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R290/CO2蒸气压缩复叠式制冷系统实验

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第39卷第11期 2006年11月 灭津大学学报 Journal of Tianjin University 、 01.39 No.11 ll、. 2o06 R290/CO2蒸气压缩复叠式制冷系统实验 宁静红,马一太,苏维诚,刘圣春 (天津人学热能研究所,天津300072) 摘要:通过建立R290/CO,复叠式制冷系统实验台,对R290/CO,蒸气压缩复叠式制冷循环进行了实验研究,结 果表明,CO 循环在较低温度下运行,黏性对CO 经过压缩机的性能影响较大,对流过管路的影响较小,CO,压缩 机的压力比高于R290压缩机的压力比,但由于CO 压缩机由吸入的较低温度的工质冷却,CO 压缩机的排气温度 低于R290压缩机的排气温度;CO,循环的能量损失较大,使得CO,循环的性能系数低于R290循环的性能系数.在 CO 循环中可利用无吸排气阀的回转式压缩机,用膨胀机代替节流阀,以提高R290/CO,复叠式制冷循环的性能 系数. 关键词:R290/CO ;复叠式制冷循环;性能系数 中图分类号:TB615 文献标志码:A 文章编号:0493—2137(2006)11—1341—04 Experiment of R290/CO2 Vapor Compression Cascaded Refrigeration System NING Jing-hong,MA Yi—tai,SU Wei-cheng,LIU Sheng-chun (Thermal Energy"Research Institute,Tianjin University,Tianjin 300072,China) Abstract:Experiment of vapor compression cascaded refrigeration cycle with R290 and CO2 as the refrigerants was carried out by setting up R290/CO2 cascaded refigeration system.The resultrs show that the viscosity of CO2 at low temperature has less effect on the flow in pipeline than that in compressor.The pressure ratio of CO2 compressor is higher than that of R290 compressor However,the discharge temperature of CO2 compressor is lower than that of R290 compressor because the CO2 compressor is cooled by CO2 fluid sucked in compressor at lower temperature.The coefficient of performance of CO2 cycle is lower than that of R290 cycledue to the lar— ,ger energy losses of CO2 cycle.The coefficient of performance of R290/CO2 cascaded refrigeration cycle can be enhanced by using rotary eompressor without suction and discharge valves and by replacing throttle with expand— er in CO2 low temperature cycle. Keywords:R290/CO2;cascaded refrigeration cycle;coefficient of performance 在工业和商业的制冷与热泵空调中,为了获得适 宜的冷凝温度和蒸发温度,可以采用复叠式制冷循环 (cascaded refrigeration cycle,CRC)系统 。.印度的 环系统(autocascade refrigeration cycle,ACRC)进行了 新混合制冷工质的替代研究,臭氧层破坏潜值降至 0.01.韩国的Kim 研究r R744/R134a与R744/ Kaushikt 2 J等研究得出制冷循环内部的不町逆性比外 部的不可逆性更为明显,在相同的工况下,蒸气压缩复 叠式制冷循环(vapor compression cascaded refrigeration R290的ACRC,得出自复叠式制冷系统有较低的运行 压力,需要较少的工质充灌量.土耳其的Selahattin 研究用于制冷和热泵的太阳能驱动的喷射蒸气压缩复 叠式制冷循环(solar assisted ejector—vapor compression cascaded cycle)的性能,确定了最优的太阳能收集温度 cycle,VCCRC)较单级制冷循环的能效比高.美国的 Dale 对使用CFC 混合制冷工质的自复叠式制冷循 收稿日期:2005-10-26;修回日期:2006-02-l7. 基金项目:fq家自然科学 金资助项¨(59876028) 作者简介: 静红(1964一 ),女,博 :,ningjinghong@126.corn 维普资讯 http://www.cqvip.com

