極限工況下開放式CO2制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

錢曉輝，徐 雷

（1.南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院，南京210016；2.金陵科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，南京211169）

0 引 言

我國煤礦安全是煤礦生產(chǎn)中的重要工作內(nèi)容，為了減少突發(fā)事故中人員的二次傷害，國家大力推行礦井安全救生工作［1］。礦用可移動(dòng)式救生艙一般布置在距生產(chǎn)工作面最近的位置，是重要的救生避險(xiǎn)設(shè)施，艙內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)是救生艙內(nèi)最重要的系統(tǒng)，對(duì)人員生存的可靠性與穩(wěn)定性起到重要的作用。開放式二氧化碳制冷是無源救生艙環(huán)境控制系統(tǒng)中，溫濕度控制運(yùn)用廣泛的一種制冷方式［2］，與相變制冷和蓄冰制冷相比，開放式二氧化碳制冷溫濕度控制范圍寬，運(yùn)行維護(hù)成本低，具有良好的經(jīng)濟(jì)性與適用性［3］。

開放式二氧化碳制冷系統(tǒng)調(diào)節(jié)范圍廣，操作性要求高，因系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理或調(diào)節(jié)不當(dāng)導(dǎo)致的系統(tǒng)故障常常發(fā)生［4］。蔡玉飛等［5］研究了二氧化碳儲(chǔ)存狀態(tài)對(duì)開放式制冷系統(tǒng)性能的影響，在超臨界條件下，二氧化碳制冷量損失較大；曹利波［6］利用flowmaster軟件設(shè)計(jì)了合適的蒸發(fā)器參數(shù)，并對(duì)非設(shè)計(jì)工況下的制冷系統(tǒng)性能進(jìn)行校核；殷岳等［7］提出現(xiàn)有的二氧化碳節(jié)流背壓缺乏相關(guān)控制，使蒸發(fā)器外表面結(jié)霜，提出二次節(jié)流一次回?zé)岬母倪M(jìn)方式；楊俊玲等［8］同樣采用二次節(jié)流的方式優(yōu)化開放式二氧化碳制冷系統(tǒng)，提高蒸發(fā)溫度，降低蒸發(fā)器結(jié)霜的可能性。開放式二氧化碳制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及研究均局限于救生艙內(nèi)額定使用工況下，尚未針對(duì)系統(tǒng)在多變環(huán)境下的適應(yīng)性進(jìn)行分析研究，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)證明，開放式制冷系統(tǒng)在冷啟動(dòng)時(shí)多次出現(xiàn)系統(tǒng)冰堵，真人實(shí)驗(yàn)中人員活動(dòng)量的變化同樣容易引起系統(tǒng)的運(yùn)行脫離穩(wěn)態(tài)［9］。

本文根據(jù)救生艙內(nèi)制冷系統(tǒng)的運(yùn)行要求以及人員不同活動(dòng)狀態(tài)的熱濕負(fù)荷變化，針對(duì)開放式二氧化碳制冷系統(tǒng)的性能進(jìn)行理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究，針對(duì)二次節(jié)流開放式二氧化碳制冷系統(tǒng)確定系統(tǒng)運(yùn)行包線及極端工況下的調(diào)節(jié)方式。

1 二次節(jié)流開放式二氧化碳制冷系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)原理

開放式二氧化碳制冷系統(tǒng)中，二氧化碳儲(chǔ)存壓力一般為6～7 MPa，開放式排出壓力為0.1 MPa，如果使用單級(jí)節(jié)流會(huì)造成節(jié)流過深，使節(jié)流后位置處的二氧化碳工質(zhì)溫度降到-10～-25℃，極易引發(fā)蒸發(fā)器銅管外表面凝霜［10］，為避免懸崖式壓降并保證系統(tǒng)總流阻，一般使用細(xì)長的管路實(shí)現(xiàn)連續(xù)降壓［11］，系統(tǒng)組成及熱力學(xué)原理如圖1所示。

另一種優(yōu)化系統(tǒng)流阻的方式是使用雙級(jí)節(jié)流的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，一方面減少了系統(tǒng)管路總長度，另一方面，提高了蒸發(fā)溫度，避免出現(xiàn)換熱器凝霜現(xiàn)象，系統(tǒng)的穩(wěn)定性與制冷效率進(jìn)一步提升［12］。系統(tǒng)組成及熱力學(xué)原理如圖2所示。儲(chǔ)存的液態(tài)二氧化碳工質(zhì)從鋼制高壓氣瓶中經(jīng)內(nèi)置虹吸管流出，多路氣瓶由匯流排匯總后，常溫高壓狀態(tài)的二氧化碳液體（壓力為p0，焓值為h0）經(jīng)過一級(jí)減壓閥減壓后變成低溫高壓的氣液混合態(tài)（p1，h1），蒸發(fā)換熱后的常溫高壓二氧化碳?xì)怏w（p2，h2）通過二級(jí)減壓閥再次減壓成低溫低壓的氣體（p3，h3）［13］，再次換熱后驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)風(fēng)機(jī)，最后排出艙體。

