基于大滑移温度非共沸工质的双温冷水机组

刘剑，张小松（东南大学能源与环境学院，能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏 南京 210096）



基于大滑移温度非共沸工质的双温冷水机组

刘剑，张小松
（东南大学能源与环境学院，能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏 南京 210096）

摘要：基于大滑移温度非共沸工质（R32/R236fa）的特性，搭建了可应用于温湿度独立控制系统的新型双温冷水机组及其实验系统，该机组可获得两种不同温度的冷冻水（例如低温7℃，高温16℃）。以机组的COP、制冷量等参数为评价指标，实验研究非共沸工质中R32的质量组分比例分别为30%、40%、50%、60%时机组在不同运行工况下的性能。结果表明：当冷却水进水温度为32℃，高、低温冷冻水的出水温度分别为16和7℃时，机组COP在R32质量组分比例为60%时达到3.92；而当R32的质量组分比例为50%时，机组具有最佳的综合性能，此时机组在不同运行工况下的COP均大于3.55。通过本研究可为非共沸工质在双温冷水机组中的应用以及优化提供数据基础。

关键词：大滑移温度；非共沸工质；双温；冷水机组；制冷系数

2015-03-09收到初稿，2015-09-28收到修改稿。

联系人：张小松。第一作者：刘剑（1990—），男，硕士研究生。

Received date: 2015-03-09.

Foundation item: supported by the National Key Technology R&D Program (2011BAJ03B14) and the National Natural Science Foundation of China (51376044).

引　言

随着经济的发展和人们生活水平的提高，建筑能耗在全国总能耗中占的比例不断增大，建筑运行能耗约占社会总能耗的25%左右，而建筑空调系统又是其中主要耗能设备之一[1]。据统计，上海地区空调使用高峰时，空调的电力负荷占全市总电力负荷的36%以上[2]。因此，建筑空调系统的节能降耗对缓解我国能源紧张状况有着重要的意义。目前，国内外不少学者对建筑空调系统的冷源即冷水机组进行研究，提出一系列改进和提高冷水机组性能的措施和方法。其中温湿度独立控制空调系统由于在节能、空气品质方面的优势而受到广泛关注[3]。目前，实现温湿度独立控制的方式主要是通过溶液除湿或固体吸附除湿等方法来承担空调系统潜热负荷，利用冷水机组制取高温冷冻水去除空调的显热负荷，具有较好的节能效果[4-7]。然而溶液除湿系统存在溶液对管道腐蚀、除湿效率低等问题[8]，固体吸附除湿设备体积大，吸附剂填充量大且再生热源温度高（100℃以上）[9]。为此，梁彩华等[10-11]在热湿独立处理的基础上提出热湿分段处理的空调负荷处理方式，通过两套以R22为工质的冷水机组来制取两种温度的冷冻水（7和16℃）。研究表明，在表冷器设计温差为7℃、出风温度为16℃时，冷水机组的COP相对于传统空调方式提高9.14%，在回风干球温度为25℃、湿球温度为21℃时，冷水机组COP提高达8%以上。

此外，国内外学者对将非共沸工质应用到冷水机组中也进行了大量理论与实验研究，Bobbo等[12]对非共沸工质R32/R236fa气液两相平衡状态进行了大量实验研究，并获得了大量的实验数据。Yilmaz 等[13]通过风冷式热泵系统对单一工质与非共沸混合工质两种情况进行对比实验研究，结果表明采用非共沸工质时，系统的效率与热力完善度都有所提高。Chen等[14]通过理论研究，提出一种利用R32/R134a的新型家用空调系统，结果表明该系统较用R22的传统系统效率提高8%～9%。赵力等[15]提出一种能适应大范围变工况要求的循环混合工质，实验研究表明，该工质既可以应用于冷凝温度高达80℃、蒸发温度25℃左右的高工况热泵系统，也可以应用于冷凝温度55℃、蒸发温度5℃的低工况空调系统，且效率较高。Tan等[16]提出采用R32+R236fa的一种自复叠系统，该系统可利用低温热源（80℃左右）获得−30℃的低温环境。

