极限工况下开放式CO2制冷系统的设计

钱晓辉，徐 雷

（1.南京航空航天大学航空学院，南京210016；2.金陵科技学院机电工程学院，南京211169）

0 引 言

我国煤矿安全是煤矿生产中的重要工作内容，为了减少突发事故中人员的二次伤害，国家大力推行矿井安全救生工作［1］。矿用可移动式救生舱一般布置在距生产工作面最近的位置，是重要的救生避险设施，舱内环境控制系统是救生舱内最重要的系统，对人员生存的可靠性与稳定性起到重要的作用。开放式二氧化碳制冷是无源救生舱环境控制系统中，温湿度控制运用广泛的一种制冷方式［2］，与相变制冷和蓄冰制冷相比，开放式二氧化碳制冷温湿度控制范围宽，运行维护成本低，具有良好的经济性与适用性［3］。

开放式二氧化碳制冷系统调节范围广，操作性要求高，因系统设计不合理或调节不当导致的系统故障常常发生［4］。蔡玉飞等［5］研究了二氧化碳储存状态对开放式制冷系统性能的影响，在超临界条件下，二氧化碳制冷量损失较大；曹利波［6］利用flowmaster软件设计了合适的蒸发器参数，并对非设计工况下的制冷系统性能进行校核；殷岳等［7］提出现有的二氧化碳节流背压缺乏相关控制，使蒸发器外表面结霜，提出二次节流一次回热的改进方式；杨俊玲等［8］同样采用二次节流的方式优化开放式二氧化碳制冷系统，提高蒸发温度，降低蒸发器结霜的可能性。开放式二氧化碳制冷系统的设计及研究均局限于救生舱内额定使用工况下，尚未针对系统在多变环境下的适应性进行分析研究，经过大量的实验证明，开放式制冷系统在冷启动时多次出现系统冰堵，真人实验中人员活动量的变化同样容易引起系统的运行脱离稳态［9］。

本文根据救生舱内制冷系统的运行要求以及人员不同活动状态的热湿负荷变化，针对开放式二氧化碳制冷系统的性能进行理论计算与实验研究，针对二次节流开放式二氧化碳制冷系统确定系统运行包线及极端工况下的调节方式。

1 二次节流开放式二氧化碳制冷系统

1.1 系统原理

开放式二氧化碳制冷系统中，二氧化碳储存压力一般为6～7 MPa，开放式排出压力为0.1 MPa，如果使用单级节流会造成节流过深，使节流后位置处的二氧化碳工质温度降到-10～-25℃，极易引发蒸发器铜管外表面凝霜［10］，为避免悬崖式压降并保证系统总流阻，一般使用细长的管路实现连续降压［11］，系统组成及热力学原理如图1所示。

另一种优化系统流阻的方式是使用双级节流的设计结构，一方面减少了系统管路总长度，另一方面，提高了蒸发温度，避免出现换热器凝霜现象，系统的稳定性与制冷效率进一步提升［12］。系统组成及热力学原理如图2所示。储存的液态二氧化碳工质从钢制高压气瓶中经内置虹吸管流出，多路气瓶由汇流排汇总后，常温高压状态的二氧化碳液体（压力为p0，焓值为h0）经过一级减压阀减压后变成低温高压的气液混合态（p1，h1），蒸发换热后的常温高压二氧化碳气体（p2，h2）通过二级减压阀再次减压成低温低压的气体（p3，h3）［13］，再次换热后驱动气动风机，最后排出舱体。

图1 开放式二氧化碳制冷系统单级节流系统组成及热力学原理图

图2 开放式二氧化碳制冷系统双级节流系统组成及热力学原理图

1.2 额定工况蒸发器制冷量计算

以某公司RP-12型救生舱为例，使用二次节流的开放式二氧化碳制冷系统，采用双级换热器：前置换热器为Φ6 mm，壁厚1 mm的铜管盘成，其排数为10，列数为20，蒸发器有效长度为0.32 m，纵向管中心距S1＝15 mm，横向管中心距S2＝13 mm；后置蒸发器尺寸与前置蒸发器相同。

