芮勝軍 張 華 王洪年 李娟娟

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

自復(fù)疊制冷系統(tǒng)采用兩種或兩種以上的混合制冷工質(zhì)，通過單臺壓縮機實現(xiàn)多級復(fù)疊，制?。?0℃～－150℃之間的低溫環(huán)境:廣泛應(yīng)用于低溫電子，低溫醫(yī)學(xué)，低溫生物，低溫實驗環(huán)境等小型設(shè)備［1］?；旌现评涔べ|(zhì)由純工質(zhì)按照一定的比例混合而成，根據(jù)其共沸特性，分為共沸混合工質(zhì)和非共沸混合工質(zhì)。共沸混合工質(zhì)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(zhì)相同的恒溫恒壓蒸發(fā)冷凝特性。非共沸混合工質(zhì)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(zhì)的冷凝過程溫度呈對數(shù)函數(shù)規(guī)律變化，相對于恒溫冷凝的純制冷工質(zhì)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(zhì)可近似實現(xiàn)勞侖茲循環(huán)，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，冷凝介質(zhì)與制冷工質(zhì)的傳熱溫差越小，其熵增越小，即不可逆損失越小。當(dāng)冷凝介質(zhì)與制冷工質(zhì)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(zhì)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(zhì)大大減?。?］。

套管式冷凝器廣泛應(yīng)用于各種小型制冷裝置系統(tǒng)，由外套管及內(nèi)穿的單根或多根傳熱管組成，彎制成圓形或橢圓形螺旋結(jié)構(gòu)。外管采用無縫鋼管或銅管，內(nèi)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(nèi)管流動，制冷工質(zhì)在套管間流動，如圖1所示［4］。冷卻水在內(nèi)管流動，流向為下進上出;氣態(tài)制冷工質(zhì)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(zhì)氣體同時受傳熱管內(nèi)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(zhì)冷凝，由于冷凝中后期制冷工質(zhì)處于氣液兩相狀態(tài)，如果工質(zhì)在套管間流動，容易出現(xiàn)積液、氣液分離、死體積等現(xiàn)象，還會引起氣體和液體工質(zhì)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(jù)混合工質(zhì)的冷凝特性選取制冷工質(zhì)在內(nèi)管流動，冷卻水在套管間流動。

壓縮機排出的混合制冷工質(zhì)在冷凝器中流動阻力比較小，可認(rèn)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(zhì)冷凝為液體，釋放出汽化潛熱;剩余氣體工質(zhì)進一步冷卻，釋放顯熱［5］。

1 二元工質(zhì)冷凝過程分析

1.1 二元工質(zhì)冷凝特性

以兩種制冷工質(zhì)R600a和R23的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為7∶3為研究對象。套管間冷卻水與內(nèi)管混和制冷工質(zhì)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(zhì)和冷卻水的溫度變化如圖2所示。

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

套管式冷凝器設(shè)計計算時作如下假設(shè):系統(tǒng)內(nèi)部制冷工質(zhì)流動壓力損失忽略不計，系統(tǒng)內(nèi)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(zhuǎn)速按額定轉(zhuǎn)速2800 r/min計算。吸排氣溫度開始時都不能準(zhǔn)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(zhì)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(yīng)有20℃的回氣過熱度;吸氣溫度太高則相應(yīng)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(xiàn)象。綜合考慮各種情況，確定冷凝器中混合制冷工質(zhì)和冷卻水的流動特性如表1所示。

表1 混合制冷工質(zhì)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(zhì)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(jié)，形成一層凝液膜。這些氣體分子的凝結(jié)，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(jié)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(jié)，這層氣膜構(gòu)成了凝結(jié)放熱的主要熱阻，因而使放熱系數(shù)大大降低［3］。在這層氣膜中溫度也發(fā)生相應(yīng)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(yīng)的飽和溫度)。由于溫差的存在，在氣膜與液膜間的表面上產(chǎn)生了對流換熱。對于多元非共沸混合工質(zhì)，由于其冷凝溫度差別較大，低沸點工質(zhì)可作為不凝性氣體處理［6－7］。工質(zhì)R600a和R23的熱物理特性如表2所示［8］。

表2兩種純制冷工質(zhì)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(zhì)在定壓下冷凝時，氣相和液相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，溫度也不斷變化。圖3是根據(jù)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(zhì)R600a和R23不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的泡點溫度和露點溫度線，它顯示了這兩種混合工質(zhì)的氣液平衡關(guān)系。橫坐標(biāo)表示混合工質(zhì)中R23的質(zhì)量百分含量，縱坐標(biāo)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的泡點溫度和露點溫度可以通過與縱坐標(biāo)平行的線段進行分析;不同溫度的氣相和液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以通過與橫坐標(biāo)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(dāng)R600a和R23混合工質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7∶3時，在冷凝壓力2.0 MPa混合工質(zhì)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(zhì)溫度為110℃，則混合制冷工質(zhì)在壓縮機出口呈過熱單一的氣體狀態(tài)，混合氣體工質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為70%和30%。