本文将非共沸工质应用于热湿分段处理的空调系统中，提出一种新型双温冷水机组，该冷水机组可产生两种不同温度的冷冻水，而该新型双温冷水机组采用环保型大滑移温度非共沸工质R32/R236fa作为制冷剂，通过非共沸工质相变过程的温度滑移的特性实现Lorentz循环，提高机组的效率[13]。最后，通过实验深入分析非共沸混合工质R32/R236fa的不同质量组分比例、不同蒸发压力、不同高低温冷冻水温度对机组性能的影响，为基于非共沸工质的双温冷水机组的设计与应用提供数据基础。

1　大滑移温度非共沸工质的双温冷水机组实验研究

1.1实验装置介绍

搭建基于大滑移温度非共沸工质R32/R236fa的单级压缩水冷冷水机组，实验装置采用两台套管式换热器将蒸发过程分为两段进行，从而获得两种不同温度冷冻水。同时，实验装置分两部分，一部分是制冷循环，主要包括全封闭转子式压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀、储液器、干燥过滤器等，其中冷凝器与蒸发器都为套管式换热器，两流体在换热器呈现逆流换热。另一部分是冷冻水与冷却水循环，每个循环中主要包括电加热器、水泵（三级调速）、手动阀门、蓄水箱等。实验装置原理如图1所示。

根据实验原理图1，整个循环过程中制冷循环过程为大滑移温度非共沸工质R32/R236fa先经过压缩机压缩成高温高压的过热气体，再经冷凝器冷凝成高压过冷液体，再经过储液器、干燥过滤器之后，经过电子膨胀阀节流到低温低压的两相区，之后混合工质先经过低温套管式蒸发器进行蒸发，制取低温冷冻水（7℃左右），再经过高温套管式蒸发器进行蒸发，制取高温冷冻水（16℃），蒸发完的工质由压缩机吸入，完成制冷循环。冷冻水循环为低温蒸发器所制取的冷冻水通过循环水泵排入低温冷冻水箱，之后经过电热器进行加热，将冷量消耗。高温蒸发器制冷的冷冻水采用同样方式将冷量抵消。在冷凝器中进行换热之后的高温冷却水，进入冷却水水箱与自来水补水混合，之后通过电加热器，将冷却水温度准确控制到32℃，之后再进入冷凝器，完成循环。

1.2测量装置

为保证测量准确性及数据的完整性，实验装置中布置有大量高精度传感器及测量仪表，用于测量压缩机吸气与排气温度，吸气与排气压力，冷却水流量，冷却水进出口温度，高、低温冷冻水流量，高、低温冷冻水进出口温度，压缩机功耗。传感器、测量仪表及测量仪表的不确定度详见表1，所有高精度传感器都接入安捷伦数据采集仪中，并通过计算机实现对数据的观察及自动记录并保存到数据库，用于数据处理与分析。

1.3非共沸工质

实验中采用R32与R236fa的混合工质作为制冷剂。R236fa是近年提出的不破坏臭氧层的制冷剂，而它可作为灭火剂替代哈龙，具有非常好的热稳定性，并且它的标准沸点温度高，循环过程中压缩机排气温度也低。R32也不会破坏臭氧层，并且它的单位容积制冷量很大，与R236fa混合成非共沸制冷剂具有很好的优势互补性，其基本物性见表2。不同质量组分比例的混合工质的相变特性由NIST8.0物性参数软件计算得到，结果见表3。由表3可得不同质量组分比例下混合工质的滑移温度最小为14.5℃。完全满足双温冷水机组对非共沸工质的要求。

表1　测量值的不确定度Table 1　Uncertainty of measured parameters

表2　R32与R236fa的基本物性参数Table 2　Basic property parameter of R32 and R236fa

表3　R32/R236fa在不同质量组分比例下的热力学性质Table 3　Thermodynamic properties at different mass fractions of R32/R236fa mixtures

2　性能评价指标

本文采用系统效率（COP）与制冷量对双温冷水机组进行评价，其中COP由式（1）计算

系统制冷量由式（2）计算

此外，文中还将测量系统的排气压力与排气温度等对系统的安全性进行分析。

3　实验结果分析

对不同质量组分比例的工质进行变工况实验，其中混合工质不同质量组分比例下的具体运行工况见表4。对不同蒸发压力及不同高、低温冷冻水温度的变工况实验的具体运行工况见表5。在忽略管道压降的前提下，吸气压力即为蒸发压力，因此，实验中对压缩机吸气压力进行了测量。

表4　变质量组分比例实验工况Table 4　Experimental conditions at different mass fractions of R32/R236fa mixtures

