楊永安,孫浩迪
(天津商業(yè)大學(xué) 冷凍冷藏技術(shù)教育部工程研究中心,天津 300134)
復(fù)疊制冷系統(tǒng)是由高溫制冷循環(huán)和低溫制冷循環(huán)通過(guò)蒸發(fā)冷凝器耦合而成的制冷系統(tǒng)。當(dāng)單級(jí)壓縮制冷循環(huán)無(wú)法滿足應(yīng)用需求時(shí),往往采用雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)或復(fù)疊制冷系統(tǒng)。傳統(tǒng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)的高低溫循環(huán)采用不同的制冷劑。對(duì)采用同一種制冷劑的制冷系統(tǒng)的研究較少[1]。制冷系統(tǒng)性能的優(yōu)劣經(jīng)常用系統(tǒng)制冷系數(shù)COP來(lái)衡量,這種方法基于熱力學(xué)第一定律,只從能量的“量”的角度進(jìn)行分析[2]。?分析方法基于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律,從能量的“量”與“質(zhì)”出發(fā)對(duì)制冷系統(tǒng)運(yùn)行性能進(jìn)行分析,通過(guò)對(duì)系統(tǒng)各部件進(jìn)行?損和?效率計(jì)算,可以判明制冷系統(tǒng)循環(huán)過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié),因此更為全面[3]。朱軼群等[1]研究了高溫輸氣量對(duì)R410A單工質(zhì)復(fù)疊制冷系統(tǒng)的影響,發(fā)現(xiàn)隨著高溫輸氣量增大,COP先增大后減小,存在最佳高溫輸氣量。陳海瑞等[4]研究了蒸發(fā)溫度和壓縮機(jī)頻率對(duì)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的影響。趙瑞昌等[5-6]研究了壓縮機(jī)頻率對(duì)復(fù)疊式系統(tǒng)性能的影響,結(jié)果表明,中間溫度隨著高溫級(jí)壓縮機(jī)頻率增大而降低,隨著低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率增大而升高。一些學(xué)者對(duì)不同的制冷系統(tǒng)進(jìn)行了?分析[7-10]。肖鍵[11]采用?分析法對(duì)R32/CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)進(jìn)行了能量分析。賴艷華等[12-14]進(jìn)行的R404A/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的?分析表明,高溫級(jí)膨脹閥、壓縮機(jī)、冷凝蒸發(fā)器和低溫級(jí)壓縮機(jī)的?損約占總?損的80%。Dopazo等[15]對(duì)CO2/NH4復(fù)疊制冷系統(tǒng)進(jìn)行了?分析,結(jié)果表明,系統(tǒng)制冷系數(shù)COP和?效率隨著蒸發(fā)冷凝器換熱溫差和冷凝溫度的增大而減小。沈冰潔等[16]對(duì)變頻滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮制冷系統(tǒng)的?分析表明,壓縮機(jī)在較高頻率下工作時(shí),冷凝器和蒸發(fā)器的?損失會(huì)明顯增加。以往對(duì)于變頻復(fù)疊制冷系統(tǒng)性能的研究多以制冷量和COP為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),很少有人對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行?分析。本文利用R410A單工質(zhì)復(fù)疊制冷實(shí)驗(yàn)臺(tái),分別改變高低溫壓縮機(jī)頻率,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行性能分析和?分析。
