自复叠制冷技术发展现状
2015-12-23刘鹏鹏盛伟焦中彦高旭阳
刘鹏鹏 盛伟 焦中彦 高旭阳
(河南理工大学 焦作 454000)
自复叠制冷技术发展现状
刘鹏鹏 盛伟 焦中彦 高旭阳
(河南理工大学 焦作 454000)
自复叠制冷因制冷温区较宽,在普冷、深冷领域具有十分广阔的应用前景。在介绍自复叠制冷技术的应用和原理的基础上,与单级压缩、两级压缩及复叠式制冷技术进行比较,指出了自复叠制冷技术的优势和特点。主要从自复叠制冷技术流程及混合制冷剂选择和配比两方面,对当前自复叠制冷技术的研究概况进行分析,并指出该技术在系统流程设计和混合工质的选择和配比方面未来的发展动向,为该技术的进一步研发和推广应用提供参考。
自复叠制冷;发展现状;混合工质;循环流程
在制取较低温度时,单级蒸气压缩式制冷循环已不能满足要求,复叠式制冷循环被广泛应用。复叠式制冷循环由经典复叠制冷循环和自复叠制冷循环组成,而在经典复叠式循环中,复叠级数的增加又会使系统结构变复杂、效率变低、成本增大[1]。自复叠制冷系统由于其结构简单、可靠性高、寿命长、成本低等优点,使这类制冷方式引起各国学者的广泛关注。自复叠属于传统复叠式制冷系统的一种特殊形式,主要用于制取-40℃以下的温度。该系统以多元混合工质为制冷剂,用一台压缩机,自然分离、多级复叠的方法,在高低沸点组分之间实现复叠,能在适中的压力与压比条件下制取较低的温度[2-3]。
追溯自复叠制冷技术的发展历史,在二十世纪三十年代就被首次提出[4],在1959年前苏联Klee⁃menko A P[5]采用氮烃类多元混合工质作为制冷剂成功地液化了天然气。此后,各国学者逐渐对自复叠制冷循环进行了深入的研究。目前,国外应用自复叠制冷技术已研制出许多成熟的产品,但国内技术还很落后,仍处在研究阶段,研究重点主要集中在改进系统流程和研究混合工质组合及配比上。
1 自复叠制冷技术的应用
由于自复叠制冷技术的优点,它成为实现-40~-160℃传统蒸气压缩制冷循环制冷温区主要形式之一[6],因此在低温生物与医疗、现代工业、食品保存、军事、航空航天、教育科研等领域有非常广泛的应用。目前自复叠制冷技术在低温箱和天然气液化领域的应用最广。
低温箱与电冰箱不同,只能采用冷冻方式。原来低温箱在市场上很少见,其制冷方式主要应用双级压缩或者经典复叠制冷循环[7]。20世纪80年代美国成功研制出单级压缩分凝制冷循环低温箱,目前国外已经有许多成熟的产品。但国内发展比较滞后,产品较少。荆磊等[8]研制出深低温箱,最低可制取-150℃,现已在低温生物与医疗研究、航天、科研生产等方面应用。
在天然气液化方面,起初第一代LNG厂家应用的是经典复叠制冷技术,近年来各厂家把自复叠制冷技术应用在天然气液化的预冷部分[9]。研究表明,自复叠制冷技术能明显提高热力学效率[10]。另外,小型天然气液化装置在许多较小规模的天然气气田里具有非常大的应用优势[11]。
除了应用于低温箱和液化天然气之外,自复叠制冷技术还有很多应用。超低温磁力搅拌冷阱可以使实验室保持低温状态的搅拌设备,具有较大的恒温范围,可以用在石油、医疗、教育科研方面[12];在船舶中应用改进的自复叠制冷循环可以解决传统船舶中一机多温冷藏系统的问题,实现船舶多温冷库[13];由于自复叠设备小,还可用于远洋捕捞低温保存海产品中[14];自复叠制冷技术还可以应用于精密工业制品、工程材料和电子元件的低温实验、冶金产品的调质以及材料的低温保存等方面[15]。
2 自复叠制冷方式原理
二元混合自复叠制冷系统的基本原理图如图1所示,混合工质在压缩机内压缩成高温高压的气体后,通过排气管道进入冷凝器,经过冷却冷凝后大部分高沸点制冷剂冷却为液体,而大部分低沸点工质仍是气态物质,经过管道进入气液分离器,在特殊设计的结构中通过重力的作用将两相工质分离,高沸点制冷剂从底部流出,经过节流之后进入冷凝蒸发器,汽化吸热冷却低沸点工质。低沸点工质冷却为液相工质后通过节流装置,进入蒸发器制冷。最后低温低压的高低沸点工质共同吸入吸气管道,最终进入压缩机完成一次循环。
