劉 斌 石勝?gòu)?qiáng) 劉昊東
(1 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津商業(yè)大學(xué) 天津 300134)
(2 北京航空航天大學(xué) 北京 100191)
節(jié)流制冷效應(yīng)(Joule-Thomson 效應(yīng))是指在絕熱和不對(duì)外做功的條件下,高壓氣體經(jīng)過(guò)多孔物質(zhì)或小孔實(shí)現(xiàn)節(jié)流膨脹(從高壓變?yōu)榈蛪?使氣體溫度下降的過(guò)程[1]。當(dāng)前采用單純工質(zhì)或共沸工質(zhì)的單級(jí)蒸汽壓縮循環(huán)一般只能到達(dá)約233 K,無(wú)法滿足對(duì)于深冷溫區(qū)(80—233 K)的需求;而采用多級(jí)壓縮或多級(jí)復(fù)疊獲得更低溫度制冷又會(huì)出現(xiàn)制冷效率低、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備成本高、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用大等問(wèn)題[2]。近年來(lái),多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷技術(shù)迅速發(fā)展,成為現(xiàn)階段深冷的常用方式之一,被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工國(guó)防、低溫醫(yī)療、冷凍干燥等諸多領(lǐng)域。由于體積小、質(zhì)量輕,目前在新型冠狀病毒疫苗(2019-nCoV vaccine)的存儲(chǔ)和運(yùn)輸上更是有著廣闊的應(yīng)用前景。
一次節(jié)流制冷循環(huán)系統(tǒng)是多元混合工質(zhì)節(jié)流制冷循環(huán)實(shí)現(xiàn)方式之一,所謂一次節(jié)流是指所有混合工質(zhì)經(jīng)過(guò)同一個(gè)節(jié)流閥節(jié)流制冷。由于僅靠回?zé)崞骰厥绽淞?因此結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單從而吸引了諸多學(xué)者的目光,如華南理工大學(xué)的龐偉強(qiáng)等[3]通過(guò)搭建一套小型節(jié)流制冷系統(tǒng)研究了混合工質(zhì)一次節(jié)流兩相壓降及傳熱,并首次將高效、緊湊的釬焊板式換熱器用于混合工質(zhì)的回?zé)徇^(guò)程。浙江大學(xué)的王勤等[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論對(duì)一次節(jié)流制冷循環(huán)進(jìn)行了深入的研究,建立了混合工質(zhì)制冷機(jī)循環(huán)的優(yōu)化模型,得到了切實(shí)可行的優(yōu)化原則。
盡管一次節(jié)流制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但是循環(huán)系統(tǒng)中獲得高效的冷量則需要物性要求較高的混合工質(zhì)。與此同時(shí),通過(guò)優(yōu)化配比可以細(xì)化各種組分在制冷系統(tǒng)中的作用,得到工況下工質(zhì)的最佳配比,從而逐步提高低溫節(jié)流制冷系統(tǒng)的制冷性能,因此研究混合工質(zhì)的成分及其濃度配比舉足輕重。混合工質(zhì)的配比優(yōu)化一般分為兩種方法:一是采用實(shí)驗(yàn)方法優(yōu)化:如M.Q.Gong[5]采用氮?dú)夂吞細(xì)浠衔?CH4/C2H6/C3H8/i-C4H10)組成的混合工質(zhì),對(duì)典型循環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的熱力學(xué)分析,以了解其冷卻定溫?zé)嶝?fù)荷的性能。結(jié)果表明,混合制冷劑是該類混合氣體制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的設(shè)計(jì)參數(shù),不同的循環(huán)配置有不同的最佳混合成分。