單工質(zhì)復(fù)疊制冷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由制冷系統(tǒng)和循環(huán)水系統(tǒng)構(gòu)成。制冷系統(tǒng)由低溫蒸發(fā)器、低溫壓縮機(jī)、蒸發(fā)冷凝器、低溫電子膨脹閥、高溫壓縮機(jī)、高溫冷凝器、高溫電子膨脹閥以及一些輔助設(shè)備和閥門組成。循環(huán)水系統(tǒng)由水箱、冷凝器、水泵及一些閥門組成,如圖1所示。
圖1 R410A單工質(zhì)復(fù)疊制冷系統(tǒng)Fig.1 R410A single working medium cascade refrigeration system
采用熱平衡法測(cè)量系統(tǒng)的制冷量。量熱器由罐體、銅盤管、電加熱器和載冷劑組成,罐體中為R134a載冷劑,蒸發(fā)器盤管與電加熱器浸泡在液體載冷劑中。電加熱器為兩個(gè)9 kW的電加熱器并聯(lián)。根據(jù)熱平衡法,電加熱量即為制冷量。高低溫壓縮機(jī)均采用三菱變頻滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī),低溫壓縮機(jī)的型號(hào)為L(zhǎng)NB53FCAMC,排氣量為53.7 cm3/r,變頻范圍為30~360 Hz;高溫壓縮機(jī)的型號(hào)為L(zhǎng)NB42FCBMC,排氣量為42.1 cm3/r,變頻范圍為30~360 Hz。蒸發(fā)冷凝器是由兩個(gè)型號(hào)為B3-50B-40D的釬焊板式換熱器并聯(lián)組成。高低溫電子膨脹閥均選用卡樂(lè)電子膨脹閥,低溫級(jí)選用E2V30,額定制冷量為37.5 kW;高溫級(jí)選用E2V24,額定制冷量為23.4 kW。高溫冷凝器采用套管式,冷卻水與制冷劑采用逆流形式。實(shí)驗(yàn)中用到的壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器和多功能表布置如圖1所示。主要測(cè)量?jī)x器的型號(hào),精度和使用范圍如表1所列。利用西門子S7-200smart PLC采集運(yùn)行參數(shù),通過(guò)數(shù)據(jù)線將PLC所采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī),在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控和參數(shù)設(shè)定。
表1 測(cè)量?jī)x器和精度Tab.1 Measuring instrument and accuracy
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)量熱器內(nèi)R134a的壓力控制電加熱補(bǔ)償量來(lái)穩(wěn)定低溫環(huán)境。通過(guò)對(duì)冷凝壓力進(jìn)行PID調(diào)節(jié),控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度,調(diào)節(jié)冷卻水進(jìn)水溫度和體積流量,從而控制冷凝溫度。高低溫壓縮機(jī)過(guò)熱度均設(shè)定為7℃過(guò)熱,靠電子膨脹閥自動(dòng)調(diào)節(jié)。中間溫度為高溫級(jí)蒸發(fā)溫度和低溫級(jí)冷凝溫度的算術(shù)平均值,中間換熱溫差為10℃。第一組實(shí)驗(yàn)工況:低溫蒸發(fā)溫度為-25℃,高溫冷凝溫度為40℃,低溫壓縮機(jī)頻率固定為160 Hz,高溫壓縮機(jī)頻率從100 Hz增加至240 Hz,每10 Hz變化一次。第二組實(shí)驗(yàn)工況:低溫蒸發(fā)溫度為-25℃,高溫冷凝溫度為40℃,高溫壓縮機(jī)頻率固定為160 Hz,低溫壓縮機(jī)頻率從100 Hz增加至240 Hz,每10 Hz變化一次。
分別用溫度傳感器、壓力傳感器、質(zhì)量流量計(jì)和體積流量計(jì)測(cè)量圖2所示1~10各狀態(tài)點(diǎn)的壓力、溫度、制冷劑質(zhì)量流量mr、冷卻水體積流量Vwc、電加熱量(制冷量)Q0、低溫壓縮機(jī)耗功WLT,comp和高溫壓縮機(jī)耗功WHT,comp等。根據(jù)測(cè)量值,調(diào)用Refprop 9.0物性軟件得到圖2所示各狀態(tài)點(diǎn)的熵值sj與焓值hj。
