四元混合工质一次节流制冷实验研究

刘 斌 石胜强 刘昊东

(1 天津市制冷技术重点实验室天津商业大学 天津 300134)

(2 北京航空航天大学 北京 100191)

1 引 言

节流制冷效应(Joule-Thomson 效应)是指在绝热和不对外做功的条件下,高压气体经过多孔物质或小孔实现节流膨胀(从高压变为低压)使气体温度下降的过程[1]。当前采用单纯工质或共沸工质的单级蒸汽压缩循环一般只能到达约233 K,无法满足对于深冷温区(80—233 K)的需求;而采用多级压缩或多级复叠获得更低温度制冷又会出现制冷效率低、系统结构复杂、设备成本高、运行维护费用大等问题[2]。近年来,多元混合工质节流制冷技术迅速发展,成为现阶段深冷的常用方式之一,被广泛应用于航空航天、军工国防、低温医疗、冷冻干燥等诸多领域。由于体积小、质量轻,目前在新型冠状病毒疫苗(2019-nCoV vaccine)的存储和运输上更是有着广阔的应用前景。

一次节流制冷循环系统是多元混合工质节流制冷循环实现方式之一,所谓一次节流是指所有混合工质经过同一个节流阀节流制冷。由于仅靠回热器回收冷量,因此结构更加简单从而吸引了诸多学者的目光,如华南理工大学的庞伟强等[3]通过搭建一套小型节流制冷系统研究了混合工质一次节流两相压降及传热,并首次将高效、紧凑的钎焊板式换热器用于混合工质的回热过程。浙江大学的王勤等[4]通过实验和理论对一次节流制冷循环进行了深入的研究,建立了混合工质制冷机循环的优化模型,得到了切实可行的优化原则。

尽管一次节流制冷系统结构简单,但是循环系统中获得高效的冷量则需要物性要求较高的混合工质。与此同时,通过优化配比可以细化各种组分在制冷系统中的作用,得到工况下工质的最佳配比,从而逐步提高低温节流制冷系统的制冷性能,因此研究混合工质的成分及其浓度配比举足轻重。混合工质的配比优化一般分为两种方法:一是采用实验方法优化:如M.Q.Gong[5]采用氮气和碳氢化合物(CH4/C2H6/C3H8/i-C4H10)组成的混合工质,对典型循环结构进行了全面的热力学分析,以了解其冷却定温热负荷的性能。结果表明,混合制冷剂是该类混合气体制冷系统设计中最重要的设计参数,不同的循环配置有不同的最佳混合成分。Wang 等[6]研究组分对系统性能影响,着重分析循环冮和单位体积制冷能力。通过采用氮气、碳氢化合物(CH4/C2H6/C3H8/i-C4H10/i-C5H1)和其他组分(Ne/CF4) 比较混合工质在单级混合JT 冷却器(MJTR)和逆布雷顿循环(RBC)的制冷性能。Zhang 等[7]介绍了一种采用级联制冷系统的冷冻手术装置。选用制冷剂混合物R50/R23/R600a 作为工作流体,改变混合物的组成以达到更低的温度和更高的容量。低温探头的最低温度可低至-100 ℃,-80 ℃时可获得8 W 的制冷量。Lee 等[8]通过使用Ar/CF4/C3F8研究二元混合工质不同配比下达到混合工质冰点的温度。Reddy 等[9]讨论了压缩机在冷却过程中功率的变化,展示了如何不用气相色谱仪从J-T 冰箱的冷却特性来估计成分的变化并提出了一种表征J-T型冰箱冷却特性的新方法。Tzabar等[10]在稳定压力下以类似于纯制冷剂的方式实现混合制冷剂的稳定冷却温度。二是采用模型算法优化:如Floria 等[11]提出了一种基于遗传算法的鲁棒性和可靠性优化方法并比较了在负载温度和供应压力范围内优化后的烃类气体混合物与不易燃的氢氟碳化物混合物的性能。MaytaL[12]开发了一种能够模拟操作的数值模型焦耳-汤姆逊制冷机,其中混合物多达9 种成分,包括碳氢化合物,不易燃的卤化制冷剂和惰性气体。该数值模型同样集成了遗传优化算法并在存在不连续、约束和局部最优的环境下具有很强的收敛能力。Pang 等[13]以COP最大化为优化目标采用齐次模型计算混合工质优化配比。实验结果表明,循环组成可在±5%的相对偏差范围内近似调整到相应的最佳循环组成。Skye[14]通过一系列的建模、实验和优化研究循环性能如何在热交换器中传输过程的影响,并将这些发现整合到一个可用于混合优化的经验调整模型中。