Wang 等[6]研究組分對(duì)系統(tǒng)性能影響,著重分析循環(huán)冮和單位體積制冷能力。通過(guò)采用氮?dú)?、碳?xì)浠衔?CH4/C2H6/C3H8/i-C4H10/i-C5H1)和其他組分(Ne/CF4) 比較混合工質(zhì)在單級(jí)混合JT 冷卻器(MJTR)和逆布雷頓循環(huán)(RBC)的制冷性能。Zhang 等[7]介紹了一種采用級(jí)聯(lián)制冷系統(tǒng)的冷凍手術(shù)裝置。選用制冷劑混合物R50/R23/R600a 作為工作流體,改變混合物的組成以達(dá)到更低的溫度和更高的容量。低溫探頭的最低溫度可低至-100 ℃,-80 ℃時(shí)可獲得8 W 的制冷量。Lee 等[8]通過(guò)使用Ar/CF4/C3F8研究二元混合工質(zhì)不同配比下達(dá)到混合工質(zhì)冰點(diǎn)的溫度。Reddy 等[9]討論了壓縮機(jī)在冷卻過(guò)程中功率的變化,展示了如何不用氣相色譜儀從J-T 冰箱的冷卻特性來(lái)估計(jì)成分的變化并提出了一種表征J-T型冰箱冷卻特性的新方法。Tzabar等[10]在穩(wěn)定壓力下以類似于純制冷劑的方式實(shí)現(xiàn)混合制冷劑的穩(wěn)定冷卻溫度。二是采用模型算法優(yōu)化:如Floria 等[11]提出了一種基于遺傳算法的魯棒性和可靠性優(yōu)化方法并比較了在負(fù)載溫度和供應(yīng)壓力范圍內(nèi)優(yōu)化后的烴類氣體混合物與不易燃的氫氟碳化物混合物的性能。MaytaL[12]開(kāi)發(fā)了一種能夠模擬操作的數(shù)值模型焦耳-湯姆遜制冷機(jī),其中混合物多達(dá)9 種成分,包括碳?xì)浠衔?不易燃的鹵化制冷劑和惰性氣體。該數(shù)值模型同樣集成了遺傳優(yōu)化算法并在存在不連續(xù)、約束和局部最優(yōu)的環(huán)境下具有很強(qiáng)的收斂能力。Pang 等[13]以COP最大化為優(yōu)化目標(biāo)采用齊次模型計(jì)算混合工質(zhì)優(yōu)化配比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,循環(huán)組成可在±5%的相對(duì)偏差范圍內(nèi)近似調(diào)整到相應(yīng)的最佳循環(huán)組成。Skye[14]通過(guò)一系列的建模、實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化研究循環(huán)性能如何在熱交換器中傳輸過(guò)程的影響,并將這些發(fā)現(xiàn)整合到一個(gè)可用于混合優(yōu)化的經(jīng)驗(yàn)調(diào)整模型中。
在選擇不同的純工質(zhì)進(jìn)行混合時(shí)需要考慮到兩個(gè)方面:一是安全性,即工質(zhì)混合后化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)穩(wěn)定:無(wú)腐蝕、無(wú)反應(yīng)、不易燃燒、無(wú)毒或低毒、三相點(diǎn)溫度低于目標(biāo)溫度。二是環(huán)境友好型,盡可能選擇ODP(臭氧消耗潛能值)和GWP(溫室效應(yīng)潛能值)較小的純制冷劑。
通常情況下根據(jù)常壓下的沸點(diǎn)混合工質(zhì)的組分可以分為3 類:低溫(常溫沸點(diǎn)≤-80 ℃)、中溫(常壓沸點(diǎn)在-80— -30 ℃)、高溫(常壓沸點(diǎn)在-30—30 ℃)。表1 所示為部分純工質(zhì)的分類,結(jié)合試驗(yàn)運(yùn)行工況以及安全性和環(huán)保性,低溫工質(zhì)采用R14,高溫工質(zhì)采用R600A,加入一些R22 或R134A 作為中高溫組元,因此研究對(duì)象四元混合工質(zhì)的組成可以有R14/R23/R22/R600A 和R14/R23/R134A/R600A 這兩種選擇。
表1 部分純工質(zhì)的分類Table 1 Classification of partial pure working substance
