兩級自復(fù)疊制冷系統(tǒng)的實驗研究

朱珠

(南京師范大學(xué)中北學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

自動復(fù)疊制冷是一種結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、操作簡單、經(jīng)濟節(jié)能的新型制冷循環(huán)機組。多級自動復(fù)疊制冷循環(huán)系統(tǒng)在低溫領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前,在這兩個方面自動復(fù)疊制冷循環(huán)有了新的研究方向[1-4]:一是對制冷循環(huán)系統(tǒng)的新型換熱器和高效氣液分離器的改進；二是研發(fā)新型制冷混合工質(zhì),算出最佳的混合制冷劑的配比。Sivakumar 和Somasundaram[5]對自動復(fù)疊式制冷系統(tǒng)進行了不同混合工質(zhì)配比下的實驗研究以及系統(tǒng)的能量和火用進行分析研究,當(dāng)質(zhì)量比為0.218:0.346:0.436 的混合工質(zhì)R290/R23/R14 時,三級自動復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的COP 為0.253 和火用的效率為58.5%。陳光明等人[7]提出了采用混合制冷劑R1150/R13/R12的單級壓縮、一次精餾多元混合工質(zhì)自動復(fù)疊循環(huán),運行工況為高壓1.5MPa、低壓0.12MPa 的時,可以得到-73℃的制冷溫度、制冷量是35.8W,COP 是0.14。上海理工大學(xué)制冷技術(shù)研究所[8]用R23／R22 混合制冷劑建立了兩級自動重疊制冷裝置,研究了混合工質(zhì)配比對系統(tǒng)制冷性能和啟動特性的影響。上海理工大學(xué)[9]優(yōu)化了混合工質(zhì)R134a/R23/R14 配比和實驗裝置,得到了-100℃的制冷溫度、0.056 的COP。

本文搭建了一臺混合工質(zhì)為R227/R23/R14 的兩級自動復(fù)疊式制冷的試驗臺,分析系統(tǒng)的高低壓以及進出口溫度變化特性,通過實驗研究與理論的研究的對比,得出最佳運行工況。根據(jù)二級自動復(fù)疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)的特性,管路和設(shè)備壓力的損失可以忽略,壓縮機為高壓系統(tǒng),高壓不超過2.2Mpa,高壓過高會引起制冷劑的泄露和啟動壓力過大造成機組停止運行,節(jié)流毛細管為低壓系統(tǒng),低壓不低于大氣壓,保證系統(tǒng)正壓運行,這樣便于檢修。

1 兩級自動復(fù)疊制冷系統(tǒng)

循環(huán)系統(tǒng)的硬件組成以及參數(shù)測點布置圖1 所示。

圖1 兩級自動復(fù)疊制冷循環(huán)系統(tǒng)圖

圖1 為兩級自動復(fù)疊制冷原理圖,圖2 為系統(tǒng)壓焓圖,整個系統(tǒng)的循環(huán)為非共沸混合制冷劑R227/R23/R14 在A 中壓縮并進入B 中,混合工質(zhì)在B 中進行變溫冷凝,其中高溫工質(zhì)R227 冷凝為液體,而中、低溫工質(zhì)R23、R14 為氣態(tài)。從B 出來的氣液混合工質(zhì)進入D 中,在H 中依靠重力的作用實現(xiàn)氣液體分離,高溫高壓的液體工質(zhì)經(jīng)H 底部送至I 中,在J 冷卻低溫低壓氣體工質(zhì)送至毛K 中,混合氣體工質(zhì)進入J 中變成高溫低壓氣體工質(zhì)與從I 中出來的高溫低壓液體工質(zhì)在P 點處混合進入J 中變成低溫低壓液體工質(zhì)進入H 中,在H 中上升氣流和下降液體之間進行能量轉(zhuǎn)換,而且分離的液體中高沸點R227 含量高且分離后氣體會被冷卻到更低溫度。從分H 中出來的高溫低壓液體工質(zhì)進入D 中變成低溫低壓液體工質(zhì)進入A 中,完成整個循環(huán)[6][11]。

圖2 兩級自動復(fù)疊制冷循環(huán)壓焓圖

在循環(huán)過程中高沸點工質(zhì)R227 的溫度高于臨界溫度,因此在整個系統(tǒng)中以氣態(tài)形式存在,導(dǎo)致系統(tǒng)平衡壓力過高。因此,機組增加了限壓閥和緩沖罐,以保證機組的正常運行。