2 混合工质选择

在选择不同的纯工质进行混合时需要考虑到两个方面:一是安全性,即工质混合后化学性质和物理性质稳定:无腐蚀、无反应、不易燃烧、无毒或低毒、三相点温度低于目标温度。二是环境友好型,尽可能选择ODP(臭氧消耗潜能值)和GWP(温室效应潜能值)较小的纯制冷剂。

通常情况下根据常压下的沸点混合工质的组分可以分为3 类:低温(常温沸点≤-80 ℃)、中温(常压沸点在-80— -30 ℃)、高温(常压沸点在-30—30 ℃)。表1 所示为部分纯工质的分类,结合试验运行工况以及安全性和环保性,低温工质采用R14,高温工质采用R600A,加入一些R22 或R134A 作为中高温组元,因此研究对象四元混合工质的组成可以有R14/R23/R22/R600A 和R14/R23/R134A/R600A 这两种选择。

表1 部分纯工质的分类Table 1 Classification of partial pure working substance

对于最佳摩尔浓度配比,采用Floria[11]以及Maytal[12]等提出的遗传算法进行四元混合工质的优化。为探讨该算法对于混合工质优化的可靠性,首先选择3 种案例进行优化计算,并将优化结果与现有文献值比较,结果如表2 所示。对于案例1,N2/R170/R290 的摩尔浓度相对于文献值相差分别为4.1%/43.75%/3.1%,这其中N2的摩尔浓度优化后减少3.2%,而与此同时中温和高温组元R170 和R290 摩尔浓度则分别增加了2.8%和0.4%。这其中R170优化后的浓度高于文献值,在压力上更具有一定优势。对于案例2,R11/R12/R13/R14 的摩尔浓度相对于文献值相差分别为0.2%/49.7%/63.5%/8.2%,优化结果和文献值存在着较大偏差,R14 也仅有3.94%。但其实两者中温组元的浓度之和并没有太大改变,因此最终得到的制冷系数相差不大,且优化后的COP值高出2%。对于案例3,N2/R50/R170/R290/R600A 的摩尔浓度相对于文献值相差分别为12%/4.4%/75.8%/40.7%/8.6%,低温工质略有减少但中高温工质却得到提高,且优化后的COP值也相对更高。

表2 混合工质配比优化结果对比[15]Table 2 Comparison of optimization results of mixed refrigerants concentration ratio[15]

从3 个案例来看采用遗传算法优化得到的混合工质摩尔浓度配比以及COP结果具有较高的可靠性。因此采用该方法对上述选择的两种四元混合工质进行摩尔浓度配比优化,并得到研究工况下的最优配比,以下简称分别为MR 1(Mixed Refrigerant 1):26.67 mol%R14/17.49 mol%R23/11.86 mol%R22/43.98 mol% R600A;MR 2 (Mixed Refrigerant 2):26.46 mol%R14/19.96 mol%R23/5.41 mol%R134A/48.17 mol%R600A。

3 混合工质一次节流制冷系统

研究所采用的混合工质一次节流制冷系统是利用聚氨酯保温的超低温冰箱。其主要由低背压压缩机、翅片管式空气冷却器、盘管式回热器、节流阀(毛细管)、蒸发器(管式换热器)及50 L 的箱体组成,图1所示混合工质一次节流制冷循环示意图和实物图。由图1 可见:混合工质首先在压缩机中进行压缩,然后进入空气冷却器中与环境温度进行热量交换,冷却后接着进入干燥过滤器干燥,出干燥过滤器后与从蒸发器流出的低压混合工质在回热器中进行热量交换。在回热器中高压工质温度得到降低同时蒸发器流出的低压混合工质温度升高,出回热器后的工质经毛细管实现节流,并进入蒸发器进行温度交换,再进入回热器进行回热,最后进入压缩机压缩,如此构成一次循环。

图1 混合工质一次节流制冷循环图Fig.1 Diagram of primary throttling refrigeration cycle of mixed working medium