對(duì)于最佳摩爾濃度配比,采用Floria[11]以及Maytal[12]等提出的遺傳算法進(jìn)行四元混合工質(zhì)的優(yōu)化。為探討該算法對(duì)于混合工質(zhì)優(yōu)化的可靠性,首先選擇3 種案例進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,并將優(yōu)化結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)值比較,結(jié)果如表2 所示。對(duì)于案例1,N2/R170/R290 的摩爾濃度相對(duì)于文獻(xiàn)值相差分別為4.1%/43.75%/3.1%,這其中N2的摩爾濃度優(yōu)化后減少3.2%,而與此同時(shí)中溫和高溫組元R170 和R290 摩爾濃度則分別增加了2.8%和0.4%。這其中R170優(yōu)化后的濃度高于文獻(xiàn)值,在壓力上更具有一定優(yōu)勢(shì)。對(duì)于案例2,R11/R12/R13/R14 的摩爾濃度相對(duì)于文獻(xiàn)值相差分別為0.2%/49.7%/63.5%/8.2%,優(yōu)化結(jié)果和文獻(xiàn)值存在著較大偏差,R14 也僅有3.94%。但其實(shí)兩者中溫組元的濃度之和并沒(méi)有太大改變,因此最終得到的制冷系數(shù)相差不大,且優(yōu)化后的COP值高出2%。對(duì)于案例3,N2/R50/R170/R290/R600A 的摩爾濃度相對(duì)于文獻(xiàn)值相差分別為12%/4.4%/75.8%/40.7%/8.6%,低溫工質(zhì)略有減少但中高溫工質(zhì)卻得到提高,且優(yōu)化后的COP值也相對(duì)更高。
表2 混合工質(zhì)配比優(yōu)化結(jié)果對(duì)比[15]Table 2 Comparison of optimization results of mixed refrigerants concentration ratio[15]
從3 個(gè)案例來(lái)看采用遺傳算法優(yōu)化得到的混合工質(zhì)摩爾濃度配比以及COP結(jié)果具有較高的可靠性。因此采用該方法對(duì)上述選擇的兩種四元混合工質(zhì)進(jìn)行摩爾濃度配比優(yōu)化,并得到研究工況下的最優(yōu)配比,以下簡(jiǎn)稱分別為MR 1(Mixed Refrigerant 1):26.67 mol%R14/17.49 mol%R23/11.86 mol%R22/43.98 mol% R600A;MR 2 (Mixed Refrigerant 2):26.46 mol%R14/19.96 mol%R23/5.41 mol%R134A/48.17 mol%R600A。
研究所采用的混合工質(zhì)一次節(jié)流制冷系統(tǒng)是利用聚氨酯保溫的超低溫冰箱。其主要由低背壓壓縮機(jī)、翅片管式空氣冷卻器、盤管式回?zé)崞?、?jié)流閥(毛細(xì)管)、蒸發(fā)器(管式換熱器)及50 L 的箱體組成,圖1所示混合工質(zhì)一次節(jié)流制冷循環(huán)示意圖和實(shí)物圖。由圖1 可見(jiàn):混合工質(zhì)首先在壓縮機(jī)中進(jìn)行壓縮,然后進(jìn)入空氣冷卻器中與環(huán)境溫度進(jìn)行熱量交換,冷卻后接著進(jìn)入干燥過(guò)濾器干燥,出干燥過(guò)濾器后與從蒸發(fā)器流出的低壓混合工質(zhì)在回?zé)崞髦羞M(jìn)行熱量交換。在回?zé)崞髦懈邏汗べ|(zhì)溫度得到降低同時(shí)蒸發(fā)器流出的低壓混合工質(zhì)溫度升高,出回?zé)崞骱蟮墓べ|(zhì)經(jīng)毛細(xì)管實(shí)現(xiàn)節(jié)流,并進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行溫度交換,再進(jìn)入回?zé)崞鬟M(jìn)行回?zé)?最后進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮,如此構(gòu)成一次循環(huán)。
圖1 混合工質(zhì)一次節(jié)流制冷循環(huán)圖Fig.1 Diagram of primary throttling refrigeration cycle of mixed working medium