表5　变蒸发压力与高、低温冷冻水温度实验工况Table 5　Experimental conditions of pe，Thand Tl(mass fraction of R32 is 50%)

3.1测量结果误差分析

由于实验所用测量与采集工具存在一定误差，为保证实验数据的可靠性，因此有必要对测量结果进行误差分析。其中计算的不确定度由式（3）计算[17]

各计算量的平均不确定度见表6。

表6　计算量的不确定度Table 6　Uncertainty of calculated variable

计算结果表明，各计算量的不确定度在±2%以内，满足精度要求。

3.2混合工质质量组分浓度对系统性能的影响

图2为高、低温冷冻水出水温度分别为16和7℃时，混合工质中R32的不同质量组分比例对系统制冷量与系统效率的影响。当R32的质量组分比例由30%增加到70%时，系统制冷量由2.58 kW增加到4.22 kW，系统COP由2.98增加到3.92。可见，在高、低温冷冻水出水温度一定的情况下，由于R32的单位质量制冷量大于R236fa，因此随着R32的组分浓度增加，系统的制冷量与效率不断增大。对于在R32的质量组分比例由30%变化到40%的过程中，系统COP增大的幅度大，原因在于实验过程中此时冷却水进水温度为32.3℃，出水温度为37.8℃。二者均大于其他工况下冷却水进出口温度，且进出口温差也大于其他工况，从而导致压缩机功耗增大，系统COP降低。

图3为高、低温冷冻水出水温度分别为16和7℃时，混合工质中R32的不同质量组分比例对系统排气压力与吸排气压比的影响。随着R32的质量组分比例由30%增加到60%，系统的排气压力由1.474 MPa增大到1.931 MPa，原因在于混合工质中R32为低沸点组分，随着R32的质量组分比例增大，系统排气压力增大；然而，吸排气压比则由3.64降低到2.94，且压比下降的趋势逐渐平缓。

图2　不同质量组分比例下的制冷量与效率Fig.2　Refrigeration capacity and COP at different mass fractions of R32/R236fa mixtures

图3　不同质量组分比例下冷凝压力与吸排气压比Fig.3　Exhausting pressure and compressing ratio at different mass fractions of R32/R236fa mixtures

图4为高、低温冷冻水出水温度分别为16和7℃时，混合工质中R32的不同质量组分比例对系统排气温度的影响。不同组分浓度下，系统的排气温度变化小，其中最大排气温度为72.2℃，最小为70.3℃，排气温度低。且排气温度随R32的质量组分浓度的增大而增大。因为R32的沸点低，当R32的浓度增大时，机组的排气压力升高，使得排气温度升高。

图4　不同质量组分比例下压缩机排气温度Fig.4　Exhausting temperature at different mass fractions of R32/R236fa mixtures

3.3蒸发压力对系统性能的影响

通过上述实验研究结果发现，混合工质质量组分比例为R32:R236fa=60%:40%时，系统的效率和制冷量最大，但排气压力高达1.931 MPa，从装置的安全性角度考虑，此刻装置运行的安全性差。虽然R32:R236fa=50%:50%制冷量与效率低于R32:R236fa=60%:40%，但排气压力合适，为1.810 MPa，因此R32:R236fa=50%:50%可作为该系统制冷剂的最佳配比，值得进一步研究。图5给出组分比例为R32:R236fa=50%:50%时，系统的蒸发压力与制冷量、效率的关系。当系统的蒸发压力由0.589 MPa增大到0.627 MPa时，系统的制冷量由3.69 kW增大到4.01 kW，系统的效率由3.58增大到3.89，且制冷量与效率都与蒸发压力呈近似线性关系。可见由于蒸发压力的升高，系统效率与制冷量都增大。

图6为质量组分比例为R32/R236fa（50%:50%）时，不同吸气压力下压缩机的排气温度。当系统的吸气压力由0.589 MPa增大到0.627 MPa时，压缩机的排气温度由72.64℃减小到71.42℃。可见，当冷凝压力不变时，随着蒸发压力的升高，压缩机排气温度下降。

图5　不同蒸发压力下系统的制冷量与效率Fig.5　Refrigeration capacity and COP at different evaporating pressure

图6　不同蒸发压力下系统的排气温度Fig.6　Exhausting temperature at different evaporating pressure

图7　不同高、低温冷冻水温度下系统制冷量和系统效率Fig.7　Refrigeration capacity and COP under different high-low temperature chilling water

