一种五级自动复叠制冷系统的初步试验研究
第32卷第1期
2011年2月
文章■号:0253-4339(2011)01-0028-05
制冷学报
Journal
VoL32,No.JFebruary.2011
ofRefrigeration
DOIJl码:10.3969,j.issn.0253-4339.2011.01.028
一种五级自动复叠制冷系统的初步试验研究
赵巍张海东张华
(上海理工大学制冷技术研究所上海200093)
摘要
提出了一种五级自动复叠制冷循环,根据不同的系统采用不同的制冷工质和不同的混合配比,可以获得不同的蒸
发温度,分析了非共沸混合工质的组分选取原则并选取了组分,探讨了适用于自动复叠制冷系统混合工质计算的方法,根据要求选择了R22、R23、R14、R740和R728五种制冷工质作为系统循环工质,对混合工质的配比进行了模拟计算,得出了理论模拟最优配比并通过试验研究加以比较确定。
关键词热工学:自动复叠制冷;混合工质;组分选取;模拟计算;最优配比中田分类号:TB657;TB61+5文献标识码:A
TheExploratoryResearch
on
MixedRefrigerants
ZhangHua
ofAFive-Stage
AutocascadeRefrigerationSystem
Zhao
Wei
ZhangHaidong
(InstituteofRefrigerationTechnology,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,ShangHai,200093)
AbstractAfive—stageAuto—cascaderefrigerationcycle(ARC)isbroughtforward.Accordingtotheexperiencesthatdifferent
can
systemswithdifferentcomponentsandproportionofmixedrefrigerantscomponentsselectingprincipleofnon-azeotropicmixed—refrigerantsismethodsofmixturesin
resultindifferentevaporatingtemperature,theandthecomponents
as
are
ARCsystem
analyzed
selected.Thecalculated
on
isdiscussed.R22,R23,R14,R740andR728areselectedrefiigerantsinthissystembased
therequestedconditions.Numericalsimulationhasbeendonetogetcomparisonthroughtheexperimentation.
an
optimizationratioofmixture,whichisvalidatedbyfurther
KeywordsAuto-cascaderefrigeration;Mixed-refrigerants;Componentsselecting;Numericalsimulation;Optimizationratio
自动复叠制冷系统采用非共沸混合工质,通
过单台压缩机可以制取--60℃以下的低温,具有结目前,有关ARC循环的混和工质的理论方面
仍处于探索阶段,其组分选择和最佳配比大多依靠试验来确定,操作成本较高。根据前期的设计经验
和实验结果,结合ARC循环的特点,尝试适合本
构简单、高可靠性、长寿命等一系列的优势,并广泛应用于低温电子、低温医学、低温生物、军工、
红外线探测等方面【l,21。一般一40—80℃采用双级自
动复叠制冷系统;一80一-120℃采用三级自动复叠制冷系统;-100一-160℃采用四级自动复叠制冷系统【3】。而制取的温度越低,系统运行的压力越高,对工质选择要求也越高,不仅要考虑其蒸发温度、凝固点温度、化学稳定性、毒性等,而且要考虑到系统运行的稳定性;本文针对为了获得液氮温区的
制冷温度,选择单级压缩、四级分凝、五级复叠制
课题制冷温区的混和工质的确定方法。
1.1混合工质组分的选择
用于ARC循环的非共沸混合工质在循环过程中有其独特性的一面:自动实现各组分的分凝、分
离和混合的过程。
在选取制冷工质要结合其特点进行选择的同时考虑到碳氢化合物的可燃性以及运行压力高等因素,结合液氮温区的制冷温度,选择了符合上述要求的六种工质:R134a、R22、R23、R14、R740、R728,其中不含有碳氢化合物以及被禁用的氟利昂制冷剂,主要热物性质通过NIST模拟以及coolpack软件查得如表1所示。
适用于系统的混合工质存在两种组合:R134a/R23/R14/R740瓜728,R22/R23瓜14瓜740瓜728。这
冷循环作为本课题的方案,如图1所示,在进行进一步的试验研究前的首要问题就是确定混合工质的组分与配比的计算。
1混合工质组分的选择与配比的初步模拟计算
收稿日期:2010年4月21日
一28一万方数据
黼
一种五级自动n_冷张嗍步龇研究崩裟乞J