結(jié)合圖1 所示的混合工質(zhì)一次節(jié)流制冷循環(huán)實(shí)物圖,通過(guò)大量的預(yù)實(shí)驗(yàn)從而選定制冷系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)如下表3 所示。
表3 實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)Table 3 Experimental working condition parameters
圖2 所示為兩種混合工質(zhì)(MR 1 和MR 2)的等溫節(jié)流效應(yīng)和積分節(jié)流效應(yīng)隨溫度升高發(fā)生變化的曲線。由圖2 可見(jiàn):隨著溫度的升高,對(duì)于等溫節(jié)流效應(yīng),二者均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。起初在180 K 時(shí)MR 2 的等溫節(jié)流效應(yīng)為54.0 kJ/kg,MR 1的等溫節(jié)流效應(yīng)為46.8 kJ/kg 且當(dāng)溫度低于210 K時(shí)MR 2 的等溫節(jié)流效應(yīng)高于MR 1。當(dāng)溫度大于210 時(shí),MR 1 等溫節(jié)流效應(yīng)超過(guò)了MR 2 并在242.4 K時(shí)呈現(xiàn)最強(qiáng)的制冷能力,隨后緩慢下降。而在中溫區(qū)間(210—242.4 K),MR 2 系統(tǒng)呈現(xiàn)了較弱的制冷能力,在224.8 K 達(dá)到最高值,隨后兩者的降溫曲線也開(kāi)始逐漸接近。
圖2 MR 1 和MR 2 的等溫節(jié)流效應(yīng)和積分節(jié)流效應(yīng)圖Fig.2 Isothermal throttling effect and integral throttling effect of MR 1 and MR 2
無(wú)論是R14 還是R23,MR 2 中發(fā)生相變所需溫度以及積分節(jié)流效應(yīng)溫度都低于MR 1。MR 2 中的R14 在194.4 K 時(shí)發(fā)生相變,積分節(jié)流效應(yīng)的溫度為26.4 K;R23 在261.6 K 發(fā)生相變,積分節(jié)流效應(yīng)的溫度為54.0 K。與此同時(shí),MR 1 中的R14 在199.2 K發(fā)生相變,積分節(jié)流效應(yīng)的溫度為29.4 K;R23 在264 K發(fā)生相變,積分節(jié)流效應(yīng)的溫度為54.0 K,以下將結(jié)合該圖隨溫度變化進(jìn)行分析。
圖3 所示為MR 1 和MR 2 制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)的吸氣和排氣溫度隨時(shí)間變化的曲線。由圖3 可見(jiàn):在MR 1 系統(tǒng)中,當(dāng)制冷機(jī)開(kāi)啟后,壓縮機(jī)吸氣溫度在2.5 min 中內(nèi)從一開(kāi)始的23.0 ℃降低到12.6 ℃,并在吸氣溫度達(dá)到最低后在0.5 min 內(nèi)迅速回升到18 ℃。之后升溫逐漸緩慢并在40 min 后穩(wěn)定在26.0 ℃。而對(duì)于壓縮機(jī)的排氣溫度在2 min 到3 min中內(nèi)溫度有些許下降(相對(duì)于一開(kāi)始的26 ℃下降了0.6 ℃),之后排氣溫度逐步增加并在55 min 后逐步穩(wěn)定在55.0 ℃附近。對(duì)于MR 2 系統(tǒng),當(dāng)制冷機(jī)開(kāi)啟后,壓縮機(jī)吸氣溫度一開(kāi)始基本維持不變(僅在1.5 min 到2 min 內(nèi)溫度下降了0.9 ℃),之后吸氣溫度隨著時(shí)間緩慢升高并在64 min 中逐步穩(wěn)定在28.8 ℃。相較于MR 1系統(tǒng),MR 2系統(tǒng)壓縮機(jī)的排氣溫度并無(wú)下降,而是逐步增加并在75 min 后逐步穩(wěn)定在55 ℃附近。
