－60℃水冷自复叠制冷系统研究

杨永安杨昭刘 斌

(1天津大学热能研究所 天津 300072;2天津市制冷技术重点实验室天津商业大学 天津 300134)

－60℃水冷自复叠制冷系统研究

杨永安1，2杨昭1刘 斌2

(1天津大学热能研究所 天津 300072;2天津市制冷技术重点实验室天津商业大学 天津 300134)

提出一种新型水冷自复叠制冷循环方式，用冷凝分离器代替传统循环的冷凝器和相分离器，在冷凝分离器中同时完成了高沸点工质的冷凝及高沸点工质与低沸点工质的分离。对采用这种冷凝分离器的水冷自复叠制冷循环方式的R22/R23、R290/R170、R134a/R23、R134a/R170四种工质对进行了循环特性研究。在自行搭建的水冷自复叠制冷系统实验台上进行了

混合工质；自复叠；制冷循环；冷凝分离器

自复叠制冷机(Auto-cascade Refrigerator，简称ACR)用单台压缩机压缩由两种或两种以上纯工质组成的工质对，用富含高沸点组分工质的蒸发吸热冷凝富含低沸点组分工质，当富含低沸点组分工质蒸发时实现低温制冷，具有系统简单、压缩比低、制造成本低等优点。

1936年，Walter JPodbielniak[1]首次提出了带气液分离器的自复叠循环。Ruhemann M[2]以R22/R13为工质对，制冷温度达到－65℃。PB Kennedy等[3]提出带精馏的自复叠循环。柴可夫斯基·库兹涅夫等[4]以R12/R13为工质对，实现了单级压缩一次分凝的自复叠制冷循环。当蒸发压力为0.1MPa、压缩比为11时，得到了－80℃的蒸发温度。Tchaikovsky V F[5]采用双级压缩、一次分凝的自复叠循环，以R12/R13为工质对，当环境温度为25℃时达到了－96℃的最低蒸发温度。Albert TMyre等[6]采用最简单的重力分离方式将自复叠制冷系统应用于环境实验箱中，高沸点工质使用R12、R22、R502，低沸点工质使用R13、R503。系统运转1 h，箱内温度达到－68℃。Kruse H等[7]对采用 R12/R13、R22/R13 和R12/R13B1为工质对的自复叠制冷循环进行了数值模拟计算，得到了自复叠工质对的标准沸点相差越大，循环的COP越高的结论。Kiyoshi Sakuma等[8－9]采用R12/R13工质对，R12在－30℃蒸发，R13在－81℃蒸发。在系统启动时，可以在较宽的制冷温度区间提供更大的冷量。李文林等[10]以R13/R12为工质对，在容积为70 L的低温箱中得到了－55℃的温度，COP为11.4%。陈光明等[11－18]用填料式精馏塔代替气液分离器，进行了一系列研究，提出了变浓度自复叠制冷系统。

本文采用了一种新型水冷 ACR循环(Watercooling Auto-cascade Refrigeration，简称WACR)，用冷凝分离器替代了传统的风冷冷凝器和分离器，压缩后的混合工质直接进入冷凝分离器中进行冷凝和分离。本文对由R22/R23、R290/R170、R134a/R23、R134a/ R170四种工质对进行了循环特性分析研究，并用R22/R23、R134a/R23两种工质对进行了实验研究。

1 理论分析

1·1 WACR循环

WACR循环原理见图1，压焓图见图2。

图1 水冷自复叠制冷系统原理图Fig·1 Water-cooled auto-cascade refrigeration cycle(WACR)

图2 水冷自复叠制冷循环压-焓图Fig·2WARCsystempressure-enthalpy diagram

循环过程如下:从冷凝蒸发器出来的高沸点工质蒸气(5)和从蒸发器出来的低沸点工质蒸气(8)混合为二元非共沸混合工质蒸气(1)，进入压缩机压缩至高压的混合气体(2)，然后高压混合工质蒸气进入冷凝分离器中，混合工质放热后冷却，高沸点工质冷凝后流到冷凝分离器下部(3H)，低沸点工质的蒸气冷却后到达冷凝分离器上部(3L)。冷凝分离器低部的高沸点工质经节流阀降压后(4)在冷凝蒸发器中吸收低沸点工质蒸气放出的冷凝热而蒸发(5)；冷凝分离器顶部的低沸点工质蒸气从冷凝分离器上部进入冷凝蒸发器中，向高沸点工质放热后冷凝(6)，节流降压后(7)进入蒸发器蒸发，产生制冷现象，完成自复叠循环。

