冷凍水流量和溫度對基于混合工質的雙溫冷水機組性能影響

劉 劍 張小松

(東南大學能源與環境學院 南京 210096)

冷凍水流量和溫度對基于混合工質的雙溫冷水機組性能影響

劉 劍 張小松

(東南大學能源與環境學院 南京 210096)

為研究冷凍水流量與溫度變化對基于大滑移溫度非共沸工質雙溫冷水機組性能的影響規律，本文在大滑移溫度非共沸工質的雙溫冷水機組實驗臺進行了多組實驗研究。實驗分別研究了非共沸工質R32/R236fa在不同質量組分比例(0.4∶0.6，0.5∶0.5，0.6∶0.4)下，冷凍水流量由0.25 m3/h增大到0.45 m3/h，以及高溫冷凍水溫度變化時，冷水機組性能的變化情況。實驗結果表明，在冷卻水進出口溫度為32 ℃與37 ℃，高、低溫冷凍水溫度分別為7 ℃，16 ℃時，不同冷凍水流量下冷水機組的制冷效率(COP)最大為4.17，最小COP為3.27。此外，高溫冷凍水溫度變化對冷水機組COP存在明顯影響。實驗為大滑移溫度的雙溫冷水機組的應用提出了數據基礎。

非共沸工質；變流量；COP；大滑移溫度

隨著人們對環境問題的日益關注，CFCs類和HCFCs類制冷劑正逐步被禁用和淘汰，而非共沸工質由于其本身特有的優勢正受到越來越多的關注和研究。越來越多的非共沸混合工質被提出來用于替代傳統工質，例如R407C被用于替代R22，R401B用于替代R501、R12[1-2]，這些非共沸混合制冷劑正被迅速推廣使用。非共沸混合工質的相變過程和純工質有明顯的區別，它在相變時存在明顯的溫度滑移[3-5]。正是根據非共沸混合制冷劑的這一特點，許多學者希望利用它來逼近Lorenz循環，提高空調、熱泵等系統的運行效率[6-9]。此外，非共沸制冷劑與純工質相比存在其特有的相變傳熱現象[10-12]，其中對采用純工質的系統，隨著換熱介質流量的增加及流速加快，強化了工質與換熱介質之間的傳熱，使得系統的效率增加[13]。但對于非共沸工質系統，在流量增加不大時，與純工質的情況相同，系統的效率會隨換熱介質流量的增加而上升，但當換熱介質流量繼續增加時，系統的效率反而會下降[11]。因此對于采用非共沸工質的系統，有必要研究換熱介質流量變化對系統性能的影響。此外，冷水機組在制取冷凍水時，蒸發溫度對機組性能有著顯著的影響[14-15]。本文以采用大滑移溫非共沸工質R32/R236fa的雙溫冷水機組為實驗對象，對冷凍水流量與高溫冷凍水出水溫度變化時雙溫冷水機組的運行狀況展開實驗研究，分析不同工況對冷水機組性能的影響。實驗結果為大滑移溫度非共沸工質應用于雙溫冷水機組提供數據支持。

1 實驗研究

1.1 實驗裝置介紹

搭建基于大滑移溫度非共沸工質R32/R236fa的單級壓縮水冷冷水機組，實驗裝置采用兩臺組管式換熱器將蒸發過程分為兩段進行，從而獲得兩種不同溫度冷凍水。同時，實驗裝置分兩部分，一部分是制冷劑循環，主要包括全封閉轉子式壓縮機、冷凝器、蒸發器、膨脹閥、儲液器、干燥過濾器、視液鏡等，其中冷凝器與蒸發器都為套管式換熱器，兩流體在換熱器呈現逆流換熱。另一部分是冷凍水與冷卻水循環，每個循環中主要包括電加熱器、水泵(三級調速)、手動閥門、蓄水箱等。實驗裝置原理如圖1所示。

1壓縮機 2冷凝器 3儲液器 4電子膨脹閥 5低溫蒸發器 6高溫蒸發器 7～9手動調節閥 10～12流量計 13～15 電加熱器 16～18循環水泵 19～21水箱 P壓力測點 T 溫度測點圖1 雙溫水冷冷水機組實驗系統圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