A压缩机B冷凝器C辅助冷凝器D1一D4汽液分离器El—E5干燥过滤器FI~F6换热器
LI—L5、L1’一L5’毛细管H蒸发器1-27。5’、5”、7’、9’、11’温度测点
圈1实验循环系统圈
Fig.1Thecyclesystemofexperimentation
裹1实验工质的主要热物性参数
Tab.1Themainthermalphysicalparametersoftherefrigerantsintheexperiment
40p
20
遗0
赠・20然-40
∥藿.60r
谴・80
以巴/6多,
..,=t:二>rr一一配比3:7
一配比1:1
一配L匕7:3
..——=.一
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20
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越_40
藿.60
谣-80
∥~∥
矿
..—哆
.。—:i兰=∥,E毫营。一
一配比3:7
一配比1:1一配比7:3
两种配比区别在于高沸点工质分别选用的是R134a和R22。我们通过NIST软件,我们可以拟出两种组合R134a/R23,R22/R23,分别以三种配比3:7、1:1、7:3混合,在不同的压力条件下,所能达到的最低蒸发温度,如下图2、3。
将图5与图6进行比较发现:在某一压力下,
组合R22-R23相对与组合R134a_R23所获的最低蒸
R134“I匕3/R14/R740/R728比较合理。因此选择混
合工质的组分时,不仅仅考虑到各组分的物理、化学性质,沸点相差,热物性等方面的问题,还要综合考虑混合后的饱和蒸汽压力和最低蒸发温度的问题。综上,选择组合R22/R23/R14/R740/R728。
1.2混合工质配}匕的初步拟定
通过相关文献参考【4—12】以及NIST8.0可绘制出混合工质的T—X图,来指导我们预测混合工质配
比。
发温度更低;若从获得最低蒸发温度方面着想,则R22/R23/R14瓜740瓜728更有利但若考虑到高压侧的饱和蒸汽压力,系统循环所采用的混合工质组合万方数据
第32卷gig制冷学报
V01.32,No・J
!!!!垒!旦
生竺竺!型墨型塑竖竺竺
一—————』丝竺匕丝坚
质量分数(argon)
圈4R740-R728汽液相平衡图
Fig.4
Thevapor—liquidphaseequilibriumofR740一R728
根据设计达到的温度要求,预测汽液分离
器D4的温度为一143℃。如图4R740一R728在高
压2.2MPa和低压0.35MPa下的汽液相平衡图,2.2MPa下气液相饱和线与一143℃等温线相交与A,B两点,A点的质量浓度为46.2%,B点的质
量浓度为54.5%,显然R740/R728的合理质量比
是在两者之间。同时考虑到在0.35MPa的条件下达到液氮温区的低温(设定所需要的最低温度为一180℃,图中一180℃等温线与0.35MPa等饱和
液相线相交,得到交点C,对应的浓度为51.8%,
此浓度在合理质量比之间,结合实验经验暂且设
定配比为l:1,综合拟定出配}=LR22/R23/R14/R740/
R728;40/20/20/10/10。
2试验结果与分析
试验中,采用的压缩机为泰康TFH2480Z—T低温压缩机,能适应高温高压缩比等恶劣环境,为试验的顺利进行提供了良好的条件,设计压力高压为2.2MPa,低压为0.35MPa,在环境温度30"C左右条件下,分别充注制冷剂R22、R23、R14、R740、
R728,并结合上述拟定的配比,控制组分和配比
的情况下进行不断的反复实验调试,得到如下的测
试结果:
从图5中可以看到压缩机从启动到运行稳定的整个过程中吸排气压力及温度的变化情况。压缩机开机瞬间排气压力迅速升高至最高压力,达到3.1MPa,之后逐渐降低,直至稳定。主要原因是:压缩机刚启动时,停机阶段滞留在系统内的工质已全部气化,而刚开机时制冷剂不能迅速冷凝,流经毛细管的制冷剂主要为气体,制冷剂的流量较小,因此大部分制冷剂迅速集中到冷凝器内,使系
统排气压力较高。
随着流经冷凝器及各换热器的制冷剂被部分
冷凝,系统中制冷剂的流量逐渐增大,排气压力
逐渐降低,制冷循环逐渐趋于平衡,最终稳定在万方数据一30—
2.0MPao
而吸气压力在开机状态下迅速下降,这是因为吸气腔气体排出,高压通道中的气体通过毛细管节流,进入低压通道有一定的时间延迟,导致吸气腔气体减少,压力下降,甚至负压状态。随着系统降温过程的进行,不断的有气体回到压缩机,压力
回升,最后稳定在0.21MPa。
一吸气温度一排气温度一吸气压力
一排气压力
日
复
p\醚赠
、、
R
出
圈5压缩机吸排气瀑度及压力曲线(圈中横坐标每扫描一次时问间隔为30秒)
Fig.5Thetemperatureandpressure
curves
ofthe
compressorsuctionandexhaustalongwithscanningtimes
(scanningintervalis30seconds)
