自复叠制冷系统中套管式冷凝器的应用研究

芮胜军 张 华 王洪年 李娟娟

(1上海理工大学制冷技术研究所 上海 200093;2河南科技大学车辆与动力工程学院 洛阳 471003;3海尔集团技术研发中心 青岛 266103)

自复叠制冷系统采用两种或两种以上的混合制冷工质，通过单台压缩机实现多级复叠，制取－40℃～－150℃之间的低温环境:广泛应用于低温电子，低温医学，低温生物，低温实验环境等小型设备［1］。混合制冷工质由纯工质按照一定的比例混合而成，根据其共沸特性，分为共沸混合工质和非共沸混合工质。共沸混合工质定压蒸发或冷凝时，其泡点和露点温度相等，具有与纯工质相同的恒温恒压蒸发冷凝特性。非共沸混合工质没有共沸点，在定压下蒸发或冷凝时，气相和液相具有不同的成分，蒸发温度也随之变化。

非共沸混合制冷工质的冷凝过程温度呈对数函数规律变化，相对于恒温冷凝的纯制冷工质而言，温度逐渐变化的趋势更符合有限空间的传热规律［2］。非共沸混合制冷工质可近似实现劳仑兹循环，根据热力学第二定律，冷凝介质与制冷工质的传热温差越小，其熵增越小，即不可逆损失越小。当冷凝介质与制冷工质的温差为零，熵增和不可逆损失均为零，但没有温差不能达到换热的效果。非共沸混合制冷工质冷凝的变温特性很好地迎合了换热器的变温特点，使传热不可逆损失相对于纯工质大大减小［3］。

套管式冷凝器广泛应用于各种小型制冷装置系统，由外套管及内穿的单根或多根传热管组成，弯制成圆形或椭圆形螺旋结构。外管采用无缝钢管或铜管，内管多用紫铜管，整个系统为逆流换热。通常套管式冷凝器冷却水在内管流动，制冷工质在套管间流动，如图1所示［4］。冷却水在内管流动，流向为下进上出;气态制冷工质在外套管自上而下流动，冷凝后的液体从下部流出。制冷工质气体同时受传热管内冷却水和管外空气冷却，逆向流动布置传热效果较好。对于混合制冷工质冷凝，由于冷凝中后期制冷工质处于气液两相状态，如果工质在套管间流动，容易出现积液、气液分离、死体积等现象，还会引起气体和液体工质流速差别较大等情况［3］，从而影响制冷系统的稳定运行。所以根据混合工质的冷凝特性选取制冷工质在内管流动，冷却水在套管间流动。

压缩机排出的混合制冷工质在冷凝器中流动阻力比较小，可认为是一个恒压冷却冷凝过程。其释放的热量有以下三部分:过热蒸气进入冷凝器显热放热，温度下降到露点温度;部分工质冷凝为液体，释放出汽化潜热;剩余气体工质进一步冷却，释放显热［5］。

1 二元工质冷凝过程分析

1.1 二元工质冷凝特性

以两种制冷工质R600a和R23的质量分数比为7∶3为研究对象。套管间冷却水与内管混和制冷工质逆流换热，不考虑套管间冷却水与外界环境的热量交换。工质和冷却水的温度变化如图2所示。

图2工质和冷却水温度变化Fig．2 Temperature change of refrigerant and cooling water

套管式冷凝器设计计算时作如下假设:系统内部制冷工质流动压力损失忽略不计，系统内只有两个压力:冷凝压力2.0 MPa和蒸发压力0.2 MPa。选用泰康1.5匹压缩机CAJ2464Z，吸排气管尺寸分别为:15.9×0.889 mm，9.52×0.813 mm，理论排量34.45 cm3，压缩机转速按额定转速2800 r/min计算。吸排气温度开始时都不能准确确定，如果吸排气温度太低，则容易引起压缩机回气管带液，造成压缩机液击。0.2 MPa时混合工质的露点温度为－17.143℃，为了避免压缩机回气管带液，一般回气管路应有20℃的回气过热度;吸气温度太高则相应的排气温度太高，通常排气温度不能超过120℃，否则容易引起润滑油分解、碳化等现象。综合考虑各种情况，确定冷凝器中混合制冷工质和冷却水的流动特性如表1所示。