圖3 MR 1 和MR 2 壓縮機(jī)吸氣溫度和排氣溫度隨時(shí)間變化圖Fig.3 Variation of suction and exhaust temperature with time for MR 1 and MR 2 compressors over time
對(duì)于兩種不同混合工質(zhì)來(lái)說(shuō)壓縮機(jī)吸氣和排氣總體溫度變化趨勢(shì)較為相似,且MR 2 系統(tǒng)的壓縮機(jī)排氣溫度最終同MR 1 的試驗(yàn)結(jié)果近乎一致。但對(duì)于MR 2 系統(tǒng),總體穩(wěn)定時(shí)間較晚,制冷系統(tǒng)的工況參數(shù)也較為穩(wěn)定。
圖4 所示為混合工質(zhì)MR 1 和MR 2 節(jié)流制冷過(guò)程中壓縮機(jī)吸氣壓力和排氣壓力變化曲線。由圖4可見(jiàn):對(duì)于MR 1 系統(tǒng),制冷機(jī)啟動(dòng)后,壓縮機(jī)的吸氣壓力在5 min 內(nèi),從一開(kāi)始的0.55 MPa 迅速降低至0.10 MPa 并一直維持恒定,而排氣壓力在7 min內(nèi)快速升高至3.00 MPa 并隨著制冷系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行排氣壓力開(kāi)始逐漸下降,在達(dá)到目標(biāo)溫度后排氣壓力最終穩(wěn)定在2.60 MPa,相比于最高排氣壓力下降了13.3%。對(duì)于MR 2 系統(tǒng),制冷機(jī)啟動(dòng)后,壓縮機(jī)的吸氣壓力降壓更快,在2 min 中內(nèi)從一開(kāi)始的0.60 MPa 降至0.10 MPa 并維持穩(wěn)定。與此同時(shí),壓縮機(jī)的排氣壓力在9 min 中內(nèi)升高至2.74 MPa,隨著系統(tǒng)的繼續(xù)運(yùn)行,排氣壓力又逐步降低,并最終維持在2.30 MPa,相比于最高排氣壓力下降了16.1%。
圖4 混合工質(zhì)MR 1 和MR 2 節(jié)流制冷系統(tǒng)壓力變化圖Fig.4 Diagram of pressure variation of mixed working medium MR 1 and MR 2 throttle refrigeration system
總體而言,兩種系統(tǒng)的壓縮機(jī)吸氣壓力和排氣壓力變化趨勢(shì)相似且二者吸氣壓力均隨時(shí)間變化降至0.10 MPa。但相較于MR 1 的壓縮機(jī)吸氣和排氣試驗(yàn)結(jié)果,MR 2 整體排氣壓力更低,相較于最高排氣壓力下降幅度也更大。
圖5 所示為MR 1 和MR 2 制冷系統(tǒng)箱內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線。由圖5 可見(jiàn):對(duì)于MR 1 系統(tǒng),制冷機(jī)啟動(dòng)后,箱體內(nèi)的溫度由起初的15.6 ℃逐漸下降。161 min 后,制冷系統(tǒng)穩(wěn)定在-73.8 ℃。與此同時(shí)降溫速率在前6 min 內(nèi)逐漸增大,6 min 時(shí)達(dá)到最大值為2.30 ℃/min,之后降溫速率逐漸下降,這是因?yàn)楫?dāng)節(jié)流前混合工質(zhì)的溫度高于264 K 后,MR 1 的積分節(jié)流效應(yīng)逐漸減小,這時(shí)箱體內(nèi)空氣與蒸發(fā)器的換熱溫差降低使得制冷系統(tǒng)的降溫速率減小。
圖5 MR 1 和MR 2 制冷系統(tǒng)箱內(nèi)溫度隨時(shí)間變化圖Fig.5 Diagram of temperature variation with time in chamber of MR 1 and MR 2 refrigeration systems