结合图1 所示的混合工质一次节流制冷循环实物图,通过大量的预实验从而选定制冷系统的实验工况参数如下表3 所示。

表3 实验工况参数Table 3 Experimental working condition parameters

4 四元混合工质节流实验结果与分析

图2 所示为两种混合工质(MR 1 和MR 2)的等温节流效应和积分节流效应随温度升高发生变化的曲线。由图2 可见:随着温度的升高,对于等温节流效应,二者均呈现出先上升后下降的趋势。起初在180 K 时MR 2 的等温节流效应为54.0 kJ/kg,MR 1的等温节流效应为46.8 kJ/kg 且当温度低于210 K时MR 2 的等温节流效应高于MR 1。当温度大于210 时,MR 1 等温节流效应超过了MR 2 并在242.4 K时呈现最强的制冷能力,随后缓慢下降。而在中温区间(210—242.4 K),MR 2 系统呈现了较弱的制冷能力,在224.8 K 达到最高值,随后两者的降温曲线也开始逐渐接近。

图2 MR 1 和MR 2 的等温节流效应和积分节流效应图Fig.2 Isothermal throttling effect and integral throttling effect of MR 1 and MR 2

无论是R14 还是R23,MR 2 中发生相变所需温度以及积分节流效应温度都低于MR 1。MR 2 中的R14 在194.4 K 时发生相变,积分节流效应的温度为26.4 K;R23 在261.6 K 发生相变,积分节流效应的温度为54.0 K。与此同时,MR 1 中的R14 在199.2 K发生相变,积分节流效应的温度为29.4 K;R23 在264 K发生相变,积分节流效应的温度为54.0 K,以下将结合该图随温度变化进行分析。

4.1 压缩机吸气和排气温度

图3 所示为MR 1 和MR 2 制冷系统压缩机的吸气和排气温度随时间变化的曲线。由图3 可见:在MR 1 系统中,当制冷机开启后,压缩机吸气温度在2.5 min 中内从一开始的23.0 ℃降低到12.6 ℃,并在吸气温度达到最低后在0.5 min 内迅速回升到18 ℃。之后升温逐渐缓慢并在40 min 后稳定在26.0 ℃。而对于压缩机的排气温度在2 min 到3 min中内温度有些许下降(相对于一开始的26 ℃下降了0.6 ℃),之后排气温度逐步增加并在55 min 后逐步稳定在55.0 ℃附近。对于MR 2 系统,当制冷机开启后,压缩机吸气温度一开始基本维持不变(仅在1.5 min 到2 min 内温度下降了0.9 ℃),之后吸气温度随着时间缓慢升高并在64 min 中逐步稳定在28.8 ℃。相较于MR 1系统,MR 2系统压缩机的排气温度并无下降,而是逐步增加并在75 min 后逐步稳定在55 ℃附近。

图3 MR 1 和MR 2 压缩机吸气温度和排气温度随时间变化图Fig.3 Variation of suction and exhaust temperature with time for MR 1 and MR 2 compressors over time

对于两种不同混合工质来说压缩机吸气和排气总体温度变化趋势较为相似,且MR 2 系统的压缩机排气温度最终同MR 1 的试验结果近乎一致。但对于MR 2 系统,总体稳定时间较晚,制冷系统的工况参数也较为稳定。

4.2 压缩机吸气和排气压力

图4 所示为混合工质MR 1 和MR 2 节流制冷过程中压缩机吸气压力和排气压力变化曲线。由图4可见:对于MR 1 系统,制冷机启动后,压缩机的吸气压力在5 min 内,从一开始的0.55 MPa 迅速降低至0.10 MPa 并一直维持恒定,而排气压力在7 min内快速升高至3.00 MPa 并随着制冷系统继续运行排气压力开始逐渐下降,在达到目标温度后排气压力最终稳定在2.60 MPa,相比于最高排气压力下降了13.3%。对于MR 2 系统,制冷机启动后,压缩机的吸气压力降压更快,在2 min 中内从一开始的0.60 MPa 降至0.10 MPa 并维持稳定。与此同时,压缩机的排气压力在9 min 中内升高至2.74 MPa,随着系统的继续运行,排气压力又逐步降低,并最终维持在2.30 MPa,相比于最高排气压力下降了16.1%。

图4 混合工质MR 1 和MR 2 节流制冷系统压力变化图Fig.4 Diagram of pressure variation of mixed working medium MR 1 and MR 2 throttle refrigeration system