表1 混合制冷工质在冷凝器中的流动特性Tab．1 Flow characteristics of mixed refrigerant in condenser

混合气体工质遇到低于其露点温度的冷却壁时，紧靠壁面的高沸点组元气体分子开始凝结，形成一层凝液膜。这些气体分子的凝结，使壁面附近高沸点组元的气体分压力降低，由远离壁面处的分压力降至气液分界面上的压力。在壁面附近，不凝结气体分子的不断积聚，使其分压力逐渐升高，由远离壁面处的压力上升至气液分界面上的压力。这样就在液膜外面又形成一层气膜，高沸点分子必须借助扩散穿过这层气膜，才能到达液膜表面进行凝结，这层气膜构成了凝结放热的主要热阻，因而使放热系数大大降低［3］。在这层气膜中温度也发生相应的变化，由气膜外部的温度降低到气液分界面上的温度(与其压力相对应的饱和温度)。由于温差的存在，在气膜与液膜间的表面上产生了对流换热。对于多元非共沸混合工质，由于其冷凝温度差别较大，低沸点工质可作为不凝性气体处理［6－7］。工质R600a和R23的热物理特性如表2所示［8］。

表2两种纯制冷工质的热物理特性Tab．2 Thermal physical properties of two kinds of pure refrigerants

1.2 定压冷凝过程分析

非共沸混合工质在定压下冷凝时，气相和液相的质量分数不同，温度也不断变化。图3是根据NIST refprop 8.0软件计算并绘制的压力恒定为2.0 MPa，二元混合制冷工质R600a和R23不同质量分数的泡点温度和露点温度线，它显示了这两种混合工质的气液平衡关系。横坐标表示混合工质中R23的质量百分含量，纵坐标表示温度。图中上边一条曲线为露点温度线，表示在相同压力不同温度时与液相平衡的气相组成，它表示不同组分的气体开始冷凝时的温度，称为气相线或冷凝等压线;下边一条曲线是在一定压力下的泡点温度线，即不同组分溶液开始沸腾时的温度，也称为液相线或沸腾等压线［9－10］。不同质量分数的泡点温度和露点温度可以通过与纵坐标平行的线段进行分析;不同温度的气相和液相质量分数可以通过与横坐标平行的线段进行分析。

图3压力2.0 MPa时泡点温度和露点温度Fig．3 Bubble point and dew point temperature at 2.0 MPa

当R600a和R23混合工质的质量分数为7∶3时，在冷凝压力2.0 MPa混合工质随温度的变化特性如表3所示。如果压缩机出口混合制冷工质温度为110℃，则混合制冷工质在压缩机出口呈过热单一的气体状态，混合气体工质的质量分数分别为70%和30%。

表3混合制冷工质在2.0 MPa时特性变化Tab．3 Characteristic change of mixed refrigerant at 2.0 MPa

压缩机排出的高温高压混合工质气体在冷却介质(水或空气)的作用下温度逐渐降低，当达到80.31℃时，开始有混合工质液滴析出。开始出现的液滴并不是纯净的R600a工质，其中R600a的质量分数为94.79%;R23的质量分数为5.21%。随着温度逐渐降低，混合工质气体逐渐冷凝为液体，所冷凝的液体中R23的质量分数逐渐增多，R600a的质量分数逐渐减少。在80.31℃到22.89℃之间为混合制冷工质逐渐冷凝的过程，到22.89℃混合工质全部冷凝为液体。最后冷凝的液滴并不是纯净的R23工质，其中R600a的质量分数为17.51%;R23的质量分数为82.49%。混合液体工质的质量分数分别为70%和30%，整个冷凝过程液相中R23的质量分数逐渐由5.21%增加到30%，液相中R600a的质量分数逐渐由94.79%减小到70%;气相中R23的质量分数逐渐由30%增加到82.49%，气相中R600a的质量分数逐渐由70%减小到17.51%。两种工质始终处于混合状态，很难达到完全分离。

当温度进一步降低时，混合工质过冷。实际冷凝过程中，由于少量不凝性气体和润滑油等的存在，使混合工质始终处于气液平衡状态。即使达到过冷状态以后，由于混合工质在流动过程冷凝时处于湍流状态，大量的液体混合工质里面仍然夹杂有少量不凝性气泡。