其他所需參數(shù)通過(guò)下式計(jì)算得到。
制冷系統(tǒng)COP:
冷卻水質(zhì)量流量:
式中:ρ為冷卻水的密度
在R410A單工質(zhì)復(fù)疊制冷系統(tǒng)中,對(duì)于穩(wěn)定流體,忽略動(dòng)能?和勢(shì)能?,只考慮比物理?,如式(3)所示:
式中:下標(biāo)j表示圖2中的1~10狀態(tài)點(diǎn),下標(biāo)0表示參考環(huán)境狀態(tài),環(huán)境溫度T0為15℃,環(huán)境壓力為0.101 MPa。
圖2 制冷系統(tǒng)壓焓圖Fig.2 Pressure enthalpy of refrigeration system
式中:下標(biāo)x表示在環(huán)境溫度及狀態(tài)點(diǎn)j的壓力pj下。
通過(guò)投入?EF,k、收益?EP,k、?損ED,k的?平衡關(guān)系對(duì)系統(tǒng)各部件進(jìn)行?分析,如式(5)所示:
式中:下標(biāo)k表示系統(tǒng)中第k個(gè)部件。
常規(guī)?分析中使用?效率評(píng)價(jià)系統(tǒng)運(yùn)行性能,?效率ε為部件或系統(tǒng)的收益?與投入?的比值,如式(6)、式(7)所示:
式中:εk為部件k的?效率;εtol為整個(gè)系統(tǒng)的?效率;EP,tol為整個(gè)系統(tǒng)的收益?;EF,tol為整個(gè)系統(tǒng)的投入?。
根據(jù)各部件進(jìn)出口狀態(tài)點(diǎn)的?值計(jì)算系統(tǒng)各部件?,計(jì)算表達(dá)式如表2所列。
表2 R410A單工質(zhì)復(fù)疊制冷系統(tǒng)各部件的?計(jì)算模型Tab.2 Exergy calculation model of all components of R410A single working medium overlapping refrigeration system
利用R410A單工質(zhì)復(fù)疊制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái),在低溫級(jí)蒸發(fā)溫度為-25℃,高溫級(jí)冷凝溫度為40℃條件下,分別改變高低溫級(jí)壓縮機(jī)的頻率,根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù),獲得各部件?損、?效率以及系統(tǒng)總?損、總?效率隨高低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率的變化趨勢(shì)。
圖3為低溫級(jí)蒸發(fā)溫度為-25℃,高溫級(jí)冷凝溫度為40℃,低溫壓縮機(jī)頻率為160 Hz下,系統(tǒng)制冷量和COP隨高溫壓縮機(jī)頻率的變化。由圖可知,高溫壓縮機(jī)頻率增大,系統(tǒng)制冷量增大,系統(tǒng)COP先增大后減小。原因是隨著高溫壓縮機(jī)頻率增大,壓縮機(jī)吸氣量增大,高溫級(jí)蒸發(fā)壓力下降,中間換熱溫差不變,低溫級(jí)冷凝溫度下降,系統(tǒng)單位制冷量增大,低溫級(jí)制冷劑質(zhì)量流量小幅度增大,故系統(tǒng)制冷量增大,COP增大。隨著高溫級(jí)壓縮機(jī)頻率增大到一定程度,壓縮機(jī)效率降低,耗功增大,系統(tǒng)COP開始下降。圖4為低溫級(jí)蒸發(fā)溫度為-25℃,高溫級(jí)冷凝溫度為40℃,高溫壓縮機(jī)頻率為160 Hz下,系統(tǒng)制冷量和COP隨低溫壓縮機(jī)頻率的變化。由圖4可知,隨著低溫壓縮機(jī)頻率的增加,系統(tǒng)制冷量不斷增大,COP先增大后減小。這是因?yàn)?,低溫?jí)壓縮機(jī)頻率增大,壓縮機(jī)吸氣量增大,制冷劑質(zhì)量流量增大,低溫級(jí)冷凝溫度增大,單位制冷量減小。由于制冷劑質(zhì)量流量增大程度遠(yuǎn)大于單位制冷量減小程度,故系統(tǒng)制冷量增大,COP也增大。當(dāng)?shù)蜏貕嚎s機(jī)頻率增大到一定程度時(shí),壓縮機(jī)效率降低,耗功增大,COP開始下降。
