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《低溫工程雜志》2016年第二期

摘要:

在低溫空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)中增加二級回?zé)崞骷八蛛x器，除去渦輪進(jìn)口空氣中的水分，以提高系統(tǒng)效率和可靠性。在不同的工況條件下，對3種回?zé)崃鞒痰目諝庵评?a href="http://www.dongxuelectronics.com.cn/gongchengzazhi/dwgczz/694999.html" target="_blank">系統(tǒng)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，壓氣機(jī)進(jìn)口壓力的升高，增大了渦輪膨脹比，降低了渦輪出口溫度，提高了系統(tǒng)制冷量和制冷系數(shù);在系統(tǒng)中增加回?zé)崞骷跋鄳?yīng)的水分離器，可顯著提高系統(tǒng)的制冷效率和除水性能，且二級回?zé)崃鞒痰南到y(tǒng)性能最優(yōu)，與無回?zé)崃鞒滔啾?，系統(tǒng)制冷量和制冷系數(shù)分別增加了47%和41%，渦輪進(jìn)口含濕量下降了約36%;不同的制冷溫度下，系統(tǒng)制冷系數(shù)較低。

關(guān)鍵詞:

空氣制冷系統(tǒng)；除濕性能；二級回?zé)崃鞒?；制冷系?shù)

1引言

環(huán)境問題近幾年來成為世界的焦點(diǎn)，由于氟利昂制冷劑會(huì)致使臭氧層遭到破壞、溫室效應(yīng)日益嚴(yán)重，而空氣卻對環(huán)境完全無污染，且隨處可取，因而成為最理想的制冷劑，空氣循環(huán)制冷技術(shù)也由此受到高度重視?？諝庵评溲h(huán)可滿足在－140℃以上穩(wěn)定運(yùn)行，而且其在低溫下運(yùn)行的優(yōu)良性能是蒸汽壓縮式制冷機(jī)所不能媲美的。另外，空氣制冷系統(tǒng)設(shè)備簡單可靠，無需擔(dān)心制冷劑泄漏及嚴(yán)格密封的問題，可以直接采用開式流程，也可以根據(jù)實(shí)際情況和不同使用目的將系統(tǒng)改造為多種循環(huán)流程，這是其他制冷循環(huán)所不具備的。目前國內(nèi)外諸多學(xué)者已對空氣制冷循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究和分析。趙祥雄［1］等對逆布雷頓制冷機(jī)動(dòng)態(tài)降溫性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，增大換熱面積可提高系統(tǒng)的溫降性能，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步降溫的有效措施是提高膨脹機(jī)的效率。蔡君偉［2］等改進(jìn)了逆布雷頓循環(huán)空氣制冷實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)最低溫度達(dá)到－152℃，膨脹機(jī)最高轉(zhuǎn)速達(dá)270000r/min。ParkSK［3］等人在非設(shè)計(jì)工況下對開式空氣制冷系統(tǒng)的性能進(jìn)行了數(shù)值模擬和理論分析，得到了系統(tǒng)最佳運(yùn)行工況即設(shè)計(jì)工況，并與非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行的制冷系統(tǒng)性能進(jìn)行了比較。Sánchez-OrgazS［4］等在考慮了渦輪機(jī)和壓縮機(jī)運(yùn)行過程中的非等熵?fù)p失、換熱器熱量交換過程中的不可逆損失以及通過系統(tǒng)向周圍環(huán)境滲透熱量等幾種內(nèi)部和外部不可逆性損失基礎(chǔ)上，提出了通用多級回?zé)崮娌祭最D循環(huán)的模型。另外，空氣制冷系統(tǒng)在應(yīng)用方面，例如列車空調(diào)［5-6］、食品冷凍冷藏［7-8］以及飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)［9-10］等也得到了初步推廣。本文搭建了低溫空氣制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在不同的工況條件下，分別對3種回?zé)崃鞒踢M(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)，并重點(diǎn)分析回?zé)崃鞒虒ο到y(tǒng)性能的影響。