2 传热分析及设计计算

根据30℃气液混合物的焓278.47 kJ/kg和110℃过热气体的焓623.08 kJ/kg可计算出单位质量混合制冷工质的冷凝热量:623.08－278.47=344.61 kJ/kg，制冷工质质量流量:9.791 g/s，套管式冷凝器的冷凝负荷:1610 W，其中冷却段的负荷:768.8 W，冷凝段的负荷:841.2 W。混合工质换热系数按照冷却段和冷凝段分别计算。

冷却段混合工质都为气体状态，从110℃冷却到80.31℃工质状态不变。混合制冷工质在水平光管内的紊流冷却换热可采用迪图斯和贝尔特(Dittus and Boelter)提出的公式［11］:

上式适用的条件为:流体与壁面有中等以下的温差，0．7≤Pr≤160，Re≥104，l/d≥60，定性温度按气体在110℃到80.31℃温度段的平均温度95.2℃计算。

冷凝段温度区间为80.31℃到30℃，所以取平均温度55.2℃作为定性温度按下式进行计算［12］。

套管式冷凝器内管9.52×0.813 mm，外管19.1×0.889 mm。冷却水换热系数2031 W/(m2·K)，换热器长度4.842 m。

冷凝器将压缩机排出的高温高压气体制冷工质冷却冷凝，满足制冷工质在系统中循环使用的要求。混合制冷工质冷凝与单一制冷工质冷凝不同，是一个变温过程。温度滑移使制冷工质的物性也随着温度的变化而变化，采用混合制冷工质的平均温度作为定性温度，通过定性温度确定混合制冷工质的物性参数。

3 实验研究

混合工质冷凝受实验环境限制，本文对混合工质R600a和R23以7:3的比例进行运行特性实验研究。由于实验在冬季进行，系统冷凝温度较低，压缩机排气温度低于110℃，为了保证系统能在一年四季顺利运行，分析了系统冷凝温度的变化对压缩机吸排气温度的影响。通过改变冷却水的流量来改变进出口水温度，从而改变系统冷凝温度。不同水流量下冷却水的进口温度、出口温度和冷凝温度如表4所示。

表4不同水流量下对应的冷凝温度Tab．4 Condensing temperature of different water flow rate

图4为各冷凝温度下吸气温度的变化曲线。从图中可以看出随着冷凝温度的升高，压缩机的吸气温度也相应地升高，特别是前半小时变化比较显著。当水流量最小时，冷凝温度也最高，对应的吸气温度也最高，在2 h后达到25℃，由于实验系统采用大负荷换热器，使吸气温度并没有随着降温过程的深入而降低。四种水流量下的吸气温度均呈现上升趋势。

图5为不同冷凝温度下的排气温度曲线。从图中可以看出当冷却水流量为50.4L/h时，即冷凝温度为15.3℃时，压缩机的排气温度在前2 h内稳定在90℃以下。减小冷却水流量后，压缩机排气温度有所升高，当流量为12.5～33.0 L/h时，压缩机排气温度变化情况比较接近。在冬季由于水温和环境温度较低，冷却水流量即使在很低的情况下，压缩机的排气温度也保持在90℃以下。但在夏季，水温和环境温度均升高，压缩机排气温度将会很高，因此要保证夏季压缩机正常运行，必需加大冷却水量。

图4不同冷凝水流量的吸气温度Fig．4 Suction temperature in different condensing water flow

图5不同冷凝水流量的排气温度Fig．5 Exhaust temperature in different condensing water flow

图6为不同冷凝温度下的蒸发温度曲线。从图中可以看出冷却水的流量导致冷凝温度变化，对蒸发温度和系统的降温情况影响不大。这是由于系统的换热器很大，再加上水冷时换热系数较大，使制冷工质在节流前已经充分冷凝，从而导致同一制冷工质配比下四种冷凝温度的降温曲线相似。

在单级压缩循环实验中，系统冷凝温度对压缩机排气温度有较大影响。进出口水流量的大小影响着冷凝器换热的好坏，因此对压缩机排气温度有影响。由于采用混合工质运行，故研究进出口水流量对高压比运行的压缩机影响很重要。图7为R600a和R23以7∶3的比例混合运行时，水流量12.5 L/h时冷却水进出口温差及排气温度变化曲线。

图6不同冷凝水流量的蒸发温度Fig．6 Evaporation temperature in different condensing water flow

图7冷却水进出口温差及排气温度Fig．7 Inlet and outlet temperature of cooling water and exhaust temperature