圖3 不同高溫級(jí)壓縮機(jī)頻率下系統(tǒng)制冷量和COP曲線Fig.3 Cooling capacity and COP of the system at different compressor frequencies at different high temperatures
圖4 不同低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率下系統(tǒng)制冷量和COP曲線Fig.4 Cooling capacity and COP of the system at different compressor frequencis
由圖3可知,高溫壓縮機(jī)頻率從100 Hz增加到240 Hz時(shí),制冷量增加了2.38 kW,制冷量增長(zhǎng)率為0.017 kW/Hz,系統(tǒng)COP最大值為1.72,最小值為1.62。由圖4可知,當(dāng)?shù)蜏貕嚎s機(jī)頻率從100 Hz增加到240 Hz時(shí),制冷量增加了4.78 kW,制冷量增長(zhǎng)率為0.034 kW/Hz,系統(tǒng)COP最大值為1.86,最小值為1.6。比較可知,增大低溫壓縮機(jī)頻率,系統(tǒng)制冷量增長(zhǎng)率更大,COP變化范圍更寬。低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率的改變對(duì)系統(tǒng)性能的影響更大,更具有研究意義。
圖5為低溫級(jí)蒸發(fā)溫度為-25℃,高溫級(jí)冷凝溫度為40℃,低溫壓縮機(jī)頻率為160 Hz下,系統(tǒng)各部件?損隨高溫壓縮機(jī)頻率的變化。由圖可知,高溫壓縮機(jī)頻率從100 Hz增大到240 Hz時(shí),低溫蒸發(fā)器?損、低溫壓縮機(jī)?損及低溫節(jié)流閥?損依次減小0.421 kW、0.282 kW、0.04 kW。其余各部件?損均增大,蒸發(fā)冷凝器?損增大0.324 kW,高溫壓縮機(jī)?損增大0.218 kW,高溫節(jié)流閥?損增大0.159 kW,高溫冷凝器?損增大0.154 kW。隨著高溫壓縮機(jī)頻率增大,吸氣量增大,制冷劑質(zhì)量流量增大,高溫級(jí)蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力降低,壓比增大,各部件?損均增大。隨著高溫壓縮機(jī)頻率增大,低溫級(jí)制冷劑質(zhì)量流量小幅度增加,低溫級(jí)冷凝溫度和冷凝壓力降低,低溫級(jí)壓比降低。相對(duì)于低溫級(jí)制冷劑質(zhì)量流量增大,低溫級(jí)壓比降低對(duì)低溫級(jí)各部件?損影響較大,故低溫級(jí)各部件?損減小。低溫蒸發(fā)器和低溫壓縮機(jī)一直是系統(tǒng)中不可逆程度最高,最為薄弱的環(huán)節(jié)。由圖可知,隨著高溫壓縮機(jī)頻率增大,低溫蒸發(fā)器和低溫壓縮機(jī)的?損均大幅減小,表明增大高溫壓縮機(jī)頻率可以降低低溫蒸發(fā)器和低溫壓縮機(jī)的不可逆程度,提高它們的運(yùn)行性能。
圖5 不同高溫級(jí)壓縮機(jī)頻率下各部件?損曲線Fig.5 Exergic loss of all components at different compressor frequencies at high temperatures
圖6為低溫級(jí)蒸發(fā)溫度為-25℃,高溫級(jí)冷凝溫度為40℃,低溫壓縮機(jī)頻率為160 Hz下,系統(tǒng)各部件?效率隨高溫壓縮機(jī)頻率的變化。由圖可知,隨著高溫壓縮機(jī)頻率增大,高溫級(jí)各部件?效率均呈先增大后減小趨勢(shì),其中高溫壓縮機(jī)?效率與蒸發(fā)冷凝器?效率變化幅度較大,高溫節(jié)流閥?效率和高溫冷凝器?效率變化幅度較小;低溫級(jí)各部件?效率均增大,其中低溫蒸發(fā)器和低溫壓縮機(jī)的?效率處于較低水平,但隨著高溫級(jí)壓縮機(jī)頻率增大?效率增幅變大。因此提高高溫壓縮機(jī)頻率有利于降低低溫壓縮機(jī)與低溫蒸發(fā)器的不可逆程度,提高其運(yùn)行性能。