图1 二元混合工质自复叠制冷系统基本原理图Fig.1 Schematic diagram of binary m ixed refrigerant auto⁃cascade refrigeration system
3 自复叠制冷方式与其他制冷方式比较
3.1 与单级压缩式制冷比较
单级压缩蒸气循环的蒸气温度一般在-20~-40℃,制冷温度过低会造成蒸发压力太低、压缩机压缩比增大等问题,从而造成制冷系数下降。在蒸发压力低到一定程度时,压缩机只运行而系统不制冷[16]。而自复叠制冷采用混合工质为制冷剂,在使节流运行压力大大降低的同时,在80 K以上的温区都具有较高的制冷效率。
3.2 与两级压缩式制冷比较
两级压缩式制冷采用两台压缩机,有效解决了单级压缩式的压缩比过大、排气温度过高、制冷性能降低等问题,从而能够制取一定的冷量。但是在蒸发压力过低时,外界空气渗入系统的可能性增大。若需要制取更低的制冷温度,需要采用低温制冷剂,但在常温下冷凝器冷凝压力较高,很难液化[16],这时采用自复叠制冷技术更显优势。
3.3 与经典复叠制冷比较
经典复叠制冷以单(两)级压缩制冷为基础,采用不同工质,多个单(两)级压缩通过冷凝蒸发器复叠而成。以两种工质复叠为例相比,在系统中采用高温区和低温区,两个相对独立的制冷系统,中间以冷凝蒸发器关联,这样相对的增加了设备的复杂性,在运行管理中造成不便。而在自复叠中,采用一台压缩机,由此相应减少了其附带的辅助设备,有效降低了生产成本。同时采用两种混合制冷剂制冷,同样可以达到所需求的制冷温度[16]。
3.4 自复叠制冷的特点
自复叠循环用一台压缩机得到几个不同的蒸发温度,可同时用作多种用途。冷凝蒸发器中高沸点制冷剂产生的冷量不仅可用来冷却低沸点制冷剂,多余的部分也可用来制冷,同时低温端没有运动部件使其稳定性增强,而且结构紧凑,设计灵活,更具有成本低、可靠性高等优点。
4 自复叠制冷系统研究发展概况
近年来自复叠制冷技术发展迅速,目前自复叠制冷技术研究主要集中在设计先进的低温制冷流程和混合制冷剂的选择与配比两个方面,以满足低温和环保的需求[17]。
4.1 自复叠制冷循环流程的改进
4.1.1 采用精馏装置
90年代中后期美国Little W A等[18-21]提出自清洁低温ACR循环,将早期的多次分凝ACR简化为一次分凝,并在气液分离器上加一分馏柱,以进一步分离残留在气体中的润滑油和其他杂质,具有较好效果。90年代末,陈光明等[22]提出单级压缩一次精馏ACR循环,其分离的低沸点工质的纯度达到99.9%以上。2002年陈光明在此基础上进行改进,用精馏塔代替多级分凝装置[23],保证了各组分制冷剂及润滑油之间进行传热和传质的时间和空间,达到了高效分离的目的。
近年来自复叠制冷技术发展迅速,但在制取较低温度时,开机启动时排气压力、排气温度和输入功率等都会对制取最低温度和循环的平稳可靠性产生严重的影响。对此问题,在陈光明等[22-23]、Missimer D J[24]、公茂琼等[25]、Rozhentsev A等[26]研究的基础上,王勤等[27-28]结合提出一种变浓度精馏型自复叠制冷系统[29],不仅可以实现低温、高效的作用,还可以对开机时压缩机的排气压力、排气温度和输入功率有明显的降低作用,保证系统平稳运行。如图2所示该系统主要依靠变浓度模块运行。变浓度模块由三个部分组成:截止阀V1、截止阀V2和储气罐H1构成模块一,截止阀V3、截止阀V4和储气罐H2构成模块二,截止阀V5、截止阀V6和储液罐P构成模块三,在运行时模块一和模块二可以单独使用或者组合使用,对系统的开机过程有改善作用。王勤等[27-28]搭建了实验装置,对比验证了两种不同开机模式下的系统开机模式。实验结果表明,变浓度模块能明显改善压缩机的工作性能,防止润滑油碳化,使压缩机正常平稳开机,优化了其开机过程,保证了系统的稳定性。
图2 变浓度精馏型自复叠制冷循环流程图Fig.2 Flow diagram of variable compositions auto⁃cascade refrigerator operating with rectifying column
4.1.2 使用分凝分离器