当水流量为12.5 L/h时，压缩机排气温度在2 h内稳定在90℃以下。实验前期套管式冷凝器进出口水温差较大，但随着压缩机排气温度的升高，冷凝器进出口水温差逐渐减小，最后稳定在4.3℃。当系统运行稳定后冷凝器的负荷不但没有随压缩机排气温度的升高而增大，反而减小，这是由于随着压缩机排气温度的升高，压缩机的排气量减小。随着降温过程的不断进行，换热器高压侧温度逐渐下降，使部分高沸点制冷工质R600a沉积在换热器管道中，使系统制冷工质循环量减小，最终导致排气量减小，制冷量下降，系统COP降低。

4 结论

混合制冷工质冷凝是一个复杂的传热传质过程，涉及到相变传热、气液平衡等工程热力学和传热学的相关知识。工质中各组分气相和液相的成分随温度的变化而变化。本文以自动复叠制冷系统用套管式冷凝器为研究对象，深入地分析了混合制冷工质冷凝时的过程机理。针对套管式冷凝器的具体设计过程，通过详细的计算过程得到了换热器的具体尺寸。

混合工质冷凝中后期制冷工质处于气液两相状态，工质在套管间流动容易出现积液、气液分离、死体积等现象，还会引起气体和液体工质流速差别较大等不良情况，所以本文选取制冷工质在内管流动，冷却水在套管间流动。混合制冷工质在套管式冷凝器中先冷却后冷凝，可以分为冷却段和冷凝段，冷凝段又是部分工质冷凝。为了与压缩机排气管的直径相匹配，换热器内管直径相对较小，套管换热器长度相对比较大。在设计过程中考虑了水垢的影响，所以此冷凝器在安装完成后设备运行初期阶段冷凝负荷有一定的余量。

本文受上海曙光跟踪计划项目(10GG21)资助。(The project was supported by Shanghai Shuguang Tracking Program(No．10GG21)．)

［1］Dale J Missimer．Refrigerant conversion of Auto-Refrigerating Cascade(ARC)systems［J］．International Journal of Refrigeration，1997，20(3):201-207．

［2］Kai Du，Shaoqian Zhang，Weirong Xu，et al．A study on the cycle characteristics of an auto-cascade refrigeration system ［J］．Experimental Thermal and Fluid Science，2009，33(2):240-245．

［3］公茂琼．深冷多元混合工质回热式节流制冷机的热力分析及其实验研究［D］．北京:中国科学院理化技术研究所，2002．

［4］芮胜军，张华，张庆钢．套管式冷凝器冷凝混合工质的分析研究［J］．流体机械，2012，40(5):63-66．(Rui Shengjun，Zhang Hua，Zhang Qinggang．Study and Analysis on Double-pipe Condenser for Condensing Mixed Refrigerant［J］．Fluid Machinery，2012，40(5):63-66．)

［5］Zhou Yuanyuan，Yu Jianlin，Chen Xiaojuan．Thermodynamic optimization analysis of a tube-in-tube helically coiled heat exchanger for Joule-Thomson refrigerators［J］．International Journal of Thermal Sciences，2012，58:151-156．

［6］程有凯，常琳，张丽，等．具有不凝结气体存在的凝结换热研究［J］．制冷学报，2006，27(4):41-44．(Cheng Youkai，Chang Lin，Zhang Li，et al．Research on Condensation Heat Transfer with Presence of Non-condensable Gases［J］．Journal of Refrigeration，2006，27(4):41-44．)

［7］S G Kim，M S Kim．Experiment and simulation on the performance an auto cascade refrigeration system using carbon dioxide as a refrigerant［J］．International Journal of Refrigeration，2002，25(8):1093-1101．

［8］陈光明，陈国邦．制冷与低温原理［M］．第2版．北京:机械工业出版社，2010．

［9］张立强．复叠温区新型共沸混合工质池核沸腾换热实验研究［D］．上海:上海交通大学，2007．

［10］Wang Qin，Liu Rui，Wang Jiangpu，et al．An investigation of the mixing position in the recuperators on the performance of an auto-cascade refrigerator operating with a rectifying column［J］．Cryogenics，2012，52(11):581-589．

［11］杨世铭，陶文铨．传热学［M］．第4版．北京:高等教育出版社，2006．

［12］彦启森，申江，石文星．制冷技术及其应用［M］．北京:中国建筑工业出版社，2006．