根據實驗原理圖1，制冷循環過程為大滑移溫度非共沸工質R32/R236fa經過壓縮機壓縮成高溫高壓的過熱氣體，流經冷凝器冷凝成高壓過冷液體，通過儲液器、干燥過濾器之后，再經過電子膨脹閥節流到低溫低壓的兩相區，之后混合工質先經過低溫套管式蒸發器進行蒸發，制取低溫冷凍水(7 ℃左右)，再經過高溫套管式蒸發器進行蒸發，制取高溫冷凍水(16 ℃左右)，蒸發完的工質由壓縮機吸入，完成制冷循環。

1.2 測量裝置

為保證測量數據的準確性與完整性，實驗裝置中采用大量高精度傳感器及測量儀表，用于測量壓縮機的吸氣與排氣溫度，吸氣與排氣壓力，冷卻水流量，冷卻水進出口溫度，高、低溫冷凍水流量，高、低溫冷凍水進出口溫度，壓縮機功耗等。傳感器、測量儀表及測量儀表的不確定度詳見表1，所有高精度傳感器都接入安捷倫數據采集儀中，并可通過計算機實現對數據的觀察及自動記錄并保存到數據庫，用于數據處理與分析。

表1 測量值的不確定度Tab.1 Uncertainly of the measured parameters

1.3 非共沸工質

實驗中采用R32與R236fa的混合工質作為制冷劑，其中不同質量組分比例的混合工質的相變特性由NIST8.0物性參數軟件計算得到，結果見表2。由表2可以看出不同質量組分比例下混合工質的滑移溫度最小為14.5 ℃，完全滿足雙溫冷水機組對非共沸工質的要求。

表2 R32/R236fa在不同質量組分比例下的熱力性質Tab.2 Thermodynamic properties at different mass component concentration of R32/R236fa mixtures

2 性能評價指標

本文對COP與制冷量對雙溫冷水機組進行評價，其中COP由公式(1)計算：

(1)

系統制冷量由公式(2)計算：

Qe=cpGe(tg,in-tg,out)+cpGe(td,in-td,out)(2)

此外，文中還將測量系統的排氣壓力與排氣溫度,對系統的安全性進行分析。

3 實驗結果分析

為了探究換熱介質流量變化對機組性能的影響，實驗對不同質量組分比例的工質進行多組變工況實驗，具體見表3。

為研究高溫冷凍水溫度變化對冷水機組性能的影響，實驗對不同質量組分比例的工質進行了多組變工況實驗，具體見表4。

表3 變冷凍水流量實驗工況Tab.3 Experimental conditions of variable chilled water flow rate

表4 變高溫冷凍水溫度實驗工況Tab.4 Experimental conditions of variable chilled water temperature

3.1 測量結果不確定度分析

由于實驗所用測量與采集工具存在一定誤差，為保證實驗數據的可靠性，因此有必要對測量結果進行誤差分析。其中計算的不確定度由公式(3)計算[16]：

(3)

各計算量的平均不確定度如表5所示：

表5 計算量的不確定度Tab.5 Uncertainty of calculated values

計算結果表明，各計算量的不確定度在±2%以內，滿足精度要求。

3.2 冷凍水流量變化對機組制冷量的影響

由圖2可知，機組制冷量最大值出現在R32的質量組分比例為0.6，冷卻水流量為0.8 m3/h，冷凍水流量為0.45 m3/h時，此時機組的制冷量為4.49 kW。機組制冷量最小值出現在R32的質量組分比例為0.4，冷卻水流量為0.6 m3/h，冷凍水流量為0.25 m3/h時，此時機組的制冷量為3.14 kW。隨著冷凍水流量的增大，機組制冷量明顯增大，且增大的趨勢逐漸降低?？梢娎鋬鏊髁康脑龃?，強化了蒸發器的換熱，增大制冷量；但降低了冷凍水進出口溫差，其強化傳熱的作用越來越弱，制冷量增加的趨勢降低。此外，隨著R32的質量組分比例的增大，機組的制冷量增大，原因在于R32的單位質量制冷量大于R236fa。因此可得，通過增大冷凍水流量和混合工質中R32的質量組分比例，有利于提高機組的制冷量。

