混合工质配比对自复叠制冷循环影响的理论模拟和实验研究

随着制冷行业的快速发展,结构简单、运行可靠、系统效率较高的自复叠制冷系统引起人们的广泛关注。由于自复叠制冷系统性能受混合制冷剂配比影响等问题不利于其在大中型系统中的应用,在理论分析单级自复叠系统性能与工质配比间关系的基础上,对传统的单级自复叠系统进行改造,分别在高低温循环过程安装电子膨胀阀和储液罐、精馏器等部件以更好地调节混合工质的质量流量。采用Matlab软件编程,调用制冷工质物性分析软件NIST Refprop 9.0进行模拟计算,并把三种压比下的模拟计算与实验结果相对照。结果表明:在R23浓度(质量分数)为0.32~0.40时,改进的自复叠系统具有较高的COP,且实验与模拟结果相吻合。实验结果表明系统?效率几乎不受R23浓度变化的影响。进一步表明了自复叠系统性能不受工质配比影响,具有可行性,为自复叠系统在大中型制冷系统中的推广提供了依据。     

强非共沸工质R134a/R23/R14汽液相平衡和压焓图的构建及应用

基于PR状态方程,分模块模拟计算了三级自动复叠制冷系统中R134a/R23/R14三元混合工质的热物理特性参数,得到非共沸混合工质的汽液平衡数据、两相组分,并利用干度计算焓熵值,构建了典型配比下混合工质的压焓图和汽液相平衡图。二元R134a/R23和R32/R134a混合工质的泡点压力和气相组分的计算值与实验测试值的误差分别小于1.3%、1.2%和1.0%、2.4%;三元R32/R125/R134a混合工质95%的计算值与实验值的偏差在±5%之内,表明该模型能满足工程计算需要。利用理论模型,结合实验系统,对R134a/R23/R14三级自动复叠制冷系统进行详细的组分等热物性分析,并在空间压焓图上进行了详细表述。     

两级分凝自复叠制冷系统特性

以两级分凝自复叠制冷系统为研究对象,分析了三元混合工质空间和平面汽液平衡特性,对三元混合工质的组分变化规律及运行特性进行了理论研究。应用混合工质物性分析软件Refprop 8.0根据冷凝蒸发器冷量平衡特性讨论了混合工质组分比例,得到比较合理的配比组成65/20/15。通过5个平面压焓图的空间变化关系分析了自复叠制冷系统工质分离、混合和运行特性。根据实验研究,循环系统高低压旁通和相分离器出口气体旁通可有效改善压缩机启动初期系统压力和温度过高的问题。对系统各级节流降温过程进行了分析,并对压缩机的吸排气温度和蒸发温度进行了研究。     

自复叠制冷系统降温过程组分浓度优化及控制策略

混合工质低温制冷系统存在能效比较低、降温速度慢的问题。为提高混合工质自复叠制冷系统的降温性能,减小系统工作能耗,采用遗传算法集成Aspen Plus进行混合工质组分浓度优化,给出了不同工况下最优循环组分的需求规律。模拟结果表明,随着温度的降低,高沸点组分的需求逐渐降低,低沸点组分的需求逐渐增加。据此提出了一种有效的组分浓度控制策略并进行实验验证,实验结果表明,以膨胀储气罐和控制阀联合作用的方法可以增加系统降温速度,减小压缩机总功耗,控制系统的开机压力。     

自复叠制冷系统降温过程组分浓度优化及控制策略

混合工质低温制冷系统存在能效比较低、降温速度慢的问题。为提高混合工质自复叠制冷系统的降温性能，减小系统工作能耗，采用遗传算法集成Aspen Plus进行混合工质组分浓度优化，给出了不同工况下最优循环组分的需求规律。模拟结果表明，随着温度的降低，高沸点组分的需求逐渐降低，低沸点组分的需求逐渐增加。据此提出了一种有效的组分浓度控制策略并进行实验验证，实验结果表明，以膨胀储气罐和控制阀联合作用的方法可以增加系统降温速度，减小压缩机总功耗，控制系统的开机压力。     

自复叠制冷系统4种组分配比性能

自动复叠制冷在小型制冷低温装置中有较强的应用优势,它能制取氮气液化温度77 K到常规单机压缩制冷温度230 K温区。针对三级自动复叠制冷系统非共沸混合制冷工质不同组分配比进行实验研究,对比分析了R600a、R23和R14混合制冷剂4种组分配比35/35/30、35/30/35、30/35/35和35/25/40,根据压缩机的运行工况和蒸发器的降温特性可以得到4种配比的各项运行性能参数比较接近,组分配比35/30/35的蒸发温度较低。蒸发器设计冷负荷为60 W,设计蒸发温度为180 K,低温冷柜内的蒸发温度最低可以达到并稳定在175 K。根据两种组分配比35/35/30和35/30/35在不同冷负荷时的蒸发器制冷特性实验研究,组分配比35/30/35的最高COP为8.47%;组分配比35/35/30的最高COP为14.4%。     

