溫度和蒸發(fā)溫度隨q3的變化情況。在q3從0.5增加到0.9的過程中，吸氣溫度和蒸發(fā)溫度都是先降低后增加：當(dāng)q3等于0.6時(shí)，吸氣溫度達(dá)到了最低值，為256.84 K；而當(dāng)q3等于0.7時(shí)蒸發(fā)溫度達(dá)到最低，為211.37 K。隨著q3的增加，排氣溫度呈現(xiàn)單調(diào)下降的趨勢，即從344.21 K下降到328.94 K。

圖4 循環(huán)溫度隨冷凝器出口蒸汽干度變化曲線Fig.4 Temperature versus the vapor quality at condenser outlet

如圖5所示，冷凝壓力隨著蒸汽干度q3的增大而下降，從1.917 MPa下降到1.577 MPa。在冷凝器出口溫度和混合制冷劑濃度一定的條件下，根據(jù)相平衡原理計(jì)算可知冷凝器出口干度越大，冷凝壓力越低。蒸發(fā)壓力隨著干度的增加先下降，然后上升。在干度q3為0.6時(shí)蒸發(fā)壓力達(dá)到0.370 MPa的最低值，此時(shí)壓縮比為4.868，達(dá)到最高值。圖6表示制冷量、輸入功率和性能系數(shù)隨q3的變化情況?？梢钥闯?，隨著干度q3的增加，制冷量和

圖5 循環(huán)壓力隨冷凝器出口蒸汽干度變化曲線Fig.5 Pressure versus the vapor quality at condenser outlet

COP都是呈陡降趨勢。干度從0.5增加到0.9，制冷量和COP分別下降了98.5%和98.8%。制冷量下降的主要原因是低溫環(huán)路中制冷劑質(zhì)量流量劇烈減少。從圖6還可以看出，壓縮機(jī)功耗隨著干度的增加先下降然后上升，在干度為0.6時(shí)，達(dá)到0.694 kW的最低值。主要原因是總的制冷劑質(zhì)量流量隨著q3的增加先下降后上升，在q3為0.6時(shí)，達(dá)到最低值。

圖6 制冷量、輸入功率和系統(tǒng)COP隨冷凝器出口蒸汽干度變化曲線Fig.6 Refrigeration capacity，power input and COP versus the vapor quality at condenser outlet

3.3 分凝器高壓側(cè)出口溫度對(duì)循環(huán)性能的影響

為了研究分凝器高壓側(cè)出口溫度t4對(duì)循環(huán)熱力性能的影響，所有的理論計(jì)算都是在冷凝器出口制冷劑溫度為304.25 K，CO2充注濃度為0.31，冷凝器出口干度為0.6的條件下進(jìn)行的。

圖7顯示蒸發(fā)溫度隨t4的升高而升高。當(dāng)分凝器高壓側(cè)出口溫度升高時(shí)，進(jìn)入低溫回路的制冷劑中CO2濃度下降，比焓值上升導(dǎo)致蒸發(fā)溫度升高。通過曲線斜率可以看出，t4越高，蒸發(fā)溫度上升越快。t4升高8.21 K，引起蒸發(fā)溫度升高了1.41 K。

圖7 蒸發(fā)溫度隨分凝器高壓側(cè)出口溫度變化曲線Fig.7 Evaporating tem perature versus the outlet tem perature on the high?pressure side of fractionation heat exchanger

圖8顯示制冷量、輸入功率和COP均隨t4的升高而增加。當(dāng)t4升高時(shí)，首先，只有少量高壓氣體冷凝成液體并返流，因此進(jìn)入低溫環(huán)路的制冷劑質(zhì)量流量增加；其次，蒸發(fā)溫度升高使得單位制冷量上升，以上二方面是制冷量升高的主要原因。壓縮機(jī)功耗增加是由于壓縮比增大以及壓縮機(jī)輸送的制冷劑循環(huán)量增加。t4上升2.9%，引起COP上升了21.3%。

圖8 制冷量、輸入功率和系統(tǒng)COP隨分凝器高壓側(cè)出口溫度變化曲線Fig.8 Refrigeration capacity，power input and COP versus the outlet temperature on the high?pressure side of fractionation heat exchanger