對(duì)于MR 2 制冷系統(tǒng),開(kāi)機(jī)164 min 后,箱體內(nèi)的溫度由一開(kāi)始的17.4 ℃降到了-76.1 ℃并保持穩(wěn)定。與MR 1 系統(tǒng)一樣都是在第6 min 時(shí)降溫速率達(dá)到最大,最大值為3.05 ℃/min。在開(kāi)機(jī)21 min 后箱內(nèi)溫度達(dá)到-17 ℃時(shí),降溫速率開(kāi)始出現(xiàn)回升現(xiàn)象,這是因?yàn)樵?61.6 K 時(shí)MR 2 制冷系統(tǒng)出現(xiàn)最大等溫節(jié)流效應(yīng),從而混合工質(zhì)的制冷能力最強(qiáng)。短暫的回升之后降溫速率開(kāi)始繼續(xù)降低,這是因?yàn)殡S著制冷溫度的逐步降低混合工質(zhì)的等溫節(jié)流效應(yīng)和積分節(jié)流效應(yīng)都大幅度減小以及環(huán)境的漏熱損失逐漸增大。
比較MR 1 和MR 2,兩種混合工質(zhì)的制冷性能較為相似即兩者箱內(nèi)溫度從環(huán)境溫度降至最終穩(wěn)定溫度都相差不大,且所需要的穩(wěn)定時(shí)間前后也幾乎接近。這主要是因?yàn)閮煞N混合工質(zhì)在成份上不同之處僅是將R134A 替換成R22,在摩爾濃度上相差不大,與此同時(shí)R22 與R134A 的制冷溫區(qū)相接近。結(jié)合圖1 可以看出,由于溫度高于246 K 時(shí),MR 2 的等溫節(jié)流效應(yīng)略大于MR 1,因此初始階段MR 2 的箱內(nèi)溫度降低的更快。
表4 所示為65 ℃下MR 1 和MR 2 這兩種不同混合工質(zhì)的情況對(duì)比。結(jié)合圖5 可知,采用混合工質(zhì)MR 2 作為制冷劑相較于MR 1,相同時(shí)間下達(dá)到的溫度更低。選擇某一溫度(-65 ℃)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn):達(dá)到該溫度,所需降溫時(shí)間略短,制冷量略高,壓縮機(jī)功率略低,而COP略高,更是驗(yàn)證了前面的想法。整體來(lái)看從降溫速度、極限溫度和COP 考慮,MR 2 都略優(yōu)于前者。
表4 65 ℃下兩種不同混合工質(zhì)的制冷能力對(duì)比Table 4 Comparison of refrigerating capacity of two different mixtures at 65 ℃
研究了混合工質(zhì)對(duì)一次節(jié)流系統(tǒng)制冷性能的影響,通過(guò)分析遺傳算法對(duì)混合工質(zhì)物質(zhì)的量濃度及COP的可靠性,從而優(yōu)化四元混合工質(zhì)MR 1 和MR 2 并得到最優(yōu)解:MR 1(26.67 mol% R14,17.49 mol%R23,11.86 mol%R22 和43.98 mol%R600A);MR 2(26.46 mol%R14,19.96 mol%R23,5.41 mol%R134A 和48.17 mol% R600A),并將其作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,通過(guò)研究壓縮機(jī)吸氣、排氣溫度、運(yùn)行壓力以及箱內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化,得出如下結(jié)論:
(1)采用配比為26.67 mol% R14,17.49 mol%R23,11.86 mol% R22 和49.38 mol% R600A 的 混 合工質(zhì),在壓比為2.5/0.1 的情況下,獲得了-73.8 ℃的低溫,降溫時(shí)間為161 min。在到達(dá)-65 ℃時(shí),降溫時(shí)間為107 min,制冷量為25.3 W,壓縮機(jī)功耗為352 W,制冷系統(tǒng)COP為0.072。
(2)采用配比為26.46 mol% R14,19.96 mol%R23,5.41 mol% R134A 和48.17 mol% R600A,的混合工質(zhì),在壓比為2.5/0.1 的情況下,獲得了-76.1 ℃的低溫,降溫時(shí)間為164 min。在到達(dá)-65 ℃時(shí),降溫時(shí)間為103 min,制冷量為25.6 W,壓縮機(jī)功耗為330 W,制冷系統(tǒng)COP為0.078。
(3)從降溫速度、極限溫度、降溫時(shí)間、COP等方面考慮,整體來(lái)看MR 2 制冷系統(tǒng)略優(yōu)于MR 1 制冷系統(tǒng)。