自复叠制冷系统4种组分配比性能

自动复叠制冷在小型制冷低温装置中有较强的应用优势,它能制取氮气液化温度77 K到常规单机压缩制冷温度230 K温区。针对三级自动复叠制冷系统非共沸混合制冷工质不同组分配比进行实验研究,对比分析了R600a、R23和R14混合制冷剂4种组分配比35/35/30、35/30/35、30/35/35和35/25/40,根据压缩机的运行工况和蒸发器的降温特性可以得到4种配比的各项运行性能参数比较接近,组分配比35/30/35的蒸发温度较低。蒸发器设计冷负荷为60 W,设计蒸发温度为180 K,低温冷柜内的蒸发温度最低可以达到并稳定在175 K。根据两种组分配比35/35/30和35/30/35在不同冷负荷时的蒸发器制冷特性实验研究,组分配比35/30/35的最高COP为8.47%;组分配比35/35/30的最高COP为14.4%。     

-60℃温区精馏型自复叠制冷系统R41替代R23的理论与实验

选取R1234ze（E）作为高沸点组分,对R41在-60℃温区二元精馏型自复叠制冷循环中替代R23进行循环性能对比分析。设计并搭建采用精馏型自复叠制冷循环的实验装置,对R23/R1234ze（E）和R41/R1234ze（E）混合制冷剂在系统中的循环性能进行实验对比。理论分析和实验结果均表明：以R1234ze（E）作为高沸点组分时,用R41替代R23后系统COP略有下降,单位体积压缩功减小1/3~1/2,单位容积制冷量稍有降低,但系统单位质量制冷量明显提高,可以大大减小充注量。更重要的是R41的GWP的显著减少能起到很明显的环境保护作用。     

-60℃温区精馏型自复叠制冷系统R41替代R23的理论与实验

选取R1234ze(E)作为高沸点组分,对R41在-60℃温区二元精馏型自复叠制冷循环中替代R23进行循环性能对比分析。设计并搭建采用精馏型自复叠制冷循环的实验装置,对R23/R1234ze(E)和R41/R1234ze(E)混合制冷剂在系统中的循环性能进行实验对比。理论分析和实验结果均表明:以R1234ze(E)作为高沸点组分时,用R41替代R23后系统COP略有下降,单位体积压缩功减小1/3~1/2,单位容积制冷量稍有降低,但系统单位质量制冷量明显提高,可以大大减小充注量。更重要的是R41的GWP的显著减少能起到很明显的环境保护作用。     

以降压为目的的CO_2混合工质制冷系统研究进展

自然工质CO_2因其具有良好的环境友好特性(ODP=0,GWP=1)、单位容积制冷量高、良好的传热性能等优点而得到制冷行业的再次关注。然而,由于其自身物性及工况条件的限制,在实际应用中CO_2制冷系统大多采用跨临界循环,高压侧压力高达12MPa左右,这对系统各部件的安全性和制造成本提出非常高的要求。本文总结了目前采用CO_2混合工质来有效改善纯CO_2制冷系统运行压力较高问题的制冷循环系统,综述了国内外以降压为目的的CO_2混合工质制冷系统研究进展,分析了CO_2混合工质的跨临界制冷循环系统、自复叠式制冷系统以及压缩-吸收耦合循环系统各自的特点,指出了以降压为目的的CO_2混合工质制冷系统的发展前景,并对今后的CO_2混合工质制冷系统的主要研究方向进行了讨论。     

R23/R134a一级分凝和二级分凝自复叠喷射制冷循环性能理论分析

基于非共沸混合工质自复叠原理应用于喷射制冷循环的研究,对一级分凝和二级分凝自复叠喷射循环进行了理论分析,研究了使用R134a/R23非共沸混合工质时制冷剂的配比、冷凝温度和蒸发温度对两种循环性能的影响,结果表明：随着低沸点组分R23质量分数由0.10增至0.20,一级分凝循环喷射器压比在3.4附近变化,而二级分凝循环喷射器压比在1.8附近变化,两种循环COP均增大;随着冷凝温度由18℃升至23℃,一级分凝循环喷射器压比由3.242增至3.792,而二级分凝循环喷射器压比由1.860升至1.867,两种循环COP均降低;随着蒸发温度由-10℃降至-15℃,一级分凝循环喷射器压比由3.454降至2.832,而二级分凝循环喷射器压比由1.870降至1.840,两种循环COP均升高,并且在相同工况下,二级分凝循环COP远高于一级分凝循环;二级分凝循环在喷射器压比为1.8时,可获得-15℃温区的制冷温度。     