2低溫空氣制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用雙級壓縮正升壓式空氣制冷循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用兩級壓縮，中間冷卻，通過回收渦輪膨脹機(jī)(簡稱渦輪)的膨脹功來帶動(dòng)離心式壓氣機(jī)將一級壓縮空氣進(jìn)行第二次壓縮，以提高渦輪的膨脹比與焓降，從而增大系統(tǒng)制冷量，其循環(huán)流程如圖1所示。該低溫空氣制冷系統(tǒng)中，核心部件為采用空氣動(dòng)壓軸承的升壓式渦輪壓氣機(jī)組，該機(jī)組由同軸的離心式壓氣機(jī)和向心式渦輪組成，轉(zhuǎn)速約為105r/min。散熱器及回?zé)崞骶捎娩忼X形板翅式緊湊換熱器。兩高效水分離器用于除去渦輪進(jìn)口濕空氣中攜帶的冷凝游離水。工作負(fù)載為低溫箱，內(nèi)設(shè)電加熱器，通過調(diào)節(jié)加熱器功率模擬速凍床熱負(fù)荷來平衡空氣制冷系統(tǒng)的制冷量，同時(shí)控制低溫箱的出口溫度(即制冷溫度)。測控系統(tǒng)主要包括:溫度傳感器、壓力傳感器、調(diào)功器、渦街流量計(jì)、變頻器、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和上位機(jī)等。系統(tǒng)中各點(diǎn)的溫度由PT100鉑電阻溫度傳感器測量，其測量精度為±0．1℃;各點(diǎn)的壓力用陶瓷應(yīng)變片式壓力傳感器測量，精度為0．1%FS;系統(tǒng)流量用精度為1．5%FS的渦街流量計(jì)測量;風(fēng)機(jī)電機(jī)頻率由變頻器調(diào)節(jié)，從而控制風(fēng)機(jī)冷卻風(fēng)量;加熱器的功率可通過調(diào)功器調(diào)節(jié)，并用WT500功率分析儀測量。各測量點(diǎn)的傳感器通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)連接，采集間隔為1秒?？諝庋h(huán)制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)可進(jìn)行3種不同回?zé)崃鞒痰淖児r實(shí)驗(yàn):(1)無回?zé)崃鞒?系統(tǒng)中不設(shè)回?zé)崞骱退蛛x器，從低溫箱排出的空氣直接排放;(2)一級回?zé)崃鞒?在系統(tǒng)中增加回?zé)崞?和水分離器1，用低溫箱出口的低溫空氣冷卻渦輪進(jìn)口的壓縮空氣，被冷卻空氣排出的冷凝水通過水分離器1除去;(3)二級回?zé)崃鞒?在一級回?zé)岬幕A(chǔ)上增加回?zé)崞?和相應(yīng)的水分離器2，用回?zé)崞?冷邊出口空氣冷卻壓氣機(jī)進(jìn)口的壓縮空氣，同樣利用水分離器2除去被冷卻空氣排出的冷凝水。不同回?zé)崃鞒掏ㄟ^調(diào)節(jié)截止閥開關(guān)得以實(shí)現(xiàn)。

3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

由于在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，空壓機(jī)通過間歇運(yùn)行為空氣制冷系統(tǒng)提供壓縮空氣。故空氣制冷系統(tǒng)所需壓縮耗功功率為:

4空氣制冷系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文設(shè)定的實(shí)驗(yàn)工況為:制冷溫度－15℃，環(huán)境溫度20℃，壓氣機(jī)進(jìn)氣壓力分別為170、180、190和200kPa。對3種回?zé)崃鞒滔碌目諝庋h(huán)制冷系統(tǒng)進(jìn)行性能測試，分析系統(tǒng)流程以及工況條件對系統(tǒng)性能的影響。