通过这样一个过程分析我们发现压缩机的吸排气压力均与设定值存在一定误差,其中排气压力误差较小,比较合理,吸气压力相对误差较大,勉强接受,实验中还有待改进;同时还注意到:吸排气温度与压力密切相关,并最终分别稳定在122℃、7"C,同样为自动复叠制冷循环领域的相关研究提供了依据和参考。
由图6可以看出整个降温过程并不是同时进行的,存在先后顺序。开机后,毛细管L1、L2、L3就开始迅速降温,而毛细管L4、L5先有一个缓慢过程,之后再进入快速降温过程。分析原因是随着毛细管L1,L2,L3开始降温,回流温度也随之降低,这意味着进入换热器F1、F2、F3的低压流体温度也越来越低,从而有效的降低了各级换热器的冷凝温度。冷凝温度降低,则气液分离器中液体的组分会随之发生一定的变化,气液分离器E4底部液体中R740的含量有了增加,毛细管L4节流后的温度随之降低,同时降低了其高压通道中的制冷工质,随之毛细管L5节流后的温度下降,降温过程存在一定的时间递进,因此各毛细管的节流温度会有一个时间差。根据降温特点把降温过程分为四个阶段:延迟段、快速段、慢速段、稳定调整段。系统刚开机后各级换热器逐级冷却,冷量传递到最
一L1节流后温度一L4节流后温度待斟酌,可能出现了尺寸偏小导致个别状态点制冷一L2节流后温度一L5节流后温度
~L3节流后温度
剂分离过程不是很理想,或者通过受阻;
10
3)系统的换热器、压缩机等部件的匹配问题,导致低温工质R740、R728最终不能很好的冷
凝。
o。40\
接下来的实验可考虑采用真空筒技术进行有蜊赠-90
效保温,加强保温效果,进一步将系统各部件进行合理的设计优化,以达更好的匹配,提高成效。
.140
3结束语
图6各级毛细管节流后温度曲线介绍了所搭建的五级自动复叠制冷系统,并(圈中横坐标每扫描一次时间间隔为30秒)
讨论了其混合工质的组分选取,结合系统实际情况Fi96.Thethrottlingtemperaturecurve
ofeachcapillary
分析了如何对混合工质组分加以选择,以及给出了
alongwithscanning
times(scanninginterval
is30seconds)
多组分工质配比的拟定方法,通过利用NIST8.0软
件,对混合工质热物性质,配比等参数进行了模拟后一级热交换器F6需要一段时间差,在这一段时间里,毛细管L4、L5入口处工质完全是气态或干计算,并得到了可以接受的一种混合工质配比,提出了对其进行模拟计算的思路与参考模式,在混合度较大的气液混合物,节流之后的温度变化很小,
工质最佳配比的探索方面提供了可行的方法。在环这一阶段称之为延迟段,扫描仪扫描次数0—45,
境温度30℃下通过大量的试验调试,分析了压缩机而此时毛细管L1、L2、L3已经进入快速降温段。的运行特性,系统的降温特性,并对模拟计算结果扫描次数45—100,由换热器F1冷凝产生的R22冷凝液可以完全封住毛细管L1,换热器F2冷凝产生的
与实验结果进行了比较,提出了存在的问题与取得的进展,为更进一步研究自动复叠制冷循环提供了R23冷凝液可以全部或部分的封住毛细管L2,换热
实验数据参考与借鉴。
器F3冷凝产生的R14冷凝液可以部分的封住毛细管L3,导致了节流温度迅速下降,从而回流温度也
(本文受上海市重点学科建设项目(No.¥30503)资助。
随之下降,为高压通道提供了更多的冷量,毛细
The
projectwassupporedbyShanghaiLeadingAcademic
管L4、L5节流后的温度也会迅速下降。扫描次数Discipline
projeet(No.¥30503).)
100—300,进入缓慢降温段,毛细管L4、L5节流后的温度缓慢下降。最后进入了稳定调整段,系统中参考文献
各个状态点的参数基本稳定。同时发现:随着温度[1】GosneyW
B.Principlesof
refrigeration[M].Cambridge
的下降,毛细管L4、L5节流后的温度有较大的波UK:CambridgeUniversityPress,1982.
动。我们认为存在以下种可能:一种可能是温度越【2】PerkinsJ.Improvements
intheapparatusandmeansfor
低,系统的保温效果越难达到要求;还有一种可能producingice,andcoolingfluids[P].Great
BritishPatent,
是气液分离器中工质流动不稳定,导致了温度的波
6,662(1834).
[3】WalkerG.Crycoolers,Patti:Fundamentals[M].New
动。
York:PlenumPress,1983.试验中,毛细管L1、L2、L3、L4、L5节流后
[4】LittleW
A.Designandconstructionofmicro
的温度分别稳定在-49"C、-80℃、一99℃、-111℃miniaturecryogenicrefrigerators[C]//FutureTrendsin
、一134℃,毛细管L1、L2节流后的温度可以达到Superconductiveelectronics.AIPConferenceProceeding,CharlottesvilleUSA.1977.421-424.