图7为不同高、低温冷冻水温度下系统的制冷量与效率。首先，由图7中可得系统可获得多种温度的冷冻水，其中可获得低温冷冻水温度分别为6、7、8℃，高温冷冻水温度分别为15、16、17、18℃，高温冷冻水可用于室内显热处理，低温冷冻水可用于潜热处理。其次，随着高温冷冻水和低温冷冻水温度的升高，系统的效率和制冷量逐渐增大。其中，效率最大值为3.89，制冷量最大值为4.01 kW，此时高温冷冻水温度为18℃，低温冷冻水为8℃。效率最小值为3.58，制冷量最小值为3.69 kW，此时高温冷冻水为15℃，低温冷冻水为6℃，原因在于，当冷冻水温度升高时，蒸发压力升高，使得工质的制冷量增大，且压缩比降低，使得压缩机功耗下降；最后，通过比较高低温冷冻水温度的变化情况，可得高温冷冻水温度的变化对冷水机组效率的影响大于低温冷冻水温度的变化。原因在于，当低温冷冻水温度升高，降低了低温冷冻水进口与高温冷冻水出口之间的温差，而高温冷冻水温度的升高，提高了此温差，而此温差的增大有利于提高混合工质的单位质量制冷量。从而更有利于提高冷水机组的效率。

4　结　论

基于大滑移温度非共沸工质构建一种新型双温冷水机组，并通过实验对机组性能进行了研究，主要结论如下：

（1）混合工质R32/R236fa中R32质量组分比例为30%、40%、50%、60%时，系统都能生产出7℃的低温冷冻水与16℃的高温冷冻水，且系统效率与制冷量随R32组分比例的增加而增加，最大值为当R32的质量组分比例为60%时机组COP与制冷量分别达到3.92与4.22 kW；系统排气压力随R32组分比例的增加而增大，在R32组分比例为60%时，排气压力为1.931 MPa，排气压力过高。

（2）在R32质量组分比例为50%时，系统能同时生产6～8℃的低温冷冻水，15～18℃的高温冷冻水；实验系统的排气温度为72℃左右，排气压力为1.810 MPa左右，排气温度与排气压力均较低，系统运行安全稳定。

（3）综合比较非共沸工质4种不同质量组分比例下机组的性能表明采用R32与R236fa质量比例为1:1时机组整体性能最佳。

符号说明

COP——制冷效率

cp——换热流体的比定压热容，J·kg−1·K−1

f——不确定度，%

G——换热介质（水）流量，m3·h−1

GWP——全球变暖潜能值

ODP——臭氧层消耗能值

p——压力，MPa

Qe——制冷量，kW

r——吸排气压比

T——温度，℃

W——压缩机功耗，kW

w——质量分数

下角标

c——冷凝器

Eva——蒸发

Ex——排气

e——蒸发器

f——液相

g——气相

h——高温冷冻水

in——进口

l——低温冷冻水

out——出口

t,i——测量值

t,tol——计算量

x——压缩机吸气

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Double temperature chilled water unit based on large temperature glide zeotropic mixture

LIU Jian，ZHANG Xiaosong
(School of Energy and Environment，Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，Jiangsu，China)

Abstract:Accordingly to the properties of zeotropic mixture R32/R236fa，a novel double-temperature chilling unit is proposed which can be used in the temperature and humidity independent control air conditioning system (THICS)，the unit can produce two different temperature of chilled water (such as low temperature is 7℃ and high temperature is 16℃). An experimental system is established to test the performance of the unit. The results show that at inlet water temperature of the condenser of 32℃ and inlet water temperature of the evaporator of 7℃ and 16℃，the coefficient of performance (COP) of the system can reach 3.92 when the mass component ratio of R32 is 60%. But under mass fractions of R32 of 50%，the combination properties of the system is the best and COP is higher than 3.55 in different operation condition. The results of this study provides the experimental foundation for the application of large temperature glide zeotropic mixture used in the double-temperature chilling water unit.

Key words:large temperature glide; zeotropic mixture; double temperature; chilling water unit; COP

DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20150285

中图分类号：TK 123

文献标志码：A

文章编号：0438—1157（2016）04—1186—07

基金项目：国家科技支撑计划项目（2011BAJ03B14）；国家自然科学基金项目（51376044）。

Corresponding author:ZHANG Xiaosong，rachpe@seu.edu.cn