带有分凝器的小型自复叠制冷循环性能分析

张 丽徐士鸣都萍杨春光高红岩舒卫华

（1大连理工大学能源与动力工程学院 大连 116024；2大连海洋大学机械与动力工程学院 大连 116023；3松下冷链（大连）有限公司营业技术部 大连 116600）

带有分凝器的小型自复叠制冷循环性能分析

张 丽1，2徐士鸣1都萍2杨春光2高红岩2舒卫华3

（1大连理工大学能源与动力工程学院 大连 116024；2大连海洋大学机械与动力工程学院 大连 116023；3松下冷链（大连）有限公司营业技术部 大连 116600）

为了提高小型自复叠制冷装置中CO2和丙烷的分离效率，在循环中增设了分凝器。分析了CO2浓度、冷凝器出口蒸汽干度及分凝器高压侧出口温度对带有分凝器的自复叠制冷循环性能的影响。结果表明，当CO2质量浓度从0.22上升到0.31时，实验和理论计算的蒸发温度分别升高了6.8 K和5.7 K，相应的COP分别提高了68.3%和24.9%。当冷凝器出口蒸汽干度从0.5增加到0.9时，蒸发温度先降低后升高，在干度等于0.7时达到了211.37 K的最低值；COP陡降了98.8%。此外，分凝器高压侧出口温度升高8.21 K导致蒸发温度升高了1.41 K，COP增加了21.3%。

自复叠制冷循环；分凝器；天然制冷剂；CO2；丙烷

自1974年美国加利弗利亚大学的Molina教授和Rowland教授提出了著名的CFCS问题［1］，以及《蒙特利尔议定书》和《京都议定书》两部对全球环境保护有重大意义的协定颁布以来，应用于自复叠制冷循环的非共沸混合工质经历了从氯氟烃向环境友好型制冷剂的转变［2－3］。CO2、丙烷等天然工质因其不破坏大气臭氧层、温室效应潜能值小而受到广泛关注［4－12］。CO2工作压力高，考虑管道及设备的承压能力，必须限制其在混合物中的浓度。并且CO2和丙烷融合性较高［13－14］，普通平衡蒸馏方法很难获得高浓度的CO2，使得自复叠制冷系统蒸发温度较高，而且相变时温度滑移大，不利于获得低温［15］。Kim S G等［16］从理论和实验两个方面分析了CO2／丙烷和CO2／R134a作制冷剂的自复叠制冷系统的性能。结果表明，在相同的CO2组分浓度下，CO2／丙烷自复叠制冷系统的性能系数（COP）大于以CO2／R134a作制冷剂的COP。但是，前者能达到的最低蒸发温度比后者高12.6℃。说明仅通过一个气⁃液相分离器来分离CO2和丙烷是不够的。有的通过在循环中增加相分离器的个数来增加分离效率，也有的用精馏柱代替相分离来达到目的［17－20］，但是系统变得更复杂。

解决的方式是在小型自复叠制冷循环中增设分凝器。它结构简单，利用内部热交换器的工作原理及CO2、丙烷沸点温差大的特点来进一步提纯CO2，获得更低蒸发温度。本文主要研究充注制冷剂浓度、冷凝器出口干度及分凝器高压侧出口温度等参数对带有分凝器的自复叠制冷循环性能的影响规律。

1 实验装置

整个实验过程在自行设计组装的小型自复叠制冷装置上完成。该自复叠制冷实验装置流程如图1所示，图中数字表示制冷剂状态点。整个制冷循环分成四个回路：混合回路、高温、低温回路和冷却水回路。

图1 小型CO2／丙烷自复叠制冷实验装置图Fig.1 Schematic diagram of a small⁃sized auto⁃cascade refrigeration system

在装置中首先充入300 g丙烷，然后分四次充入CO2，形成四种组分浓度分别进行实验。在冷却水温度和流量相同时，比较不同CO2质量浓度下循环蒸发温度、制冷量、压缩机输入功率及 COP的变化情况。

2 相分离器及分凝器模型

冷凝器出口两相混合制冷剂（3点）在相分离器中被分成饱和气体和液体两部分。主要含量为丙烷的高压液体（8点）从相分离器底部流出；主要含量为CO2的高压气体（41点）从相分离器顶部流出，然后进入分凝器高压侧。高压饱和气体在分凝器中被低压回气（11点）冷却，部分气体冷凝并返流至相分离器，与其底部的饱和液体混合，未冷凝高压气体（4点）进入冷凝蒸发器。