・1342・ 天 津 大 学 学 报 第39卷第11期 和合理的性能系数.Selahattin和Deha。对复叠吸收式 制冷系统(cascaded absorption refrigerator)的性能_卜双 效吸收式制冷系统的性能进行对比分析,得出在相同 的运行工况下,复叠吸收式制冷系统提供更多的冷量, 制冷循环系数T]COP提高了60%. 随着世界经济技术的1{.速发展,全球环境成为当 国际社会共I叫关注的问题,氯氟烃类人工合成制冷 工质对臭氧层有破坏作用及产生温室效应,制冷 调 行业面临着严峻的挑战,各同都在积极研究自然T质 制冷 调系统.英国的Agnew等 利崩有限时问热力 学,对多级高温循环的蒸气压缩复叠式制冷循环进行 研究,得出R717/R508a环境友好制冷工质复叠式制 冷循环的性能优于传统制冷工质R12/R13.Kitzmill— er 提出NH /CO,复叠式制冷循环,NH 为高温循环 工质,CO,为低温循环工质.Pettersen等 的研究表 明,与NH 双级循环制冷系统相比,低温级采用CO , 其压缩机体积减/J, ̄lJ原来的1/10.意大利的Giovanni 等 研究的高温循环用NH ,低温循环用CO,与 HFCs混合作为制冷_丁质的复叠式制冷循环,蒸发温度 可以达到一70℃的低温,低于CO,凝固点温度一56.5 .目前,中围对自然 L质蒸气压缩复叠式制冷循环的 研究还很少,笔者通过搭建自然工质R290/C0,复叠 式制冷循环实验台,对R290/C0,复叠式制冷循环特 性进行实验研究,获得了相应的性能曲线. 1 R290/CO2复叠式制冷循环流程 自然工质R290/CO 复叠式制冷循环由2个单级 循环叠加而成,用CO 作低温级制冷剂,用R290作高 温级制冷剂,其流程如图1所示.图中1~2~3 ~ 5__6(~7—8)~1为低温部分(CO,)的循环,9~10— 1 1—12—13—14—15~3 为高温部分(R290)的循 环.R290在冷凝蒸发器3中吸收CO,冷凝过程中放出 的热量蒸发成气体后回到R290压缩机.16—17— 18—1 1ml6为R290水冷式冷凝器的冷却水循环系 统.图1中F ~F。 为阀件,C ~C..是相应的测点位置 (见表1). 2 R2.90/CO 复叠式制冷循环实验台 图2是R290/C0 复叠式 冷系统实验台的结构 外型,主要设备结构形式如表2中所示.表1中列出了 各个测点在循环中的位置.冷冻箱体内装有质量分数 为50%的乙二醇水溶液,箱体K 800 mm,宽800 mm, 高700 mm,壁面卜贴有蒸发盘管,冷冻箱体内、外层为 不锈钢板,中间为厚150 mm的保温材料,盖封处设有 电加热丝;箱盖内、外层为不锈钢板,中问为厚150 mm 的保温材料.经过调试,R290循环的1 质充灌量为 6 kg,CO 循环的工质充灌量为2.5 kg. 1一c02,ii缩机;2一c02油分离器;3一冷凝燕发器;4一c01过滤器; 5一冷冻箱;6m C液分离器;7一 m阀;8一c02储存罐;9--R290 压缩机;10--R290油分离器;11一R290冷凝器;12--R290流鞋计: l3一R290储液器;l4一R290 1:燥过滤器;15--R290热 J膨胀阀; 16一水箱;17一水泵;l8一水流莆计 图1 R290/CO:复叠式制冷循环流程 Fig.1 Flow chart of R290/Co cascaded refrigeration cycle 表1各个测点在R290/CO:复叠式制冷循环中的位置 Tab.1 Measurement location in R290/CO cascaded refrigeration cycle 循环 i!1l4f 范}翻 测量精度 化霞 测点位 f/℃ p/MI a At/℃ c 点(』K缩机入【】) 一55~35 0.5~7.5 ±0 l ±0.25 CO2 c2点( 缩机f{J[1) 20~l30 2.0~7.5 ±0.1 ±0.25 低温 C 点(冷凝燕发器出『]) —20~35 2.0~7.5 ±0.1 ±0 25 循环 c 点(蒸发器入r]) —55~35 0.5~7.5 ±0.1 ±0.25 c 点(蒸发器出l_1) —55~35 0.5~7.5 ±0.1 ±0.25 C6点(压缩机入r【) 一30~l0 1.0~2.0 ±0.1 ±0.25 1:{290 C 点( 缩机出[]) 40~l30 1.0~2.8 ±0 l ±0.25 高温 循环 C 点(冷凝器出【J) 30~50 ±0.1 C。点(冷凝蘸发器入¨) —30~l0 ±0.1 水循 C J0点(冷凝器入[j) 20~35 ±0.1 环 C (冷凝器mI1) 20~35 ±0.1 注:H点(冷凝器出【I)处mⅣ测量范闭为60~100 kg/h,测莆精度 为±0.15%;W点(冷凝器入【J)处m 的测毓范旧为0.5~2 m /h,测 节精度为±0.15% 维普资讯 http://www.cqvip.com