4．1回?zé)崃鞒虒ο到y(tǒng)制冷性能的影響在上述工況下對3種回?zé)崃鞒痰目諝庵评溲h(huán)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圖2和圖3分別為不同回?zé)崃鞒滔孪到y(tǒng)COP和制冷量隨壓氣機(jī)進(jìn)口壓力的變化。由圖2和圖3可以看出，對于3種回?zé)崃鞒痰目諝庵评湎到y(tǒng)，一級、二級回?zé)崃鞒痰南到y(tǒng)COP和制冷量比無回?zé)崃鞒潭加兴龃?，且二級回?zé)崃鞒痰脑龇笥谝患壔責(zé)崃鞒?。?dāng)壓氣機(jī)進(jìn)口壓力為200kPa時(shí)，二級回?zé)崃鞒梯^無回?zé)崃鞒痰南到y(tǒng)制冷量由1700W增加到2500W，相應(yīng)的系統(tǒng)COP由0．27升高到0.38，分別提高了47%和41%。上述表明空氣制冷系統(tǒng)中采用回?zé)崃鞒痰男阅芤獌?yōu)于無回?zé)崃鞒?，增加回?zé)崞骷八蛛x器對整個(gè)系統(tǒng)是有利的。另一方面，在相同的回?zé)崃鞒滔?，系統(tǒng)的COP和制冷量均隨著壓氣機(jī)進(jìn)口壓力的升高而增大，但由于受到渦輪轉(zhuǎn)速的限制，渦輪壓氣機(jī)組所能允許的最高進(jìn)氣壓力為200kPa。渦輪出口溫度是空氣制冷系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)，其直接影響系統(tǒng)的制冷溫度和制冷量。圖4為3種回?zé)崃鞒滔聹u輪出口溫度隨壓氣機(jī)進(jìn)口壓力的變化。由圖4可知，與無回?zé)崃鞒滔啾?，一級、二級回?zé)崃鞒探档土藴u輪的出口溫度，且二級回?zé)崃鞒痰慕档头雀鼮槊黠@。當(dāng)壓氣機(jī)進(jìn)口壓力為200kPa時(shí)，二級回?zé)崃鞒毯蜔o回?zé)崃鞒滔啾?，渦輪的出口溫度由－31℃降低到了－39℃。因此在同等壓氣機(jī)進(jìn)口壓力條件下，采用二級回?zé)崃鞒炭梢燥@著提高系統(tǒng)COP和制冷量。而對于相同的回?zé)崃鞒?，渦輪出口溫度隨壓氣機(jī)進(jìn)口壓力的升高明顯降低。由此可見，較高的壓氣機(jī)進(jìn)口壓力對提高系統(tǒng)性能是有利的。

4．2回?zé)崃鞒虒ο到y(tǒng)除水性能的影響相同的工況條件下，3種回?zé)崃鞒痰臏u輪進(jìn)口含濕量和渦輪中水蒸氣的冷凝量隨壓氣機(jī)進(jìn)口壓力的變化情況如圖5和圖6所示。由圖5可清楚地看到，不同的回?zé)崃鞒虒u輪進(jìn)口含濕量影響較大。在相同的壓氣機(jī)進(jìn)口壓力條件下，無回?zé)崃鞒痰臏u輪進(jìn)口含濕量最大，二級回?zé)崃鲌D5回?zé)崃鞒虒u輪進(jìn)口含濕量的影響e圖6回?zé)崃鞒虒u輪中水蒸氣冷凝量影響程的渦輪進(jìn)口含濕量最小。當(dāng)壓氣機(jī)進(jìn)口壓力為170kPa時(shí)，二級回?zé)崃鞒痰臏u輪進(jìn)口含濕量約為2.24g/kg，與無回?zé)崃鞒痰臏u輪進(jìn)口含濕量3．53g/kg相比，降低了36%。而一級回?zé)崃鞒膛c無回?zé)崃鞒滔啾葴u輪進(jìn)口含濕量降低幅度較小，約為9%。由此可見，系統(tǒng)中增加兩級回?zé)崞骷八蛛x器可有效降低渦輪進(jìn)口含濕量，有利于提高空氣制冷系統(tǒng)的除水性能。由圖6可見，對于相同的壓氣機(jī)進(jìn)口壓力，二級回?zé)崃鞒滔聹u輪中水蒸氣的冷凝量最少。當(dāng)壓氣機(jī)進(jìn)口壓力為200kPa時(shí)，與無回?zé)崃鞒讨袦u輪水蒸氣的冷凝量3．35g/kg相比，一級回?zé)崃鞒毯投壔責(zé)崃鞒讨兴魵獾睦淠繙p少為2．68g/kg和2．13g/kg，分別減少了20%和36%。這是由于增加回?zé)崞骷八蛛x器后，渦輪進(jìn)口的含濕量減少，因而渦輪中水蒸氣的冷凝量也相應(yīng)減少。這有利于提高空氣制冷系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