要求,毛细管L3、L4、L5节流后的温度与设计所【5】陆朝云.混合工质自动复叠制冷循环的理论及试验研
要达到的温度仍然有一定的差距。
究【D】.上海:上海理工大学.2000.(Lu
Chaoyun.The
经分析,结合液氮温区这样一个温度要求,
research
on
theoryandexperimentofauto-cascade
可能是:
refrigerationcycle、加tllmixed-refrigerants[D].Shanghai:
1)系统没有进行有效保温,导致了漏热比较USST,2000.)
【6】王国栋.非共沸混合制冷工质自动复叠制冷系统的特
大,节流效果变差,温度无法下降到理想状况;
性及应用研究【D】.上海:上海理工大学,2002.(Wang
2)系统中各级气液分离器的尺寸及设计还有
Guodong.Theresearch
Oil
applicationandcharactersof
万方数据
第32卷第1期
制冷学报
VoL32,No.』
兰壁!!生兰旦
生竺竺型型墨堑!呈!型2竺
丝!竺苎垡呈2丝
auto’。cascaderefrigerationsystemwithnon’’azeotropic
mixed-refrigerants【D】.Shanghai:USST,2002.)
[7】陆向阳.三级自动复叠制冷循环的实验研究【D】.上海:上
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stageauto—cascaderefrigeration
cycle[D].Shanghai:USST,2004.)【8】
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Experimentalstudy
on
a
four。。stageauto‘。cascaderefrigeration
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刘红绍.单级与自动复叠耦合的制冷系统的试验研究[D】.上海:上海理工大学,2008年.(Liu
Hongshao.
Experimentalstudy
on
one‘‘stagecouplewithauto。。
cascaderefrigeration
system[D].Shanghai:USST,2008.)
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withR22/R23
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Hongshao,Xiao
Chuanjing,Zhang
Hua.Experimentalstudy
on
R600a/R23auto—cascade
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system[C]//Chinese
associationof
万方数据
--—-32・—一
refrigerationconferenceproceedings,2007.)
[12】肖传晶,刘红绍,张华.一种四级自动复叠制冷循
环的试验研究【c]//中国制冷学会2007学年年会论文集,2007.(XiaoChuanjing,LiuHongshao,Zhang
Hua.Experimentalstudy
on
a
f.0ur—stageauto-cascade
refrigerationsystem[C]//Chineseassociationofrefrigerationconferenceproceedings.2007.)
作者筒介t
张海东,男(1984-),硕士研究生(在读),上海市杨浦区军工路516号上海理工大学能源与动力工程学院制冷技术研究所,200093,(021)55275542,E—mail:zhd0827@sohu.com。主要研究方向有:制冷与低温新技术,自动复叠制冷系统的设计应用等方面的研究。
Abouttheauthor:
ZhangHaidong(1984一),mail,MasterDegree,Instituteof
RefrigerationTechnology,Schoolof
Energy&Power
Engineering,USST,516撑,JungongRoad,Yangpuqu,
Shanghai,China,200093,(021)55275542,E—mail:
zhd0827@sohu.com。Researchfields:thenewtechnology
ofrefrigerationandcryogenics,theresearch
on
applicationof
ARCsystem,ete.
一种五级自动复叠制冷系统的初步试验研究
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
赵巍, 张海东, 张华, Zhao Wei, Zhang Haidong, Zhang Hua上海理工大学制冷技术研究所 上海200093制冷学报
Journal of Refrigeration2011,32(1)2次
参考文献(12条)
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10. 陆向阳;张华 R22/R23自动复叠制冷循环的特性研究[期刊论文]-低温工程 2004(06)11. 刘红绍;肖传晶;张华 R600aR23自动复叠制冷系统试验研究 200712. 肖传晶;刘红绍;张华 一种四级自动复叠制冷循环的试验研究 2007
引证文献(2条)
1. 赵巍. 张华. 肖传晶. 刘红绍. 刘瑞希 环保制冷剂R290在四级自动复叠制冷系统中的应用[期刊论文]-低温工程 2013(1)2. 赵巍. 张华. 刘瑞希. 肖传晶. 张书春 一种四级自动复叠制冷系统混合工质组分选取及配比研究[期刊论文]-制冷学报 2013(5)
引用本文格式:赵巍. 张海东. 张华. Zhao Wei. Zhang Haidong. Zhang Hua 一种五级自动复叠制冷系统的初步试验研究[期刊论文]-制冷学报 2011(1)