回热器对双级压缩和复叠式压缩制冷系统影响的分析

为了研究回热器对双级压缩制冷系统和复叠式压缩制冷系统的影响,以R404A双级压缩制冷系统和R404A/R23复叠式压缩制冷系统为例,通过建立两种制冷系统的热力学模型和(火用)分析法,分析了回热器效率对压缩机排气温度、单位质量制冷量、制冷剂质量流量、系统制热能效比(COP)、系统总(火用)损、系统各部件(火用)损和系统(火用)效率的影响。结果表明,在双级压缩制冷系统中,当回热器效率ε 取0.1～0.9时,系统COP增大4.0%,系统的总(火用)损减少9.6%,而系统(火用)效率增大7.1%;在复叠式压缩制冷系统中,系统COP和系统(火用)效率随高温级回热器效率ε 增大而增大,随低温级回热器效率ε增大而减小,而系统总的(火用)损随高温级回热器效率ε 增大而减小,随低温级回热器效率ε 增大而增大。     

A conceptual design and performance analysis of a triple-effect solid-gas thermochemical sorption refrigeration system with internal heat recovery

A conceptual design of a triple-effect solid-gas thermochemical sorption refrigeration system using three kinds of reactive salts and ammonia as working pairs is presented. In the proposed system, two internal heat recovery processes were employed to enhance the energy utilization efficiency. The adsorption heat of a high-temperature salt was recovered for the regeneration process of a middle-temperature salt, while the adsorption heat released by the middle-temperature salt was used to regenerate a low-temperature salt. The presented sorption refrigeration system can produce three cooling-effects in one cycle, at the expense of only one heat input at high temperature. The coefficient of performance (COP) of the system can be improved by 146-200% compared to that obtained with a conventional sorption refrigeration system. When the sensible heats of the reactant, the refrigerant and the metallic part of the reactors were considered, theoretical results showed the calculated COP employing the triple-effect sorption cycle varied between 0.75 and 0.97 with the mass ratio between the metallic part of the reactor and the reactive salt.     

R236fa/R32大滑移温度混合工质的优选方法及实验验证

针对适用不同制冷工况下混合工质组成及组分的多样化选择问题,提出了对应用于双温制冷机组的大滑移温度混合工质R236fa/R32组分在冷凝温度范围为311～333K、蒸发温度范围为269～290K的优选方法。对R236fa/R32的温度随焓值非线性变化特性进行了理论研究;建立了混合制冷剂蒸发换热过程由于温度随焓值非线性变化特性产生的熵增模型,通过对混合工质不同组分高、低温蒸发器的熵增变化情况确定最佳组分。并搭建了试验台,通过实验研究得到了该混合工质不同组分下在换热器中的温度分布情况、制冷效率（COP）及压缩机功耗情况验证该优选方法的结果。研究结果表明：该熵增模型能够较好地反映该混合制冷剂不同组分的COP特性及压缩机功耗,随着R32质量分数的增加,蒸发器的熵增先增大、后减小,在R236fa/R32为4∶6时,低温蒸发段和高温蒸发段由于温度随焓值非线性变化特性产生的熵增都最小,因此为该机组的最佳组分,验证了理论分析的正确性。该方法可以为不同工况下混合工质的优选提供参考。     

三元混合制冷工质变组成容量控制空调

通过对三元混合工质制冷剂R407C分馏特性的分析,提出了一种采用组成调节装置的容量控制空调系统,并对其变组成容量控制的制冷循环特性进行了理论分析,预测了各种变组成情况下空调系统的调节性能和节能潜力.利用建立的变组成容量控制型单元式空调系统,测试了不同组成下的三元混合制冷剂的空调系统性能.根据实验测试结果,验证了在相同流量工况下,通过改变循环工质的组成来改变空调系统的制冷量的技术可行性,通过增减容量过程中能效比基本保持不变的性质揭示了该技术的节能特性.     

温压耦合特性对吸附制冷解吸性能的影响

在太阳能吸附制冷循环解吸过程中传质性能受到非稳定热源温度的限制,而压力调节可作为强化传质的有效补偿手段。通过构建活性炭-甲醇工质对的恒温解吸理论模型给出了解吸率、解吸速率的表达式,对变压强化传质效果进行计算,揭示了温度与压力变化对解吸率的影响规律。计算结果显示系统压力降低10 kPa可等效于热源温度升高了6～8℃。搭建了以活性炭-甲醇为工质对的吸附单元管吸附制冷平台,实验结果显示当解吸温度分别为90、100和110℃时,系统压力降低14 kPa后,解吸率分别提高了20.5%、15.1%和12.1%,平均解吸速率分别提高了49.3%、44.6%和37.1%,与理论计算吻合较好。得出了温度与压力对解吸性能影响的耦合关系,并对实际太阳能吸附制冷系统变压解吸方法给出建议。     

CO2/R170混合物作为复叠式制冷系统低温环路制冷剂的性能

针对CO2/R170混合物在复叠式制冷系统低温环路使用的工况，建立了固液平衡和汽液平衡的数学模型，决定了保证混合物在较低温度下不结晶的配比。在一定的配比范围内对混合物进行了循环性能和可燃性分析。研究了混合物配比对循环性能参数和可燃性的影响，以及中间温度在高温环路使用R290、低温环路使用CO2/R170混合物时，复叠式制冷系统整体制冷系数（COP）的变化趋势。研究表明，这种混合物适宜作为复叠式制冷系统低温环路的制冷剂。