刘建丽等[30]进行一种新型分凝分离式混合工质自复叠节流制冷机的研究,设计了一种新型分凝分离器,它以内部传热和传质的分凝分离方式来实现。
如图3所示,采用高压流体内部传热传质分离方式,利用低压反流提供分离驱动力,使高压流体的冷凝回流将高压流体中较高沸点的组分在较高温区分离出来,同时确保分离出的气体中包含较高沸点的组分远低于传统平衡闪蒸方式,且分离方式只依靠重力无需外来机械部件和特殊流道设计,可获得较高的热效率和运行的可靠性。
图3 使用分凝分离器的自复叠制冷循环流程图Fig.3 Flow diagram of auto⁃cascade refrigeration cycle with using segregation separator
4.1.3 结合涡流管
浙江大学与中科院共同提出了多元混合工质内复叠节流结合涡流管复合循环[31],如图4所示。涡流管制冷具有造价低廉、无运动部件、工作稳定、易操作保护、对环境友好等优点。而复合循环结合多元混合物工质节流技术与涡流管制冷技术,可在液氮以下温区高效地运行。复合循环与传统内复叠循环相比,不同之处在于其采用涡流管而非节流元件来构成新型的复合内复叠循环。在整个制冷系统中运动部件只有压缩机,与其他低温制冷机相比有很大优越性。
图4 多元混合工质内复叠节流结合涡流管复合循环流程图Fig.4 Flow diagram of hybrid refrigeration cycle m ixed⁃refrigerant auto⁃cascade J⁃T cycle com bined with vortex tube
4.1.4增加逆流换热器
逆流换热器是多元混合工质低温节流制冷机中最关键的部件之一,公茂琼等[32]对其进行了研究改进,用实验的方法得出三个典型制冷温度范围,和两个不同结构的管套管式换热器采用三种相应混合物工质典型的温度分布、压力分布及换热特性分布,对制冷系统换热器的设计有一定的参考意义。任挪颖等[33]在进行自复叠双温冰箱改进流程研究时,提出分别在冷藏室蒸发器前、冷冻室蒸发器前、气液分离器前增加逆流换热器的解决方案。研究表明:三种改进方案都可以改善系统参数,可降低蒸发器温度或提高系统的效率,并可应用到实际装置中。
图5所示为一种改进型单级分凝自复叠制冷循环图。图中逆流换热器相当于单级压缩中的回热器,但是逆流换热器在不同设置位置对循环有不同的作用和影响。在自复叠系统中无法保证进入压缩机气态制冷剂具有一定的过热度,压缩机存在液击的危险。逆流换热器1是将高压管路中的制冷剂进一步冷凝,在吸气管内提高吸气温度,防止“液击”的发生。逆流换热器2是将高压管道的低沸点工质过冷,低压管道的低沸点工质过热,进一步提高制冷量,同时传热温差和传热面积也影响着循环性能。
图5 改进型单级分凝自复叠制冷循环图Fig.5 Diagram of improved single⁃stage segregation separator for auto⁃cascade refrigeration cycle
4.1.5 使用气液分离器
传统的自复叠循环的气液分离器是采用等温等压下平衡闪蒸的分离方式,通过对流道的设计采取一定的措施,使气相和液相依靠重力的作用实现自动分离。但是这种分离方式并不能很好的将高沸点工质分离出来。
为了更好的提高分离效果,图6采用气液分离器和分凝器联合使用的自复叠制冷循环,而通常情况下也会采用气液分离器和冷凝蒸发器联合使用。从气液分离器上端出来的气相混合工质进入分凝器进一步冷却。通过分凝器的降温,气相混合工质中低沸点组分的含量增大,但是一部分气相工质被冷凝为液相,返回气液分离器,使得进入蒸发器的制冷剂流量减少,从而降低蒸发器的制冷量[34]。但这种流程应用的设备比较复杂,控制管理困难,实际推广中难度较大。
图6 具有气液分离器的自复叠制冷循环图Fig.6 Diagram of auto⁃cascade refrigeration cycle with gas⁃liquid separator
4.2 混合工质的研究
4.2.1 混合工质的配比研究