式中：z3为充注制冷剂中CO2质量浓度；zv，zl分别为冷凝器出口气相和液相CO2质量浓度。

在分凝器高压侧，由于冷凝液回流至相分离器，因此出口处的气体质量流量小于入口处。令：

式中：q4为分凝器高压侧出口与入口制冷剂质量流量比；为4点（分凝器高压侧出口）质量流量，kg／s。

同样，q4还可以表示为：

式中：z40为分凝器产生的冷凝液中CO2质量浓度；z4为4点饱和气体的CO2质量浓度。

相分离器出口8点饱和液体中CO2的质量浓度z8为：

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将式（1）～（5）带入式（6）中得到：

3 结果与讨论

3.1 CO2浓度对循环性能的影响

从理论和实验两个方面研究了CO2浓度对带有分凝器的自复叠制冷循环性能的影响。为了方便比较结果，理论计算与实验条件相同。

当冷却水温度为303.15 K时，蒸发温度（蒸发器入口处）随CO2浓度变化关系如图2所示。从图2可以看出，混合制冷剂中CO2浓度越大，蒸发温度越高。CO2浓度增加引起蒸发压力的迅速升高从而导致了蒸发温度的升高。当CO2浓度从0.22上升到0.31时，实验和理论结果显示蒸发温度分别升高了6.8 K和5.7 K。

图2 蒸发温度随CO2浓度变化曲线Fig.2 Evaporating temperature versus CO2mass concentration

图3显示了制冷量、输入功率和COP与CO2浓度的变化关系。可以看到，随着CO2浓度的增加，制冷量、输入功耗和系统COP都呈现上升的趋势。与丙烷相比，CO2压力高，比容小，因此CO2浓度越大则压缩机吸气比容值越小，导致无论是整个循环还是低温环路的质量流量都增加。而低温环路质量流量的增加是制冷量增加的主要原因。压缩机功耗增大主要是由于总循环质量流量的增加和压缩比的升高。此外，当CO2浓度从0.22上升到0.31时，实验和理论计算结果显示COP分别提升68.3%和24.9%。

图3 制冷量、输入功率和COP随CO2充注浓度变化曲线Fig.3 Refrigeration capacity，power input and COP versus CO2mass concentration

3.2 冷凝器出口蒸汽干度对循环性能的影响

在冷凝器中，大部分丙烷被环境介质冷凝成液体，而大部分CO2仍为气体。因此，冷凝器出口制冷剂为气、液两相共存状态。通过理论模拟来分析冷凝器出口蒸汽干度q3对带有分凝器的自复叠制冷循环热力性能的影响。该模拟计算是在冷凝器出口制冷剂温度为304.25 K，CO2充注浓度为0.25的条件下进行的。

图4显示是循环吸、排气温度和蒸发温度随q3的变化情况。在q3从0.5增加到0.9的过程中，吸气温度和蒸发温度都是先降低后增加：当q3等于0.6时，吸气温度达到了最低值，为256.84 K；而当q3等于0.7时蒸发温度达到最低，为211.37 K。随着q3的增加，排气温度呈现单调下降的趋势，即从344.21 K下降到328.94 K。

图4 循环温度随冷凝器出口蒸汽干度变化曲线Fig.4 Temperature versus the vapor quality at condenser outlet

如图5所示，冷凝压力随着蒸汽干度q3的增大而下降，从1.917 MPa下降到1.577 MPa。在冷凝器出口温度和混合制冷剂浓度一定的条件下，根据相平衡原理计算可知冷凝器出口干度越大，冷凝压力越低。蒸发压力随着干度的增加先下降，然后上升。在干度q3为0.6时蒸发压力达到0.370 MPa的最低值，此时压缩比为4.868，达到最高值。图6表示制冷量、输入功率和性能系数随q3的变化情况。可以看出，随着干度q3的增加，制冷量和

图5 循环压力随冷凝器出口蒸汽干度变化曲线Fig.5 Pressure versus the vapor quality at condenser outlet

COP都是呈陡降趋势。干度从0.5增加到0.9，制冷量和COP分别下降了98.5%和98.8%。制冷量下降的主要原因是低温环路中制冷剂质量流量剧烈减少。从图6还可以看出，压缩机功耗随着干度的增加先下降然后上升，在干度为0.6时，达到0.694 kW的最低值。主要原因是总的制冷剂质量流量随着q3的增加先下降后上升，在q3为0.6时，达到最低值。

图6 制冷量、输入功率和系统COP随冷凝器出口蒸汽干度变化曲线Fig.6 Refrigeration capacity，power input and COP versus the vapor quality at condenser outlet

3.3 分凝器高压侧出口温度对循环性能的影响

为了研究分凝器高压侧出口温度t4对循环热力性能的影响，所有的理论计算都是在冷凝器出口制冷剂温度为304.25 K，CO2充注浓度为0.31，冷凝器出口干度为0.6的条件下进行的。

图7显示蒸发温度随t4的升高而升高。当分凝器高压侧出口温度升高时，进入低温回路的制冷剂中CO2浓度下降，比焓值上升导致蒸发温度升高。通过曲线斜率可以看出，t4越高，蒸发温度上升越快。t4升高8.21 K，引起蒸发温度升高了1.41 K。