表3混合制冷工質(zhì)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(zhì)氣體在冷卻介質(zhì)(水或空氣)的作用下溫度逐漸降低，當(dāng)達到80.31℃時，開始有混合工質(zhì)液滴析出。開始出現(xiàn)的液滴并不是純凈的R600a工質(zhì)，其中R600a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為94.79%;R23的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.21%。隨著溫度逐漸降低，混合工質(zhì)氣體逐漸冷凝為液體，所冷凝的液體中R23的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增多，R600a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少。在80.31℃到22.89℃之間為混合制冷工質(zhì)逐漸冷凝的過程，到22.89℃混合工質(zhì)全部冷凝為液體。最后冷凝的液滴并不是純凈的R23工質(zhì)，其中R600a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.51%;R23的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82.49%。混合液體工質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為70%和30%，整個冷凝過程液相中R23的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸由5.21%增加到30%，液相中R600a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸由94.79%減小到70%;氣相中R23的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸由30%增加到82.49%，氣相中R600a的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸由70%減小到17.51%。兩種工質(zhì)始終處于混合狀態(tài)，很難達到完全分離。

當(dāng)溫度進一步降低時，混合工質(zhì)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(zhì)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(zhì)在流動過程冷凝時處于湍流狀態(tài)，大量的液體混合工質(zhì)里面仍然夾雜有少量不凝性氣泡。

2 傳熱分析及設(shè)計計算

根據(jù)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(zhì)量混合制冷工質(zhì)的冷凝熱量:623.08－278.47=344.61 kJ/kg，制冷工質(zhì)質(zhì)量流量:9.791 g/s，套管式冷凝器的冷凝負(fù)荷:1610 W，其中冷卻段的負(fù)荷:768.8 W，冷凝段的負(fù)荷:841.2 W?；旌瞎べ|(zhì)換熱系數(shù)按照冷卻段和冷凝段分別計算。

冷卻段混合工質(zhì)都為氣體狀態(tài)，從110℃冷卻到80.31℃工質(zhì)狀態(tài)不變?；旌现评涔べ|(zhì)在水平光管內(nèi)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(nèi)管9.52×0.813 mm，外管19.1×0.889 mm。冷卻水換熱系數(shù)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(zhì)冷卻冷凝，滿足制冷工質(zhì)在系統(tǒng)中循環(huán)使用的要求?；旌现评涔べ|(zhì)冷凝與單一制冷工質(zhì)冷凝不同，是一個變溫過程。溫度滑移使制冷工質(zhì)的物性也隨著溫度的變化而變化，采用混合制冷工質(zhì)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(zhì)的物性參數(shù)。

3 實驗研究

混合工質(zhì)冷凝受實驗環(huán)境限制，本文對混合工質(zhì)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(yīng)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(yīng)地升高，特別是前半小時變化比較顯著。當(dāng)水流量最小時，冷凝溫度也最高，對應(yīng)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(fù)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(xiàn)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(dāng)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(nèi)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(dāng)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(dǎo)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(shù)較大，使制冷工質(zhì)在節(jié)流前已經(jīng)充分冷凝，從而導(dǎo)致同一制冷工質(zhì)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(zhì)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(dāng)水流量為12.5 L/h時，壓縮機排氣溫度在2 h內(nèi)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(dāng)系統(tǒng)運行穩(wěn)定后冷凝器的負(fù)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(cè)溫度逐漸下降，使部分高沸點制冷工質(zhì)R600a沉積在換熱器管道中，使系統(tǒng)制冷工質(zhì)循環(huán)量減小，最終導(dǎo)致排氣量減小，制冷量下降，系統(tǒng)COP降低。

4 結(jié)論

混合制冷工質(zhì)冷凝是一個復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程，涉及到相變傳熱、氣液平衡等工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)的相關(guān)知識。工質(zhì)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(fù)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(zhì)冷凝時的過程機理。針對套管式冷凝器的具體設(shè)計過程，通過詳細(xì)的計算過程得到了換熱器的具體尺寸。

混合工質(zhì)冷凝中后期制冷工質(zhì)處于氣液兩相狀態(tài)，工質(zhì)在套管間流動容易出現(xiàn)積液、氣液分離、死體積等現(xiàn)象，還會引起氣體和液體工質(zhì)流速差別較大等不良情況，所以本文選取制冷工質(zhì)在內(nèi)管流動，冷卻水在套管間流動?；旌现评涔べ|(zhì)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(zhì)冷凝。為了與壓縮機排氣管的直徑相匹配，換熱器內(nèi)管直徑相對較小，套管換熱器長度相對比較大。在設(shè)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(shè)備運行初期階段冷凝負(fù)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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