自复叠制冷由低温制冷剂通过节流后蒸发制取,低温制冷剂决定了系统的制冷量,而高温制冷剂影响到低温制冷剂的制冷能力,所以制冷循环能否顺利高效的运行是循环设计的重要部分,也是近年来国内外开展研究的重点。混合工质配比直接会影响系统的效率和制冷温度,在工质的选择中也要满足高效,环保,制取低温的要求。而对于非共沸混合工质在相变的时候是变温的,因而减少了换热器的传热温差,提高了制冷循环的效率[35]。
Kim S G等[36]使用R744/R290和R744/R134a对自复叠系统的可靠性进行探究,研究表明在制冷剂中R744含量不高的情况下,系统中压力不大,常规的压缩机就可以完成循环。刘训海等[37]运用控制变量法,只改变系统中的混合工质配比来做优化实验。低沸点工质用R23,高沸点工质用R134a。结果表明,混合工质R23含40%作用时,制冷系统性能最佳。陆向阳等[38]使用R134a/R23对自复叠系统作了实验研究,研究表明制冷温度和制冷量相互制约。王勤等[28]用准稳态数值模拟的方法,以精馏型自复叠制冷系统为冷源研究冷冻干燥装置降温速率的影响,结果发现混合工质成分和循环压比给定时,循环单位制冷量随压比变化有峰值存在。芮胜军等[39]对自复叠制冷系统工质成分进行分析,发现制冷系统在不同运行时期,工质的浓度会发生变化。
4.2.2 混合工质组合比较
自复叠制冷系统高温部分中温制冷剂常见的有R22、R134a、R600a、R502、R1270、R290,低温部分低温制冷剂有R23、R14、R744、R170、R1150。目前常见的混合工质组合及最佳配比如表1所示。
表1 混合工质组合及最佳配比Tab.1 M ixed refrigerants combinations and the optimal ratio
钱文波等[40]对不同的混合工质组合对系统性能的影响进行了研究。研究表明:每个混合工质组合都有最佳配比,在配比最佳时系统 COP最大,其中R290/R744循环的COP最大;在最佳配比时,蒸气温度不断升高的同时其循环的COP也在不断升高,而冷凝压力不受影响,故在达到需求温度的前提下适当提高蒸气温度;在给定压缩机排气温度上限时,R32/R600a、R134a/R23和R600a/R744系统的压缩机耗功和制冷量都在增加,而 R22/R23、R290/R744、R134a/R744系统的压缩机耗功和制冷量先增后减。
4.3 其他研究
4.3.1 自复叠热泵研究
自复叠热泵可以实现较低温度的低热源来制取较高的温度。刘金平等[41]对二元自复叠热泵进行研究,研究表明在热泵加热时热泵有明显的相积存现象,最大可达充灌总量的一半以上,而相积存导致性能发生变化。陶锴等[42]提出自复叠热泵中加入中间压力调节阀,相比传统自复叠热泵可克服冷凝器换热不充分且温差过大等问题,以达到提高冷凝器热量利用率和系统稳定的目的。
4.3.2 自复叠配件研究
自复叠配件研究主要集中在对系统装置中节流元件的研究。在节流元件研究中,胡春霞等[43]在计算混合工质毛细管长度时引入单一制冷剂使用的微元长度法,减少了自复叠制冷系统的实验工作量;刘金平等[44]研究节流阀对流量影响时,发现节流阀的开度对主流流量、节流流量都会产生显著影响,在相同开度变化时,主支节流阀的交互效应对主流的影响更大,可适当回调主节流阀。
除了以上研究,苏健[45]提出结合制冷剂自动充注装置和计算机控制逻辑构建一套反馈控制系统实现制冷剂充注过程控制,以克服手工操作中准确性和重复性差、操作麻烦等问题,从而实现较高的充注精度和准确的工质配比。
5 结论与展望
综合国内外对自复叠制冷技术研究成果,可得出以下结论:
1)自复叠制冷技术有非常宽的制冷温区,因此在普冷、深冷领域有非常广阔的应用前景。
2)在自复叠制冷系统流程设计方面,已经有许多学者在研究二级、三级和四级等系统流程。但目前理论还不成熟,还需在提高系统的稳定性和COP方面不断探索以使自复叠更加完善。
3)在系统部件上,市场开发仍有许多局限,还需要进一步推广应用。另外,节流装置、充注装置、分离装置等研究很少,还有很多工作要做。
4)混合工质的组合和配比会对自复叠系统的性能产生直接的影响。因此在如何选取合适的混合工质和最佳的配比方案上仍需要进一步研究。此外,还需要对系统参数的优化和制冷剂泄露如何充注等问题充分考虑。