圖2 冷凍水流量變化對機組制冷量的影響Fig.2 Effect of variable chilled water flow rates on the refrigerating capacity of the unit

3.3 冷凍水流量變化對系統效率的影響

隨著冷凍水流量的變化，必然導致換熱介質進出口溫度發生變化，從而導致換熱器中換熱溫差發生變化，對于換熱溫差采用公式(4)進行計算：

(4)

圖3給出冷凍水流量變化時，蒸發器中換熱溫差與冷水機組制冷效率的變化。首先，機組制冷效率最大值出現在R32的質量組分比例為0.6，冷卻水流量為0.8 m3/h，冷凍水流量為0.45 m3/h時，此時機組的制冷效率為4.16。機組制冷效率最小值出現在R32的質量組分比例為0.4，冷卻水流量為0.6 m3/h，冷凍水流量為0.25 m3/h時，此時機組的制冷效率為3.26。機組的制冷效率隨冷凍水流量的增大而增大，蒸發器中換熱溫差隨冷凍水流量的增大而減小。因為隨著冷凍水流量的增大，蒸發器中的換熱溫差減小，導致制冷劑的蒸發溫度與蒸發壓力升高，從而使得制冷效率增大；其次，從圖3中可得，低溫蒸發器中的換熱溫差小于高溫蒸發器中的換熱溫差，其原因為：1)低溫蒸發器中制冷劑多位液態，而液液換熱效果要優于氣液換熱效果；2)換熱器選擇時，低溫蒸發器選擇過大。最后，通過比較圖3中的(a)、(b)和(c)可得，隨著R32的質量組分比例的增大，機組的制冷效率增大。

圖3 冷凍水流量變化對機組效率的影響Fig.3 Effect of variable chilled water flow rates on the COP of the unit

3.4 冷凍水流量變化下系統各狀態點變化

表6給出了冷凍水流量變化時機組各狀態點變化。首先，從表6中可得，冷凍水流量的變化對冷水機組的排氣溫度與排氣壓力的影響非常小。不同工況下，冷水機組的排氣溫度保持70～72 ℃左右。而隨著R32質量組分比例的增大，冷水機組的排氣壓力增大明顯?？梢娪捎赗32的沸點低，隨著R32的質量組分比例的升高，機組排氣壓力升高。其中，在R32的質量組分比例為0.6時，機組的排氣壓力在不同的換熱介質流量下接近2 MPa。總之，雖然當R32的質量組分比例越大時，機組的效率和制冷量越大，但此時機組的排氣壓力較高，因此在選擇混合工質的組分時，R32的質量組分比例應在0.5左右。其次，隨著冷凍水流量的增大，蒸發器的進出口溫度都逐漸增大，這說明制冷劑的蒸發壓力不斷升高，使得制冷劑的蒸發溫度不斷升高。隨著蒸發壓力的提高，蒸發器的換熱量不斷增大，導致蒸發器進出口溫差不斷增大。

表6 不同冷凍水流量下冷水機組各狀態點Tab.6 State points of the unit under variable chilled water flow rates

3.5 高溫冷凍水溫度變化對冷水機組性能的影響

表7給出了高溫冷凍水溫度變化對冷水機組性能的影響。首先，從表7中可得，在R32的不同質量組分比例下，冷水機組的制冷效率與制冷量都隨高溫冷凍水溫度的增大而增大。最大值出現在R32的質量組分比例為0.6，高溫冷凍水溫度為17 ℃時，此時制冷效率為3.97，制冷量為4.29 kW；制冷效率最小值為3.52，制冷量為3.25 kW，此時R32的質量組分比例為0.4，高溫冷凍水溫度為15.9 ℃。其次，高溫冷凍水溫度變化對壓縮機排氣溫度與排氣壓力的影響較小。最后，隨著高溫冷凍水溫度的增大，蒸發器進出口的溫度都增大，且蒸發器進出口的溫差也隨著高溫冷凍水溫度的增大而增大。低溫蒸發器中換熱量隨著高溫冷凍水溫度的升高而減小，高溫蒸發器則相反，原因在于隨著高溫冷凍水溫度的升高，高溫蒸發器的換熱量增大，而此刻換熱系數與換熱面積保持不變，因此換熱溫差必然增大。