4 結(jié)論

對(duì)于以CO2和丙烷作制冷劑的小型自復(fù)疊制冷裝置，由于兩種組分融合性高，因此提出在相分離器氣相出口安裝分凝器來提高進(jìn)入蒸發(fā)器的混合制冷劑中CO2的濃度。本文主要研究了CO2濃度、冷凝器出口蒸汽干度及分凝器高壓側(cè)出口溫度對(duì)帶分凝器的自復(fù)疊循環(huán)性能的影響情況。結(jié)果表明：

1）蒸發(fā)溫度隨所充注的混合制冷劑中CO2質(zhì)量濃度的增加而升高；此時(shí)循環(huán)的制冷量、壓縮機(jī)輸入功率也相應(yīng)增加，COP提高。

2）隨著冷凝器出口蒸汽干度的增加，壓縮機(jī)排氣溫度單調(diào)降低；當(dāng)蒸汽干度為0.6時(shí)壓縮機(jī)吸氣溫度最低；當(dāng)蒸汽干度為0.7時(shí)蒸發(fā)溫度最低。

隨著冷凝器出口蒸汽干度的增加，冷凝壓力下降；當(dāng)蒸汽干度為0.6時(shí)蒸發(fā)壓力最低，此時(shí)循環(huán)壓縮比最大。

隨著冷凝器出口蒸汽干度的增加，制冷量劇烈降低，而壓縮機(jī)輸入功率先減少，在干度為0.6時(shí)到達(dá)最少后再增加，計(jì)算結(jié)果表明COP逐漸下降。

3）在CO2質(zhì)量濃度和冷凝器出口蒸汽干度一定時(shí)，隨著分凝器高壓側(cè)出口溫度的升高，蒸發(fā)溫度升高，循環(huán)的制冷量、壓縮機(jī)輸入功率及COP均增加。

本文受中國科學(xué)院低溫工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（CRYO201127）資助。（The project was supported by the Open Foundation of Key Laboratory of Cryogenics，TIPC，CAS（No. CRYO201127）.）

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張麗，女，副教授，大連海洋大學(xué)，機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，（0411）84762221，E?mail：zhangl＠dlou.edu.cn。研究方向：制冷工質(zhì)物性研究，制冷、熱泵及空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能及優(yōu)化技術(shù)研究。

About the corresponding author

Zhang Li，female，associate professor，School of Mechanical and Power Engineering，Dalian Ocean University，＋86 411?84762221，E?mail：zhangl＠dlou.edu.cn.Research fields：prop?erties of refrigerants，energy saving and optimization of refrigera?tion，heat pump and air?conditioning system.

Performance of a Small?sized Auto?cascade Refrigerator with a Fractionation Heat Exchanger

Zhang Li1，2Xu Shiming1Du Ping2Yang Chunguang2Gao Hongyan2Shu Weihua3

（1.School of Energy and Power Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，116024，China；2.School of Mechanical and Power Engineering，Dalian Ocean University，Dalian，116023，China；3.Panasonic Appliance Cold Chain（Dalian）Co.，Ltd.，Dalian，116600，China）

Water A fractionation heat exchanger was employed to improve the separation efficiency of CO2and propane in the small?sized auto?cascade refrigeration cycle.The effects of CO2mass concentration，vapor quality at condenser outlet and the outlet temperature on the high?pressure side of the fractionation heat exchanger were analyzed.Results show that as CO2mass concentration grows from 0.22 to 0.31，the evaporating temperatures of the experiment and theoretical calculation are raised by 6.8 K and 5.7 K，respectively.And the corresponding COP is increased by 68.3%and 24.9%，respectively.Simulation data also reveal that as the vapor quality increases from 0.5 to 0.9，the evaporating temperature reaches the minimum of 211.37 K and COP drops sharply by 98.8%at a vapor quality of 0.7. In addition，when the outlet temperature on the high?pressure side of the fractionation heat exchanger is raised by 8.21 K，the evaporating temperature and COP are increased by 1.41 K and 21.3%，respectively.

auto?cascade refrigeration cycle；fractionation heat exchanger；natural refrigerant；CO2；propane

TB61＋5；TB657

A

0253－4339（2015）04－0052－06

10.3969／j.issn.0253－4339.2015.04.052

簡介

2014年11月21日