本文受河南省动力工程及工程热物理一级重点学科(60405/008)项目资助。(The project was supported by the Lev⁃el Key Disciplines of Henan Power Engineering and Engineering Thermalphysics(No.60405/008).)
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盛伟,男,博士,副教授,河南理工大学,15039118299,E⁃mail:weisean@163.com。研究方向:制冷新技术理论与应用。
About the corresponding author
Sheng Wei,male,doctor,associate professor,Hennan Polytech⁃nic University,+86 15039118299,E⁃mail:weisean@163.com. Research fields:the new refrigeration technology theory and appli⁃cation,et al.
Development Status of Auto⁃cascade Refrigeration Technology
Liu Pengpeng Sheng Wei Jiao Zhongyan Gao Xuyang
(Hennan Polytechnic University,Jiaozuo,454000,China)
Water As a refrigeration technology with wide⁃temperature district,auto⁃cascade refrigeration has a very broad application prospect in the refrigeration and cryogenic field.Compared with single stage compression,two stage compression and cascade refrigeration technology,the advantages and characteristics of auto⁃cascade refrigeration technology are pointed out after the principles and application of auto⁃cas⁃cade refrigeration technology are introduced.Mainly from auto⁃cascade refrigeration technology process and mixed refrigerant selection and proportion,the current research situation of auto⁃cascade refrigeration technology is analyzed,and the technology development trends of the design of system process and mixed refrigerant selection and proportion are pointed out.This paper provides a reference of the technol⁃ogy for further development and application.
auto⁃cascade refrigeration;development status;mixed refrigerants;cyclic process
TB66;TB64
A
0253-4339(2015)04-0045-07
10.3969/j.issn.0253-4339.2015.04.045
简介
2014年10月20日