1·2 冷凝分离器分离效果的理论分析

冷凝分离器结构简图如图3，可以看出:当高压混合工质蒸气进入冷凝分离器后，由于温度较高和压力作用，气体沿冷凝分离器向“3L”出口运动，最终效果就是使冷凝分离器中高沸点工质的分压力越小越好。当冷却水的温度满足以下3个条件时，混合气体中高沸点工质就会冷凝分离出来，在重力作用下聚集于冷凝分离器的底部:

图3 冷凝分离器结构简图Fig·3 Diagramof condenser phase separator

1)小于该混合气体中高沸点工质分压力所对应的饱和温度；

2)高于低沸点工质的临界温度；

3)低于此压力下混合气体的临界温度。

对于这一个过程，作如下假设:

1)冷凝分离过程阻力可以忽略不计，且为饱和冷凝；

2)冷凝分离出的高沸点工质液体没有聚集在冷凝器表面上，都自由流向冷凝分离器的底部；

3)冷凝分离器内部横截面混合气体分布一致，组分只沿流动方向变化；

4)低沸点工质在上行过程中的显热要远小于高沸点工质的潜热；

5)冷凝分离器横截表面温度分布一致，只在纵轴方向上有变化；

6)冷却水的流量足够大，温度小于高沸点工质的冷凝温度。

基于以上假设，对混合气体上行中的任一段做质量平衡和能量平衡分析，如图4。

图4 冷凝分离器单元分离过程Fig·4 Separation process in condenser-phase separator unit

其中:tW为冷却水进口温度，℃；PH为入口的高沸点工质的分压力，Pa；R为冷凝分离器的半径，m；d L为任意取的单元段，m。

由于过热段和过冷段的换热量都较小，所选择的分析段为凝结段，对这个单元段进行能量及质量平衡分析，可以得到以下方程:

传质方程:

传热方程:

式中:mHc为凝结的高沸点工质量，kg/s；α为质交换系数，kg/(m2·Pa·s)；A为单位体积的凝结面积，m2/m3，与冷凝分离器结构中填料有关的参数；PH为高沸点工质的分压力，Pa；PHs为凝结表面上高沸点工质的分压力，Pa；CW为冷却水的比热，J/(kg·℃)；W为冷却水流量，kg/s；tW为冷却水的温度，℃；rH为高沸点工质在一定温度下的凝结潜热，J/kg；D为冷凝分离器的直径，m。

为了求解冷凝分离器的分离效果，重点求解传质方程。考虑到假设条件第4条，传质方程可以改写为下式:

对传质方程中的mHc的计算如下:

式中:V为流入d L的气体量，m3；RH为高沸点工质气体常数，J/(kg·℃)；tHin、tHout为高沸点工质气体进出d L段时的温度，℃，ts为所对应压力下的饱和温度，℃。对V值可以用下式表达:

式中:v为混合气体流速，m/s；ε为冷凝分离器的流通系数，与冷凝分离器结构有关。

把公式(5)代入公式(4)中可以得:

分别代入公式(1)和公式(2)，有:

对ts可以通过对饱和压力曲线拟合得到相应的方程，以下3个表达式拟合了3种不同的方程:

指数方程:

直线方程:

幂次方程:

当混合气体初始状态为p0时，从假设条件第6条可以知道，在冷凝分离时，可以加大冷却水的流量，使冷凝分离表面的温度尽可能地保持一致，因此方程中的tHs为一定值，等于冷却水温度加上传热温差。对方程求解后就可以得到传质方程的解，高沸点工质的分压力变化为:

如果考虑冷凝管表面的制冷剂液体都进入冷凝分离器的底部，则上述两方程分别可表示为:

如果冷却水的温度低于混合气体中低沸点工质分压力所对应的饱和温度时，这时低沸点工质也将被冷凝分离出来。

经分析结论如下:

1)随着混合气体的速度增大，高沸点工质分离效果越来越差；

2)当冷凝温度达到高沸点工质分压力所对应的饱和温度后，对高沸点工质的冷凝分离效果几乎是不变的；

3)冷凝分离器单位体积凝结面积的越大，分离效果越来越好，且当冷凝分离器其它结构参数一定时，分离段的高度存在着优化值；

4)冷凝分离器的流通系数与冷凝分离器单位体积凝结面积大小相关。当冷凝分离器单位体积凝结面积较大时，冷凝分离器的流通系数将变小，流速变大。

2 不同工质对的循环特性比较

在冷凝分离器优化设计的基础上，对R22/R23、R290/R170、R134a/R23、R134a/R170四种工质对进行了循环特性分析。

2·1 蒸发温度对循环比率的影响

系统的循环比率，即参与循环的高沸点工质与低沸点工质质量流量之比。在4组二元非共沸混合工质中，都是随着蒸发温度的升高而降低，参见图5，计算工况冷凝温度为20℃，EX4回热器无回热，冷凝蒸发器换热温差为2℃时。在系统运行时，随着自复叠制冷系统低沸点工质蒸发温度的降低，低沸点工质的相对参与量会减少，而高沸点工质相对参与量会增加。这是由于低沸点工质蒸发温度较低时，蒸发压力也相应降低，而影响到高沸点工质的蒸发温度相应降低，为满足系统冷凝蒸发器内平衡的需要，高沸点工质必然以提高质量流量的方式满足低沸点工质冷凝。