2 制冷劑與實驗臺

2.1 制冷劑的選擇

兩級自動復(fù)疊循環(huán)制冷試驗臺實現(xiàn)了循環(huán)過程中各工質(zhì)組的分離和混合。結(jié)合R23 的蒸發(fā)溫度是-70～-110℃以及R14 的蒸發(fā)溫度是-110～-140℃。設(shè)置實驗臺-80℃的蒸發(fā)溫度以及30℃的冷凝溫度,選用R23、R14、R227[9]的三種工質(zhì),三種工質(zhì)不會破壞臭氧層,其主要物性參數(shù)如表1 所示。

表1 三種工質(zhì)的主要熱物性參數(shù)

2.2 實驗臺的搭建

機組采用兩級自動復(fù)疊制冷系統(tǒng),示意圖如圖1 所示。搭建了相應(yīng)的實驗臺。實驗臺相關(guān)設(shè)備如表2。

表2 設(shè)備及儀器的型號和參數(shù)

該實驗臺主要是采用分凝分離器[10]分離混合工質(zhì),這種分離方式優(yōu)點是無需外來機械部件和設(shè)置特殊的流道,只依靠重力分離混合工質(zhì)。制冷機組運行過程中記錄了15 組數(shù)據(jù)。

3 理論與實驗分析

3.1 循環(huán)系統(tǒng)的理論性能分析

基于熱力學(xué)的第一定律對二級自動復(fù)疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)的性能進行理論分析,提出一些假設(shè):

a.系統(tǒng)中所有的部件均為穩(wěn)定和循環(huán)過程為穩(wěn)定過程；

b.壓縮機的過程都是不可逆；

c.毛細管內(nèi)的節(jié)流過程為等焓過程；

d.分凝分離器的蒸汽和液體都是飽和的；

e.冷凝器和蒸發(fā)器出口均為飽和狀態(tài)；

f.忽略制冷劑的壓降和循壞過程中的熱損失。

本文研究主要基于以下參數(shù):制冷量和COP,基于上述假設(shè),從質(zhì)量和能量守恒的角度,根據(jù)圖2 可以得到下列主要成分的方程。

循環(huán)系統(tǒng)性能:

3.2 循環(huán)系統(tǒng)的實驗研究分析

3.2.1 制冷機組降溫特性

在30℃的冷凝溫度下,圖3 為兩級自動復(fù)疊式制冷機組的降溫過程,由圖可知降溫過程不勻速,因此把降溫過程分為:延遲過程、快速過程、慢速過程、穩(wěn)定調(diào)整過程。試驗機組運行2 個小時后,蒸發(fā)溫度下降至-80℃,低溫工質(zhì)R227 的含量較低,機組運行時混合工質(zhì)中R227 最先被分離,因此前20 分鐘溫度下降緩慢。

圖3 制冷機機組降溫曲線圖

3.2.2 制冷機組最佳性能

本文采用一臺混合工質(zhì)為R227/R23/R14 的兩級自動復(fù)疊式制冷的試驗臺,實驗測得在不同的混合工質(zhì)的配比的下,得出機組的制冷量和COP。

由圖4 可知:制冷量隨著環(huán)境溫度的降低而增加,機組的最佳工況為10℃的冷凝溫度、428W 的制冷量,0.132 的COP,機組蒸發(fā)溫度下降至-80℃并且穩(wěn)定運行?；旌瞎べ|(zhì)R14/R23/R227 的質(zhì)量比為:30/55/15。

圖4 不同溫度下的機組性能曲線圖

4 結(jié)論

本文搭建了一臺混合工質(zhì)為R227/R23/R14 的兩級自動復(fù)疊式制冷的試驗臺,通過理論和實驗研究,可以得到結(jié)論:機組的制冷量隨著冷凝溫度的下降而增加,最佳工況為10℃的冷凝溫度、428W 的制冷量以及0.132 的COP,機組蒸發(fā)溫度下降至-80℃,混合工質(zhì)R14/R23/R227 的質(zhì)量比為:30/55/15。機組優(yōu)化了上海理工大學(xué)搭建的三級自動復(fù)疊式制冷裝置。