2006年11月 胖红等:R290/CO 蒸气压缩复叠式制冷系统实验 -1343- 图2 R290/CO 复叠式制冷循环实验系统 Fig.2 Experimental system of R290/CO2 cascaded refrigeration cycle 表2主要设备结构形式 Tab.2 Types of main apparatus 序 设箭名称 数琏 结构形式 1 CO, 缩机 1 常规 封闭活摩 ℃ 2 CO,熊发器 1 蛇形髓竹式 3 CO,膨胀阀 1 丁动截止阀 4 冷凝蒸发器 1 卧式【|, 先僻式 5 R290 缩机 1 冷冻涡旋令上寸闭式 6 11:290冷凝器 1 卧式先竹式 7 R290膨胀阀 1 外 衡式热 J膨胀阀 3 实验数据采集与分析 实验中对冷冻箱内的温度从一28 cI=降至一40℃ 过稗中各个测点位置的值进行了采集.实验室内温度 为30℃,冷却水进水温度为26.8℃,水流量为1.51 m /h,实验中没有改变CO 手动截止阀的开启度,得 到了图3~图6的结果. 由图3中可以看出,随着冷冻箱内温度的降低, CO 压缩机的吸气压力变化不大,排气压力逐渐升高, 造成如图4中所示的CO,循环压缩机的压力比增大. 这是由于CO 缩机在低温下运行,随着温度的降 低,黏性增加,CO 流过吸排气阀的阻力损失增加,造 成排气压/『j升高.节流后的压力与吸气压力的变化趋 势相似,两者相差不大(约为0.15 MPa),可以看出 CO 低温循环,随着温度的降低,黏性对管路的流动阻 力损失影响很小.因此,如使用半封闭无吸排气阀的螺 杆式制冷压缩机,或者涡旋式制冷压缩机,性能会得到 改善. 随着冷冻箱内温度的降低,CO,低温冷凝热负荷 增加,R290蒸发过程需带走的热量增加,吸气温度升 高,R290压缩机的吸气 力随之升高,由于R290冷凝 器冷却水进水温度和流量基本不变,所以排气压力基 本不变,得到图4中昕示的R290循环压缩机的压力 比逐渐降低. 图3各个测点的压力随冷冻箱内温度的变化 Fig.3 Variation of pressure of diferent measurement location with temperature in frozen cabinet 从图4巾看出CO 压缩机的压力比高于R290压 缩机的压力比,町以通过降低CO 循环的冷凝温度, 以降低CO 压缩机的压力比. 图4 R290循环与CO 循环压缩机的压力比 随冷冻箱内温度的变化 Fig.4 Variation of pressure ratio of R290 and CO2 cycle compressors with temperature in frozen cabinet 由图5町知,随着冷冻箱内温度的降低,R290压 缩机与CO,压缩机的排气温度逐渐升高,R290压缩机 的排气温度升高的幅度要大于CO,压缩机,这是由于 CO,循环采用的是半封闭压缩机,CO,压缩机由吸入 的较低温度的工质冷却,随着冷冻箱内温度的降低, CO,压缩机回气的温度降低,CO,循环压缩机的冷却 效果得到改善,义由于CO,压缩机的吸入温度低,所 以CO,压缩机的排气温度低于R290压缩机的排气温 度.I R290循环吸入温度升高的幅度大于压力比降 低的幅度,所以 }气温度升高. 图6显示了R290循环、CO,循环与R290/CO!复 叠式循环性能系数的变化情况,由于CO!冷凝器出口 的温度变化不大,因此,随着冷冻箱内温度的降低, 维普资讯 http://www.cqvip.com

・1344・ 天 津 大 学 学 报 第39卷第11期 r/cop值变化不大,R290循环的'/]'COP较CO2循环的叼c 高,R290/C0 复叠式制冷循环的r/COP约为0.8,这是由 于CO 循环的能量损失较大,可以利用无吸排气阀的 回转式压缩机和膨胀机代替CO 循环的膨胀阀,以提 高R290/C0 复叠式制冷循环系统的叼c ,d/℃ 图5 R290循环与CO:循环压缩机的排气 温度随冷冻箱内温度的变化 Fig.5 Discharge temperature of R290 and CO2 compressor versus temperature in frozen cabinet 图6 R290、CO2与R290/CO2循环的性能 系数随冷冻箱内温度的变化 Fig.6呀c0P of R290、CO2 and R290/CO2 cycle versus temperature in frozen cabinet 4 结 论 (1)CO 循环在较低温度下运行,黏性对CO 经 过压缩机的性能影响较大,对流过管路的影响不大,可 以选择较小直径的管路,以降低成本. (2)CO 压缩机的压力比高于R290压缩机的压 力比,但CO 压缩机由吸人的较低温度的工质冷却, 吸气温度低,CO,循环压缩机的排气温度低于R290循 环压缩机的排气温度. (3)CO 循环的能量损失较大,因此,CO 循环的 叼 。 