总体而言,两种系统的压缩机吸气压力和排气压力变化趋势相似且二者吸气压力均随时间变化降至0.10 MPa。但相较于MR 1 的压缩机吸气和排气试验结果,MR 2 整体排气压力更低,相较于最高排气压力下降幅度也更大。

4.3 箱内温度

图5 所示为MR 1 和MR 2 制冷系统箱内温度随时间变化曲线。由图5 可见:对于MR 1 系统,制冷机启动后,箱体内的温度由起初的15.6 ℃逐渐下降。161 min 后,制冷系统稳定在-73.8 ℃。与此同时降温速率在前6 min 内逐渐增大,6 min 时达到最大值为2.30 ℃/min,之后降温速率逐渐下降,这是因为当节流前混合工质的温度高于264 K 后,MR 1 的积分节流效应逐渐减小,这时箱体内空气与蒸发器的换热温差降低使得制冷系统的降温速率减小。

图5 MR 1 和MR 2 制冷系统箱内温度随时间变化图Fig.5 Diagram of temperature variation with time in chamber of MR 1 and MR 2 refrigeration systems

对于MR 2 制冷系统,开机164 min 后,箱体内的温度由一开始的17.4 ℃降到了-76.1 ℃并保持稳定。与MR 1 系统一样都是在第6 min 时降温速率达到最大,最大值为3.05 ℃/min。在开机21 min 后箱内温度达到-17 ℃时,降温速率开始出现回升现象,这是因为在261.6 K 时MR 2 制冷系统出现最大等温节流效应,从而混合工质的制冷能力最强。短暂的回升之后降温速率开始继续降低,这是因为随着制冷温度的逐步降低混合工质的等温节流效应和积分节流效应都大幅度减小以及环境的漏热损失逐渐增大。

比较MR 1 和MR 2,两种混合工质的制冷性能较为相似即两者箱内温度从环境温度降至最终稳定温度都相差不大,且所需要的稳定时间前后也几乎接近。这主要是因为两种混合工质在成份上不同之处仅是将R134A 替换成R22,在摩尔浓度上相差不大,与此同时R22 与R134A 的制冷温区相接近。结合图1 可以看出,由于温度高于246 K 时,MR 2 的等温节流效应略大于MR 1,因此初始阶段MR 2 的箱内温度降低的更快。

表4 所示为65 ℃下MR 1 和MR 2 这两种不同混合工质的情况对比。结合图5 可知,采用混合工质MR 2 作为制冷剂相较于MR 1,相同时间下达到的温度更低。选择某一温度(-65 ℃)进行比较发现:达到该温度,所需降温时间略短,制冷量略高,压缩机功率略低,而COP略高,更是验证了前面的想法。整体来看从降温速度、极限温度和COP 考虑,MR 2 都略优于前者。

表4 65 ℃下两种不同混合工质的制冷能力对比Table 4 Comparison of refrigerating capacity of two different mixtures at 65 ℃

5 结 论

研究了混合工质对一次节流系统制冷性能的影响,通过分析遗传算法对混合工质物质的量浓度及COP的可靠性,从而优化四元混合工质MR 1 和MR 2 并得到最优解:MR 1(26.67 mol% R14,17.49 mol%R23,11.86 mol%R22 和43.98 mol%R600A);MR 2(26.46 mol%R14,19.96 mol%R23,5.41 mol%R134A 和48.17 mol% R600A),并将其作为实验对象,通过研究压缩机吸气、排气温度、运行压力以及箱内温度随时间的变化,得出如下结论:

(1)采用配比为26.67 mol% R14,17.49 mol%R23,11.86 mol% R22 和49.38 mol% R600A 的 混 合工质,在压比为2.5/0.1 的情况下,获得了-73.8 ℃的低温,降温时间为161 min。在到达-65 ℃时,降温时间为107 min,制冷量为25.3 W,压缩机功耗为352 W,制冷系统COP为0.072。

(2)采用配比为26.46 mol% R14,19.96 mol%R23,5.41 mol% R134A 和48.17 mol% R600A,的混合工质,在压比为2.5/0.1 的情况下,获得了-76.1 ℃的低温,降温时间为164 min。在到达-65 ℃时,降温时间为103 min,制冷量为25.6 W,压缩机功耗为330 W,制冷系统COP为0.078。

(3)从降温速度、极限温度、降温时间、COP等方面考虑,整体来看MR 2 制冷系统略优于MR 1 制冷系统。