图7 蒸发温度随分凝器高压侧出口温度变化曲线Fig.7 Evaporating tem perature versus the outlet tem perature on the high⁃pressure side of fractionation heat exchanger

图8显示制冷量、输入功率和COP均随t4的升高而增加。当t4升高时，首先，只有少量高压气体冷凝成液体并返流，因此进入低温环路的制冷剂质量流量增加；其次，蒸发温度升高使得单位制冷量上升，以上二方面是制冷量升高的主要原因。压缩机功耗增加是由于压缩比增大以及压缩机输送的制冷剂循环量增加。t4上升2.9%，引起COP上升了21.3%。

图8 制冷量、输入功率和系统COP随分凝器高压侧出口温度变化曲线Fig.8 Refrigeration capacity，power input and COP versus the outlet temperature on the high⁃pressure side of fractionation heat exchanger

4 结论

对于以CO2和丙烷作制冷剂的小型自复叠制冷装置，由于两种组分融合性高，因此提出在相分离器气相出口安装分凝器来提高进入蒸发器的混合制冷剂中CO2的浓度。本文主要研究了CO2浓度、冷凝器出口蒸汽干度及分凝器高压侧出口温度对带分凝器的自复叠循环性能的影响情况。结果表明：

1）蒸发温度随所充注的混合制冷剂中CO2质量浓度的增加而升高；此时循环的制冷量、压缩机输入功率也相应增加，COP提高。

2）随着冷凝器出口蒸汽干度的增加，压缩机排气温度单调降低；当蒸汽干度为0.6时压缩机吸气温度最低；当蒸汽干度为0.7时蒸发温度最低。

随着冷凝器出口蒸汽干度的增加，冷凝压力下降；当蒸汽干度为0.6时蒸发压力最低，此时循环压缩比最大。

随着冷凝器出口蒸汽干度的增加，制冷量剧烈降低，而压缩机输入功率先减少，在干度为0.6时到达最少后再增加，计算结果表明COP逐渐下降。

3）在CO2质量浓度和冷凝器出口蒸汽干度一定时，随着分凝器高压侧出口温度的升高，蒸发温度升高，循环的制冷量、压缩机输入功率及COP均增加。

本文受中国科学院低温工程重点实验室开放基金（CRYO201127）资助。（The project was supported by the Open Foundation of Key Laboratory of Cryogenics，TIPC，CAS（No. CRYO201127）.）

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张丽，女，副教授，大连海洋大学，机械与动力工程学院，（0411）84762221，E⁃mail：zhangl＠dlou.edu.cn。研究方向：制冷工质物性研究，制冷、热泵及空调系统节能及优化技术研究。

About the corresponding author

Zhang Li，female，associate professor，School of Mechanical and Power Engineering，Dalian Ocean University，＋86 411⁃84762221，E⁃mail：zhangl＠dlou.edu.cn.Research fields：prop⁃erties of refrigerants，energy saving and optimization of refrigera⁃tion，heat pump and air⁃conditioning system.

Performance of a Small⁃sized Auto⁃cascade Refrigerator with a Fractionation Heat Exchanger

Zhang Li1，2Xu Shiming1Du Ping2Yang Chunguang2Gao Hongyan2Shu Weihua3

（1.School of Energy and Power Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，116024，China；2.School of Mechanical and Power Engineering，Dalian Ocean University，Dalian，116023，China；3.Panasonic Appliance Cold Chain（Dalian）Co.，Ltd.，Dalian，116600，China）

Water A fractionation heat exchanger was employed to improve the separation efficiency of CO2and propane in the small⁃sized auto⁃cascade refrigeration cycle.The effects of CO2mass concentration，vapor quality at condenser outlet and the outlet temperature on the high⁃pressure side of the fractionation heat exchanger were analyzed.Results show that as CO2mass concentration grows from 0.22 to 0.31，the evaporating temperatures of the experiment and theoretical calculation are raised by 6.8 K and 5.7 K，respectively.And the corresponding COP is increased by 68.3%and 24.9%，respectively.Simulation data also reveal that as the vapor quality increases from 0.5 to 0.9，the evaporating temperature reaches the minimum of 211.37 K and COP drops sharply by 98.8%at a vapor quality of 0.7. In addition，when the outlet temperature on the high⁃pressure side of the fractionation heat exchanger is raised by 8.21 K，the evaporating temperature and COP are increased by 1.41 K and 21.3%，respectively.

auto⁃cascade refrigeration cycle；fractionation heat exchanger；natural refrigerant；CO2；propane

TB61＋5；TB657

A

0253－4339（2015）04－0052－06

10.3969／j.issn.0253－4339.2015.04.052

简介

2014年11月21日