4 結論

本文提出一種基于大滑移溫度非共沸工質的雙溫冷水機組，并對冷凍水流量與高溫冷凍水溫度的變化對系統性能影響進行了研究，研究結果表明：

1)冷凍水流量的變化對機組的效率和制冷量都存在較大的影響。當低溫冷凍水出水溫度為7 ℃，高溫冷凍水出水溫度為16 ℃，冷卻水進出口溫度分別為32 ℃與37 ℃時，機組制冷量與制冷效率最大值都出現在R32的質量組分比例為0.6，冷卻水流量為0.8 m3/h，冷凍水流量為0.45 m3/h時，此時機組的制冷量為4.49 kW，制冷系數為4.17。組制冷量最小值出現在R32的質量組分比例為0.4，冷卻水流量為0.6 m3/h，冷凍水流量為0.25 m3/h時，此時機組的制冷量為3.15 kW，制冷系數為3.36。

2)不同工況下的研究結果表明：冷水機組的排氣溫度保持在70～72 ℃左右，排氣溫度低，系統運行溫度；R32的質量組分比例對排氣壓力影響很大，當非共沸混合工質中R32的質量組分比例為0.5時，不同換熱介質流量下機組的排氣壓力1.8 MPa左右，排氣壓力適中。制冷系數最小為3.59，最大為4.06；制冷量最小為3.62，最大為4.07。因此該機組推薦所采用的混合工質中R32的質量組分比例度應在0.5左右。

3)在其他工況一定情況下，隨高溫冷凍水出水溫度的升高，冷水機組的效率提高且最高可達3.97。

表7 高溫冷凍水溫度變化冷水機組的影響Tab.7 Effect of the temperature change of high temperature chilled water on the unit

符號說明

COP——制冷效率

ODP——臭氧層消耗能值

Qe——制冷量，kW

GWP——全球變暖潛能值

f——不確定度，%

W——壓縮機功耗

cp——換熱流體的定壓比熱容，J/(kg·K)

w——質量組分比例

T——溫度，℃

G——換熱介質流量(水)，m3/h

DTG——高溫換熱器換熱溫差，℃

DTD——低溫換熱器換熱溫差，℃

下標

f——液相

t,tol——計算量

g——氣相

e——蒸發器

t,i——測量值

c——冷凝器

x——壓縮機吸氣

d——高溫冷凍水

in——進口

g——低溫冷凍水

out——出口

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About the corresponding author

Zhang Xiaosong, male, professor, School of Energy and Environment, Southeast University, +86 13951974528, E-mail: rachpe@seu.edu.cn. Research fields: new technology of refrigeration and performance optimization of air conditioning system.

Effect of Variable Chilled Water Flow Rates and Temperatureon Performance of Double Temperature Chiller with Largeemperature Glide Zeotropic Refrigerant

Liu Jian Zhang Xiaosong

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing, 210096, China)

To study the effect of variable chilled water flow rates and temperature on double temperature chiller with large temperature glide zeotropic refrigerant, the chiller’s performance under different conditions was investigated experimentally, including mass concentration ratio of R32/R236fa (0.4∶0.6, 0.5∶0.5, 0.6∶0.4), chilled water flow rates change from 0.25 m3/h to 0.45 m3/h and temperature change of the high temperature chilling water. The experimental results show that the maximum and minimum COP of the unit under different flow rates is 4.17 and 3.27 respectively, this moment, the inlet and outlet water temperature of condenser are 32 ℃ and 37 ℃, the high-low temperature chilling water are 7 ℃ and 16 ℃. In addition, the temperature change of high temperature chilled water have obvious effect on the performance of the unit. At last, the results of this paper provide database for the application of double temperature chiller.

zeotropic; variable flow rate; COP; large temperature glide

國家自然科學基金(51376044)和國家科技支撐計劃(2011BAJ03B14)資助項目。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51376044) and the National Key Technology R&D Program(No.2011BAJ03B14). )

2015年3月24日

0253- 4339(2015) 06- 0083- 07

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.06.083

TU831.4;TB64

A

張小松，男，教授，東南大學能源與環境學院，13951974528，E-mail: rachpe@seu.edu.cn。研究方向：制冷新技術與制冷空調系統性能優化。