低于R290循环的叼 。 ,可以采用没有吸、排气阀 的半封闭或开启式螺杆压缩机或者涡旋式压缩机,代 替活塞式压缩机,可以利用膨胀机代替CO 循环的膨 胀阀,以提高R290/C0 复叠式制冷循环的叼 . 参考文献: Molenaar G L.Use oi R22/23 in lieu of R502/13 1n a cas— eade refrigeration system[C]∥Proceedings of the Annual Technical Meeting,1992,2:243--246. [2] Kaushik S C,Kumar P,Jain S.Performance evaluation of irreversible cascaded refirgeration and heat pump cycles:J j. Energy Conversion and Management,2002,43(9): 2405—2424. [3] Missimer D J.Refrigerant conversion of auto—refrigerating cascade(ARC)systems[J].International Journal 0厂Refrig— eration,1997,20(3):201—207. [4] Kim S G,Kim M S.Experiment and simulation on the per— formance of an autocascade refirgeration system using carbon dioxide as a refirgerant[J].Interantional Journal 0厂Refrige— ration,2002,25(11):1093—1101. [5] Selahattin Got ̄ktun.Optimization of ireversible solar assis— ted ejector—vapor compression cascaded systems[J].Energ) Conversion and Management,2000,41(6):625—631. [6] Selahattin Got ̄ktun,Deha Er.Optimum pefrormance of ir— reversible cascaded and double effect absorption refirgerators [J].Applied Energy,2000,67(3):265—279. [7] Agnew B,Ameli S M.A finite time analysis of a cascade re— frigeration system using alternative refirgerants l J].Applied Thermal Engineering,2004,24(4):2557—2565. [8] Kitzmiller W R.Advantages of CO2一ammonia system for low— temperature refirgeration[J].Power,1993(1):92—94. [9]Pettersen A J,Jakobsen A.A dry ice slurry system ofr low temperature refirgeration[C]∥Interantional Symposium on neffigeration in Sea Transport Today and in the Future Gdansk,Poland,1994:10—15. [10]Giovanni Di Nicola,GiuSano Giuliani,Fabio Polonara,et 1a. Blends of carbon dioxide and HFCs as working fluids for the low—temperature circuit in cascade refrigerating systems:J]. International Jouranl of nefrigeration,2005,28(4):130一 】40. 

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