圖6 不同高溫級(jí)壓縮機(jī)頻率下各部件?效率曲線Fig 6 Exergic efficiency of each component at different compressor frequencies at high temperature
圖7為低溫級(jí)蒸發(fā)溫度為-25℃,高溫級(jí)冷凝溫度為40℃,高溫壓縮機(jī)頻率為160 Hz下,系統(tǒng)各部件?損隨低溫壓縮機(jī)頻率的變化。由圖可知,低溫壓縮機(jī)頻率從100 Hz增大到240 Hz時(shí),只有高溫壓縮機(jī)?損減小了0.307 kW,其余部件?損均增大,依次為低溫蒸發(fā)器?損增大了0.676 kW,低溫壓縮機(jī)?損增大了0.605 kW,高溫冷凝器?損增大了0.212 kW,低溫節(jié)流閥?損增大了0.171 kW,高溫節(jié)流閥?損增大了0.119 kW,蒸發(fā)冷凝器?損增大了0.08 kW。其中低溫蒸發(fā)器、低溫壓縮機(jī)和高溫壓縮機(jī)的?損均處于較高水平,且受低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率的影響較大。隨著低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率增大,低溫級(jí)質(zhì)量流量增大,冷凝壓力升高,壓比增大,低溫級(jí)各部件?損均增大。低溫級(jí)制冷量增大,高溫級(jí)循環(huán)為了帶走蒸發(fā)冷凝器里的熱量,高溫級(jí)電子膨脹閥開度變大,制冷劑質(zhì)量流量增大,高溫級(jí)蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力增大,壓比減小。高溫級(jí)節(jié)流閥?損和高溫級(jí)冷凝器?損受制冷劑質(zhì)量流量影響較大,?損均增大。高溫級(jí)壓縮機(jī)吸氣量增大,吸氣比容減小,且壓縮比減小,綜合效果導(dǎo)致?損減小。
圖7 不同低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率下各部件?損曲線Fig.7 Exergic loss of all components at different compressor frequencies at low temperature
圖8為低溫級(jí)蒸發(fā)溫度為-25℃,高溫級(jí)冷凝溫度為40℃,高溫壓縮機(jī)頻率為160 Hz下,系統(tǒng)各部件?效率隨低溫壓縮機(jī)頻率的變化。
圖8 不同低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率下各部件?效率曲線Fig.8 Exergic efficiency of each component at different low temperature compressor frequencies
由圖8可知,隨著低溫壓縮機(jī)頻率的增大,低溫蒸發(fā)器和高溫節(jié)流閥的?效率降低,蒸發(fā)冷凝器與低溫節(jié)流閥?效率增大,且增大速率越來(lái)越小。低溫壓縮機(jī)、高溫壓縮機(jī)和高溫冷凝器的?效率均先增大后減小,低溫節(jié)流閥和高溫冷凝器的?效率變化較小且始終處于較高狀態(tài)。低溫蒸發(fā)器和低溫壓縮機(jī)?效率較低,提升空間較大。當(dāng)?shù)蜏丶?jí)壓縮機(jī)頻率高于210 Hz時(shí),繼續(xù)增大壓縮機(jī)頻率,對(duì)系統(tǒng)中各部件產(chǎn)生不利影響。因此為了提高?效率,減小?損失,低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率不宜過(guò)高。