救生舱内设计空气状态t′1＝28 ℃，相对湿度φ′1＝65%，焓值h′1＝67.755 kJ/kg，空气经过换热器后的温度t″1、焓值h″1可由下式计算得出：

式中：hs为蒸发器表面温度下的空气饱和状态焓值，kJ/kg；ts为蒸发器表面温度，℃，对前置换热器进行研究时，假设换热器平均温度为蒸发温度；αa为蒸发器外表面显热传热系数，kW/（m2·K）；uy为迎面风速，m/s；cp为干空气比定压热容，kJ/（kg·K）；ρ为空气密度，kg/m3；N为沿气流方向蒸发器管排数；a为蒸发器总外表面积与（N×迎风面积）比。

干工况下空气侧的对流换热系数为

式中：Nua为空气的努赛尔数；λa为空气的导热系数；Dout为铜管外径。

推荐管束平均对流换热系数准则关联式［14］为

式中：vmax为最小截面风速，υa为空气的运动黏度，De为最小截面当量直径。

设计二氧化碳初始状态为25℃、6.45 MPa，一级减压阀后状态为1.3℃、3.6 MPa。计算结果如表1所示，二氧化碳质量流量为9.66 g/s。

表1 前置换热器设计工况计算结果

12人救生舱额定设计负荷为2 200 W，由表1可知，前置换热器换热2 085.5 W，后置换热器承担剩余114.5 W的换热量与系统压降。

1.3 制冷剂分布

研究极限负荷下的系统性能变化主要是研究外界环境负荷变化时系统内制冷剂的变化，对双级节流开放式二氧化碳制冷系统进行系统简化，制冷系统换热器分为前置换热器两相段、前置换热器过热段与后置换热器过热段3个部分，如图3所示。

图3 双级节流制冷剂分布原理图

在二氧化碳两相区内，单位长度ΔL内二氧化碳的干度变化Δx是由空气吸热析湿产生的，根据传热学公式，得

式中：α11为前置换热器两相段表面空气传热系数；c为铜管周长；T空气1为两相段空气平均温度；T蒸发为CO2蒸发温度；GCO2为CO2质量流量；H为相变潜热。

因此，两相区长度为

式中，x0为一级减压后CO2的干度。

忽略气动风机的影响，制冷系统进出口的压降p1-p0为常数

式中：Δpa、Δpb分别为一级减压阀与二级减压阀压降；Δp11、Δp12、Δp2分别为两相段、一级过热段与二级过热段压降；p为CO2密度；ξ为减压阀局部阻力系数；v为CO2流速；f为CO2流经管路的阻力系数；γ为制冷剂平均比容；D为管路直径。

上述公式表明，当空气热负荷发生变化时，制冷系统内的制冷剂两相区长度发生改变，系统流量与各部件压降分配也随之不同。

2 极限工况制冷系统性能

救生舱在运行中存在4种特殊的极限工况：①低温低湿矿井的制冷系统启动或舱内人员睡眠状态，此时舱内人员热湿负荷影响小，空气温湿度较低；②部分矿井湿度较高，温度较低，制冷系统启动时无足够热源吸收制冷工质冷量，救生舱内温度较低，湿度较大［15］；③高温矿井的制冷系统启动或舱内存在辅助干燥剂除湿，此时舱内温度较高，湿度较低；④高温高湿矿井的制冷系统启动或人员在舱内活动状态剧烈，此时舱内温湿度均较高。

根据式（1）～（6）计算6种工况的换热量如表2所示。

表2 4种极端工况的计算结果

由表2的计算结果可知：

（1）1工况低温低湿状态下，舱内热负荷766.9 W远小于设计负荷2 200 W：二氧化碳在前置换热器中无法充分换热蒸发，再次经过二级减压后进入后置换热器将获得更低的温度。

空气温湿度降低时，T空气1下降，两相区长度L11增大，由于系统换热器总长度不变，L12+L2减小，CO2气态流阻远大于液态流阻，故系统换热器流阻Δp11+Δp12+Δp2降低。

此时，制冷系统的总流量提高，进一步加剧了系统制冷量与环境负荷的差值，若无人工干预，制冷系统二级减压阀后的温度将迅速降至二氧化碳干冰点发生系统冰堵。其热力学过程如图4（a）所示。