图5 系统循环比率随蒸发温度的变化曲线Fig·5 Curves of cycling ratio with change of evaporation temperature

2·2 蒸发温度对COP的影响

图6示出当冷凝温度为20℃、冷凝蒸发器换热温差为2℃时，在不同蒸发温度下各二元非共沸混合工质的COP。在相同的工况下，各二元非共沸混合工质的COP由大到小依次为:R22/R23、R290/R170、R134a/R23、R134a/R170。在－74～－60℃蒸发温度区间内，R22/R23组成的二元非共沸混合工质的COP是R134a/R170的1.3倍。R290/R170组成的二元非共沸混合工质的COP虽然比R22/R23的低，但比R134a/R23和R134a/R170高，可贵的是R290 和R170均是自然工质，ODP和GWP值均为0，是二元非共沸混合工质ACR循环的发展方向。

图6 各工质对的理论COP随蒸发温度变化曲线Fig·6 Curves of COPwith change of evaporation temperature

COP随蒸发温度的变化几乎是线性关系，只有R22/R23在－80～－74℃之间曲线表现出非线性，其主要原因是在此温度段中，R22的冷凝温度高于R23在冷凝蒸发器中的的冷凝温度，系统整体冷凝温度被R22提高。

2·3 排气温度

图7为排气温度随蒸发温度的变化曲线，计算条件为冷凝温度为20℃、冷凝蒸发器换热温差为2℃。从图中可以看出，R134a/R23的排气温庶为115℃，R290/R170组成的二元非共沸混合工质ACR循环的排气温度最低，为83℃，这些温度对于普通冷冻润滑油即可满足系统要求。

图7 各工质对的排气温度随蒸发温度变化曲线Fig·7 Curves of discharge temperature with change of evaporation temperature

2·4 压缩比

图8为压缩比随蒸发温度的变化曲线，计算条件为冷凝温度为20℃、冷凝蒸发器换热温差为2℃。由图8可以看出，压缩比由小到大的排序为R290/ R170、R22/R23、R134a/R23、R134a/R170，由于R290/R170压缩比较低，更适用于ACR循环。

图8 各工质对的压缩比随蒸发温度变化曲线Fig·8 Curves of pressure ratio with change of evaporation temperature

3 实验研究

本文在理论研究的基础上搭建了水冷自复叠制冷系统实验台，由于条件限制，只对 R22/R23、R134a/R23工质对组成的自复叠制冷循环进行实验研究，图9为在设计计算基础上搭建的实验装置原理图以及实物图。图中主要部件包括压缩机、冷凝器、精馏塔、冷凝蒸发器、节流装置、蒸发器、回热器以及视液镜、干燥过滤器等辅助元件。

图9 实验装置图Fig·9 Experiment table

温度测量采用T型热电偶，温度巡检仪为FLUKE巡检仪，水流量计为转子流量计。

3·1 冷却水温度对COP的影响

图10为冷凝分离器的冷却水温度对COP的影响。从图中可以看出，COP随着冷却水温的升高而下降。主要原因是冷却水的进水温度影响了自复叠循环系统的冷凝温度。由于蒸发温度、蒸发压力确定，高沸点工质的蒸发温度没有发生变化，冷凝温度的升高会使冷凝温度对应下的冷凝压力的提高而增加系统的压缩功，同时降低了高沸点工质的单位制冷量，进而影响系统的 COP。同样如图 11所示，R134a/R23系统的COP随着冷却水温度的升高而降低。从图10和图11中还可以看出，在相同的蒸发温度，相同的冷却水温度下，R22/R23系统的COP要高于R134a/R23系统。

实验同样表明，采用R22/R23工质对的水冷自复叠制冷系统COP较文献[10]所提出的系统的COP为11.4%，本系统的提高率达到60%～100%。

图10 R22/R23 COP随冷却水进水温度变化图Fig·10 COPof R22/R23 systemwith the change of the inlet temperature of the cooling water

图11 R134a/R23 COP随冷却水进水温度变化图Fig·11 COPof R134a/R23 systemwith the change of the inlet temperature of the cooling water