圖9為低溫級(jí)蒸發(fā)溫度為-25℃,高溫級(jí)冷凝溫度為40℃,低溫壓縮機(jī)頻率為160 Hz下,系統(tǒng)總?損、總?效率隨高溫壓縮機(jī)頻率的變化。由圖可知,隨著高溫壓縮機(jī)頻率增大,系統(tǒng)總?損緩慢增大,系統(tǒng)總?效率緩慢減小至210 Hz之后,變化速率明顯增大。結(jié)合圖1分析可知,當(dāng)壓縮機(jī)頻率小于210 Hz時(shí),增大高溫壓縮機(jī)頻率,系統(tǒng)制冷量和COP增大,系統(tǒng)總?損和總?效率變化不大。當(dāng)高溫壓縮機(jī)頻率增大到210 Hz之后繼續(xù)增大時(shí),系統(tǒng)總?損增大速率變大,總?效率減小速率變大,且系統(tǒng)制冷系數(shù)COP開始下降。
圖9 不同高溫壓縮機(jī)頻率下總?損和總?效率曲線Fig.9 Overall exergic loss and overall exergic efficiency at different high temperature compressor frequencies
圖10為低溫級(jí)蒸發(fā)溫度為-25℃,高溫級(jí)冷凝溫度為40℃,高溫壓縮機(jī)頻率為160 Hz下,系統(tǒng)總?損、總?效率隨低溫壓縮機(jī)頻率的變化。由圖可知,隨著低溫壓縮機(jī)頻率增大,系統(tǒng)總?損,總?效率不斷增大。當(dāng)?shù)蜏貕嚎s機(jī)頻率達(dá)到220 Hz之后,系統(tǒng)總?損增大速率進(jìn)一步增大,系統(tǒng)總?效率隨低溫壓縮機(jī)頻率增大而緩慢增加。結(jié)合圖2分析可知,在低溫壓縮機(jī)頻率小于210 Hz時(shí),增大低溫壓縮機(jī)頻率有助于提高系統(tǒng)總?效率和系統(tǒng)制冷系數(shù)COP,當(dāng)?shù)蜏貕嚎s機(jī)頻率大于210 Hz時(shí),繼續(xù)提高低溫壓縮機(jī)頻率,系統(tǒng)總?效率與系統(tǒng)制冷系數(shù)COP開始下降。表明在一定范圍內(nèi)提高高低溫壓縮機(jī)頻率有助于提高系統(tǒng)的運(yùn)行性能,當(dāng)高低溫壓縮機(jī)頻率增大到一定程度時(shí),繼續(xù)提高壓縮機(jī)頻率,不利于系統(tǒng)的運(yùn)行。
圖10 不同低溫壓縮機(jī)頻率下總?損和總?效率曲線Fig.10 Total exergic loss and total exergic efficiency at different low temperature compressor frequencies
通過(guò)R410A單工質(zhì)復(fù)疊制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái),研究了不同高低溫壓縮機(jī)頻率下系統(tǒng)的制冷量和制冷系數(shù)COP,并對(duì)系統(tǒng)中各部件進(jìn)行了?分析,得到以下結(jié)論:
(1)分別增大高低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率時(shí),系統(tǒng)的制冷量均增大,系統(tǒng)制冷系數(shù)COP均呈先增大后減小的趨勢(shì);低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率的變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響更大,更具有研究意義。
(2)分別增大高低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率時(shí),低溫蒸發(fā)器?損、低溫壓縮機(jī)?損、高溫壓縮機(jī)?損均較高,變化幅度較大,是系統(tǒng)的薄弱所在,應(yīng)重視對(duì)這三個(gè)部件?損失的控制。
(3)分別增大高低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率,系統(tǒng)制冷量和COP提高,但是當(dāng)壓縮機(jī)頻率增大到210 Hz后,繼續(xù)增大壓縮機(jī)頻率,?損失增加速率變大,系統(tǒng)制冷系數(shù)COP開始下降,系統(tǒng)?效率也下降。為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行性能,高低溫級(jí)壓縮機(jī)頻率均不宜過(guò)高。