4．3制冷溫度對系統(tǒng)性能的影響不同的制冷溫度工況下，二級回?zé)崃鞒痰南到y(tǒng)COP和制冷量隨壓氣機(jī)進(jìn)口壓力的變化如圖7和圖8所示。圖中的3條曲線分別對應(yīng)的系統(tǒng)制冷溫度為－10℃、－15℃和－20℃。由圖7和圖8可知，對于相同的壓氣機(jī)進(jìn)口壓力，系統(tǒng)的COP和制冷量都隨制冷溫度的升高而增大。當(dāng)壓氣機(jī)進(jìn)口壓力為200kPa，制冷溫度從－20℃升高到－10℃時(shí)，系統(tǒng)的COP從0．23升高到0.38，制冷量從1300W升高到2500W。但是，整體而言，空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)的效率還比較低，因此，后期將以此為重點(diǎn)，進(jìn)一步研究提高系統(tǒng)制冷效率的途徑。

5結(jié)論

在不同的工況條件下，對升壓式低溫空氣制冷系統(tǒng)進(jìn)行了3種回?zé)崃鞒痰男阅軐?shí)驗(yàn)研究，得到的主要結(jié)論如下:(1)二級回?zé)崃鞒痰臏u輪出口溫度最低，其系統(tǒng)COP和制冷量也最大，一級回?zé)崃鞒檀沃?。這說明在系統(tǒng)中增加回?zé)崞骷八蛛x器，可顯著提高制冷系統(tǒng)的性能。當(dāng)壓氣機(jī)進(jìn)口壓力為200kPa時(shí)，二級回?zé)崃鞒痰腃OP較無回?zé)崃鞒烫岣吡?1%。另外，系統(tǒng)性能隨壓氣機(jī)進(jìn)口壓力的增大而提高。(2)一級、二級回?zé)崃鞒叹山档蜏u輪進(jìn)口含濕量，并且二級回?zé)崃鞒痰慕捣笥谝患壔責(zé)崃鞒?，這表明增加回?zé)崞骷八蛛x器可有效降低渦輪進(jìn)口含濕量，提高空氣制冷系統(tǒng)的除水性能。而壓氣機(jī)進(jìn)口壓力的升高對渦輪進(jìn)口空氣的含濕量影響不大。(3)3種回?zé)崃鞒讨?，二級回?zé)崃鞒痰臏u輪水蒸氣冷凝量最少。當(dāng)壓氣機(jī)進(jìn)口壓力為200kPa時(shí)，二級回?zé)崃鞒讨兴魵獾睦淠勘葻o回?zé)崃鞒讨兴魵獾睦淠繙p少了36%。因此二級回?zé)崃鞒炭梢赃M(jìn)一步提高系統(tǒng)工作的可靠性。(4)系統(tǒng)COP和制冷量均隨制冷溫度的升高而增加，但制冷效率總體還較低。

作者：張佩蘭 郭憲民 郭曉輝 凌睿 單位：天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室