（2）2工况为低温高湿状态，系统在救生舱高湿度环境下：舱内空气在换热器处大量析出水分，系统流量增大速率略小于1工况，当流量增大到一定值时，减压阀局部流阻Δpa+Δpb过大导致节流深度过深，节流后温度低于冰点温度，空气析出的水分快速结冰。

此时换热恶化加剧，系统快速出现冰堵故障。其热力学过程如图4（b）所示。

（3）3工况高温低湿状态下，舱内环境相对湿度较低：此时，蒸发器析湿换热效果较差，制冷能力不足，无法满足设计工况，但此时由于舱内环境温度高，后置换热器的换热能力增强，系统不会出现干冰点，但系统二氧化碳排气温度降低，制冷利用率降低。其热力学过程如图4（c）所示。

（4）4工况高温高湿状态下，舱内热湿负荷大于系统设计额定制冷量：T空气1升高，两相区长度L11减小，由于系统换热器总长度不变，L12+L2增大，制冷剂过热程度增加，换热器流阻Δp11+Δp12+Δp2升高。

此时，系统流量不断降低，发生制冷量不足现象。其热力学过程如图4（d）所示。

3 改进型制冷系统设计

根据上述热力学分析，在救生舱冷启动、人员活动异常等极限工况下，由于热负荷与系统制冷流量不匹配，系统容易出现故障，故针对系统流阻进行改进型设计，系统原理如图5所示。

图4 4种极限工况下制冷系统热力学过程

图5 二次节流开放式二氧化碳改进型制冷系统原理图

减压阀调节开度对系统流量的控制能力差，极易出现调节过度，对避险人员的操作性要求高。改进型制冷系统在原系统基础上增加了一级减压阀后的一级三通换向阀及一级毛细管，增加了二级减压阀后的二级三通换向阀与二级毛细管，通过开启与关闭三通换向阀门改变制冷剂流动方向，开启换向阀后，制冷剂需经过毛细管进入换热器，系统流阻增加，流量减小。系统操作简便，可快速缓解故障恶化。

（1）1工况。系统二氧化碳质量流量过大，开启二级换向阀虽然降低了系统质量流量，但会造成二级节流深度加深，二级毛细管内温度与压力迅速降至干冰点导致系统冰堵。故此，低温低湿的冷启动条件下，开启一级换向阀，一级毛细管内温度将低于0℃，但由于质量流量降低，液态二氧化碳在蒸发器内能够充分换热，系统能够稳定运行。

（2）2、3工况。系统二氧化碳质量流量过大，系统的恶化发生在前置换热器结霜后的换热能力快速下降，开启一级换向阀使蒸发温度进一步降低，加剧结霜过程，故此应开启二级换向阀，降低系统流量的同时，提高一级减压阀后的压力及蒸发温度。

（3）4工况。系统二氧化碳质量流量偏小，增大一级减压阀或增大二级减压阀开度均可增加系统质量流量，相比二级减压阀中的气体节流，一级减压阀为饱和液体节流，增大一级阀开度产生的质量流量增大程度较高，不利于精细调节；同时增大一级减压阀开度将提高蒸发温度，增大二级减压阀节流深度。故此，当流量不足时，优先增大二级减压阀开度。

4 结 语

矿井灾变环境下制冷系统的运行工况复杂，常出现冷启动冰堵、过冷结霜及高湿过热等故障，本文对故障的产生进行热力学分析，并设计一套新型的二次节流开放式制冷系统。研究结果表明：

（1）冷启动时，舱内热湿负荷不足，长时间运行将导致系统冰堵，通过毛细管增加一级减压阀后的流阻，成功降低系统流量；

（2）低温高湿工况及高温低湿工况下蒸发器长时间运行而结霜，导致系统快速发生冰堵现象，在冰堵前使用二级毛细管增加二级减压阀后流阻，有效缓解结霜状况；

（3）高温高湿工况下，调节一级减压阀可能造成调节过度使系统流量增高，稳定性较差，增大二级减压阀开度可有效增加系统制冷量，控制精度较高。