圖1 開放式二氧化碳制冷系統(tǒng)單級(jí)節(jié)流系統(tǒng)組成及熱力學(xué)原理圖

圖2 開放式二氧化碳制冷系統(tǒng)雙級(jí)節(jié)流系統(tǒng)組成及熱力學(xué)原理圖

1.2 額定工況蒸發(fā)器制冷量計(jì)算

以某公司RP-12型救生艙為例，使用二次節(jié)流的開放式二氧化碳制冷系統(tǒng)，采用雙級(jí)換熱器：前置換熱器為Φ6 mm，壁厚1 mm的銅管盤成，其排數(shù)為10，列數(shù)為20，蒸發(fā)器有效長度為0.32 m，縱向管中心距S1＝15 mm，橫向管中心距S2＝13 mm；后置蒸發(fā)器尺寸與前置蒸發(fā)器相同。

救生艙內(nèi)設(shè)計(jì)空氣狀態(tài)t′1＝28 ℃，相對(duì)濕度φ′1＝65%，焓值h′1＝67.755 kJ/kg，空氣經(jīng)過換熱器后的溫度t″1、焓值h″1可由下式計(jì)算得出：

式中：hs為蒸發(fā)器表面溫度下的空氣飽和狀態(tài)焓值，kJ/kg；ts為蒸發(fā)器表面溫度，℃，對(duì)前置換熱器進(jìn)行研究時(shí)，假設(shè)換熱器平均溫度為蒸發(fā)溫度；αa為蒸發(fā)器外表面顯熱傳熱系數(shù)，kW/（m2·K）；uy為迎面風(fēng)速，m/s；cp為干空氣比定壓熱容，kJ/（kg·K）；ρ為空氣密度，kg/m3；N為沿氣流方向蒸發(fā)器管排數(shù)；a為蒸發(fā)器總外表面積與（N×迎風(fēng)面積）比。

干工況下空氣側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)為

式中：Nua為空氣的努賽爾數(shù)；λa為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)；Dout為銅管外徑。

推薦管束平均對(duì)流換熱系數(shù)準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式［14］為

式中：vmax為最小截面風(fēng)速，υa為空氣的運(yùn)動(dòng)黏度，De為最小截面當(dāng)量直徑。

設(shè)計(jì)二氧化碳初始狀態(tài)為25℃、6.45 MPa，一級(jí)減壓閥后狀態(tài)為1.3℃、3.6 MPa。計(jì)算結(jié)果如表1所示，二氧化碳質(zhì)量流量為9.66 g/s。

表1 前置換熱器設(shè)計(jì)工況計(jì)算結(jié)果

12人救生艙額定設(shè)計(jì)負(fù)荷為2 200 W，由表1可知，前置換熱器換熱2 085.5 W，后置換熱器承擔(dān)剩余114.5 W的換熱量與系統(tǒng)壓降。

1.3 制冷劑分布

研究極限負(fù)荷下的系統(tǒng)性能變化主要是研究外界環(huán)境負(fù)荷變化時(shí)系統(tǒng)內(nèi)制冷劑的變化，對(duì)雙級(jí)節(jié)流開放式二氧化碳制冷系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)簡化，制冷系統(tǒng)換熱器分為前置換熱器兩相段、前置換熱器過熱段與后置換熱器過熱段3個(gè)部分，如圖3所示。

圖3 雙級(jí)節(jié)流制冷劑分布原理圖

在二氧化碳兩相區(qū)內(nèi)，單位長度ΔL內(nèi)二氧化碳的干度變化Δx是由空氣吸熱析濕產(chǎn)生的，根據(jù)傳熱學(xué)公式，得

式中：α11為前置換熱器兩相段表面空氣傳熱系數(shù)；c為銅管周長；T空氣1為兩相段空氣平均溫度；T蒸發(fā)為CO2蒸發(fā)溫度；GCO2為CO2質(zhì)量流量；H為相變潛熱。

因此，兩相區(qū)長度為

式中，x0為一級(jí)減壓后CO2的干度。

忽略氣動(dòng)風(fēng)機(jī)的影響，制冷系統(tǒng)進(jìn)出口的壓降p1-p0為常數(shù)