3·2 冷却水温度对压缩比的影响

图12～图13可以看出，冷却水温度对循环压缩比影响很大，当蒸发温度一定时，冷却水的温度影响了冷凝温度。随着冷却水温度升高，冷凝压力升高，循环压缩比增大。从图中还可以看出，当冷凝温度一定时，自复叠制冷循环的压缩比随着蒸发温度的下降而上升，这一点与普通蒸气压缩制冷循环基本相同。当运行工况相同时，由R134a组成的混合工质自复叠制冷循环压缩比要大于R22/R23系统。在制冷循环中，当系统的压缩比较小时，意味着压缩机的相对余隙容积较小，压缩机的实际排气量较大，压缩机输气系数较高，系统的COP会得到提高，因此选用小压缩比的混合工质对R22/R23较为合适。

图12 R134a/R23在to＝－68℃和－60℃时压缩比随冷却水进水温度的变化图Fig·12 Compression ratio of R134a/R23 with the change of the cooling water temperature under evaporation temperature of－68℃and－60℃

图13 R22/R23与R134a/R23在to＝－68℃时压缩比随冷却水进水温度的变化图Fig·13 Compression ratio of R22/R23 and R134a/R23 with the change of the cooling water temperature under evaporation temperature of－68℃

4 结论

1)本文用冷凝分离器替代了传统自复叠制冷循环中的冷凝器和分离器，压缩后的过热混合工质直接进入冷凝分离器中进行冷凝和分离，方案可行。冷凝分离的程度与混合气体初始状态、流动状态、冷却水温度及冷凝分离器结构参数有关。理论研究和实验研究均表明，新型水冷自复叠制冷循环COP明显提高，为自复叠制冷循环向大型化发展奠定了基础。

2)对由R22/R23、R290/R170、R134a/R23、R134a/R170四种工质对组成的自复叠制冷循环中，COP由大到小依次为:R22/R23、R290/R170、R134a/ R23、R134a/R170。由R290/R170组成的二元非共沸混合二元混合工质在四种二元混合工质完成的自复叠制冷循环中排气温度低、压缩比小，系统COP高，工质ODP和GWP为0，具有较好的大气友好性，是今后自复叠制冷循环的首选工质。

3)搭建了相应的实验装置，分别进行了R22/ R23和R134a/R23混合工质对的实验研究，结果表明制冷系统的COP随蒸发温度的变化几乎是线性关系；在相同的蒸发温度，相同的冷却水温度下，R22/ R23系统的COP要高于R134a/R23系统；当运行工况相同时，由R134a组成的混合工质自复叠制冷循环压缩比要大于R22/R23系统。R22/R23组成的水冷自复叠制冷系统实验性能明显优于R134a/R23组成的水冷自复叠制冷系统；和传统制冷系统相比，效率提高60%～100%。

本文受天津市科技支撑项目(142C2DNC00016)资助。(The project was supported by the Science and Technology Support Programof Tianjin(No.142C2DNC00016).)

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About the author

Yang Yongan，male，senior engineer，Tianjin University of Commerce，＋86 13820522256，E-mail:yyan＠tjcu.edu.cn.Research fields:optimization design of refrigeration system.

Study of Water-cooled Auto-cascade Refrigeration Cycle withALowTem perature of－60℃

Yang Yongan1，2Yang Zhao1Liu Bin2

(1.School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin，300072，China；2.The Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology，Tianjin University of Commerce，Tianjin，300134，China)

Anew water-cooled auto-cascade refrigeration cycle(WACR)usingAbinary refrigerantmixture is presented，which adoptsAcondenser-phase separator instead ofAcondenser and an evaporative separator in traditional auto-cascade refrigeration cycle.In condenserphase separator，high boiling point refrigerant can be condensed，and high boiling point and low boiling point refrigerants can be separated.Characteristics of four binary refrigerantmixtures(R22/R23，R290/R170，R134a/R23，and R134a/R170)circulation were analyzed.And the WACR using R22/R23 and R134a/R23 were studied experimentally.In the same condition，the COPof WACR using R22/R23 is higher than that of theWACR systemusing R134a/R23.Compared with the traditional system，COPof the new water-cooled auto-cascade refrigeration cycle(WACR)is higher from60%to 100%.

mixed refrigerant；auto-cascade；refrigeration cycle；condenser-phase separator

TB61＋1；TB64；TB657.5

A

0253－4339(2015)02－0052－07

10.3969/j.issn.0253－4339.2015.02.052

杨永安，男，高级工程师，博士，天津商业大学，13820522256，E-mail:yyan＠tjcu.edu.cn。研究方向:制冷系统优化设计。

2014年6月23日

R22/R23、R134a/R23两种工质对的实验研究。结果表明，在相同工况下，R22/R23自复叠制冷系统的COP要高于R134a/R23自复叠制冷系统；和传统的自复叠系统相比，采用冷凝分离器的水冷自复叠制冷循环COP明显提高，提升率达到60%～100%。