式中：Δpa、Δpb分別為一級(jí)減壓閥與二級(jí)減壓閥壓降；Δp11、Δp12、Δp2分別為兩相段、一級(jí)過熱段與二級(jí)過熱段壓降；p為CO2密度；ξ為減壓閥局部阻力系數(shù)；v為CO2流速；f為CO2流經(jīng)管路的阻力系數(shù)；γ為制冷劑平均比容；D為管路直徑。

上述公式表明，當(dāng)空氣熱負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，制冷系統(tǒng)內(nèi)的制冷劑兩相區(qū)長度發(fā)生改變，系統(tǒng)流量與各部件壓降分配也隨之不同。

2 極限工況制冷系統(tǒng)性能

救生艙在運(yùn)行中存在4種特殊的極限工況：①低溫低濕礦井的制冷系統(tǒng)啟動(dòng)或艙內(nèi)人員睡眠狀態(tài)，此時(shí)艙內(nèi)人員熱濕負(fù)荷影響小，空氣溫濕度較低；②部分礦井濕度較高，溫度較低，制冷系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)無足夠熱源吸收制冷工質(zhì)冷量，救生艙內(nèi)溫度較低，濕度較大［15］；③高溫礦井的制冷系統(tǒng)啟動(dòng)或艙內(nèi)存在輔助干燥劑除濕，此時(shí)艙內(nèi)溫度較高，濕度較低；④高溫高濕礦井的制冷系統(tǒng)啟動(dòng)或人員在艙內(nèi)活動(dòng)狀態(tài)劇烈，此時(shí)艙內(nèi)溫濕度均較高。

根據(jù)式（1）～（6）計(jì)算6種工況的換熱量如表2所示。

表2 4種極端工況的計(jì)算結(jié)果

由表2的計(jì)算結(jié)果可知：

（1）1工況低溫低濕狀態(tài)下，艙內(nèi)熱負(fù)荷766.9 W遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)負(fù)荷2 200 W：二氧化碳在前置換熱器中無法充分換熱蒸發(fā)，再次經(jīng)過二級(jí)減壓后進(jìn)入后置換熱器將獲得更低的溫度。

空氣溫濕度降低時(shí)，T空氣1下降，兩相區(qū)長度L11增大，由于系統(tǒng)換熱器總長度不變，L12+L2減小，CO2氣態(tài)流阻遠(yuǎn)大于液態(tài)流阻，故系統(tǒng)換熱器流阻Δp11+Δp12+Δp2降低。

此時(shí)，制冷系統(tǒng)的總流量提高，進(jìn)一步加劇了系統(tǒng)制冷量與環(huán)境負(fù)荷的差值，若無人工干預(yù)，制冷系統(tǒng)二級(jí)減壓閥后的溫度將迅速降至二氧化碳干冰點(diǎn)發(fā)生系統(tǒng)冰堵。其熱力學(xué)過程如圖4（a）所示。

（2）2工況為低溫高濕狀態(tài)，系統(tǒng)在救生艙高濕度環(huán)境下：艙內(nèi)空氣在換熱器處大量析出水分，系統(tǒng)流量增大速率略小于1工況，當(dāng)流量增大到一定值時(shí)，減壓閥局部流阻Δpa+Δpb過大導(dǎo)致節(jié)流深度過深，節(jié)流后溫度低于冰點(diǎn)溫度，空氣析出的水分快速結(jié)冰。

此時(shí)換熱惡化加劇，系統(tǒng)快速出現(xiàn)冰堵故障。其熱力學(xué)過程如圖4（b）所示。

（3）3工況高溫低濕狀態(tài)下，艙內(nèi)環(huán)境相對(duì)濕度較低：此時(shí)，蒸發(fā)器析濕換熱效果較差，制冷能力不足，無法滿足設(shè)計(jì)工況，但此時(shí)由于艙內(nèi)環(huán)境溫度高，后置換熱器的換熱能力增強(qiáng)，系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)干冰點(diǎn)，但系統(tǒng)二氧化碳排氣溫度降低，制冷利用率降低。其熱力學(xué)過程如圖4（c）所示。

（4）4工況高溫高濕狀態(tài)下，艙內(nèi)熱濕負(fù)荷大于系統(tǒng)設(shè)計(jì)額定制冷量：T空氣1升高，兩相區(qū)長度L11減小，由于系統(tǒng)換熱器總長度不變，L12+L2增大，制冷劑過熱程度增加，換熱器流阻Δp11+Δp12+Δp2升高。

此時(shí)，系統(tǒng)流量不斷降低，發(fā)生制冷量不足現(xiàn)象。其熱力學(xué)過程如圖4（d）所示。

3 改進(jìn)型制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述熱力學(xué)分析，在救生艙冷啟動(dòng)、人員活動(dòng)異常等極限工況下，由于熱負(fù)荷與系統(tǒng)制冷流量不匹配，系統(tǒng)容易出現(xiàn)故障，故針對(duì)系統(tǒng)流阻進(jìn)行改進(jìn)型設(shè)計(jì)，系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖4 4種極限工況下制冷系統(tǒng)熱力學(xué)過程

圖5 二次節(jié)流開放式二氧化碳改進(jìn)型制冷系統(tǒng)原理圖

減壓閥調(diào)節(jié)開度對(duì)系統(tǒng)流量的控制能力差，極易出現(xiàn)調(diào)節(jié)過度，對(duì)避險(xiǎn)人員的操作性要求高。改進(jìn)型制冷系統(tǒng)在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了一級(jí)減壓閥后的一級(jí)三通換向閥及一級(jí)毛細(xì)管，增加了二級(jí)減壓閥后的二級(jí)三通換向閥與二級(jí)毛細(xì)管，通過開啟與關(guān)閉三通換向閥門改變制冷劑流動(dòng)方向，開啟換向閥后，制冷劑需經(jīng)過毛細(xì)管進(jìn)入換熱器，系統(tǒng)流阻增加，流量減小。系統(tǒng)操作簡便，可快速緩解故障惡化。

（1）1工況。系統(tǒng)二氧化碳質(zhì)量流量過大，開啟二級(jí)換向閥雖然降低了系統(tǒng)質(zhì)量流量，但會(huì)造成二級(jí)節(jié)流深度加深，二級(jí)毛細(xì)管內(nèi)溫度與壓力迅速降至干冰點(diǎn)導(dǎo)致系統(tǒng)冰堵。故此，低溫低濕的冷啟動(dòng)條件下，開啟一級(jí)換向閥，一級(jí)毛細(xì)管內(nèi)溫度將低于0℃，但由于質(zhì)量流量降低，液態(tài)二氧化碳在蒸發(fā)器內(nèi)能夠充分換熱，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）2、3工況。系統(tǒng)二氧化碳質(zhì)量流量過大，系統(tǒng)的惡化發(fā)生在前置換熱器結(jié)霜后的換熱能力快速下降，開啟一級(jí)換向閥使蒸發(fā)溫度進(jìn)一步降低，加劇結(jié)霜過程，故此應(yīng)開啟二級(jí)換向閥，降低系統(tǒng)流量的同時(shí)，提高一級(jí)減壓閥后的壓力及蒸發(fā)溫度。

（3）4工況。系統(tǒng)二氧化碳質(zhì)量流量偏小，增大一級(jí)減壓閥或增大二級(jí)減壓閥開度均可增加系統(tǒng)質(zhì)量流量，相比二級(jí)減壓閥中的氣體節(jié)流，一級(jí)減壓閥為飽和液體節(jié)流，增大一級(jí)閥開度產(chǎn)生的質(zhì)量流量增大程度較高，不利于精細(xì)調(diào)節(jié)；同時(shí)增大一級(jí)減壓閥開度將提高蒸發(fā)溫度，增大二級(jí)減壓閥節(jié)流深度。故此，當(dāng)流量不足時(shí)，優(yōu)先增大二級(jí)減壓閥開度。

4 結(jié) 語

礦井災(zāi)變環(huán)境下制冷系統(tǒng)的運(yùn)行工況復(fù)雜，常出現(xiàn)冷啟動(dòng)冰堵、過冷結(jié)霜及高濕過熱等故障，本文對(duì)故障的產(chǎn)生進(jìn)行熱力學(xué)分析，并設(shè)計(jì)一套新型的二次節(jié)流開放式制冷系統(tǒng)。研究結(jié)果表明：

（1）冷啟動(dòng)時(shí)，艙內(nèi)熱濕負(fù)荷不足，長時(shí)間運(yùn)行將導(dǎo)致系統(tǒng)冰堵，通過毛細(xì)管增加一級(jí)減壓閥后的流阻，成功降低系統(tǒng)流量；

（2）低溫高濕工況及高溫低濕工況下蒸發(fā)器長時(shí)間運(yùn)行而結(jié)霜，導(dǎo)致系統(tǒng)快速發(fā)生冰堵現(xiàn)象，在冰堵前使用二級(jí)毛細(xì)管增加二級(jí)減壓閥后流阻，有效緩解結(jié)霜狀況；

（3）高溫高濕工況下，調(diào)節(jié)一級(jí)減壓閥可能造成調(diào)節(jié)過度使系統(tǒng)流量增高，穩(wěn)定性較差，增大二級(jí)減壓閥開度可有效增加系統(tǒng)制冷量，控制精度較高。