混合工質(zhì)低溫制冷系統(tǒng)的優(yōu)化控制方案

潘垚池，劉金平 ，2，許雄文，2，李國(guó)立，林郁聰

（1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510640；2.廣東省能源高效清潔利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

0 引言

隨著現(xiàn)代高科技領(lǐng)域的發(fā)展，-40℃以下到深冷溫區(qū)的制冷技術(shù)也不斷開(kāi)展，以非共沸混合工質(zhì)作為冷媒的單級(jí)節(jié)流制冷技術(shù)最具有優(yōu)勢(shì)。通過(guò)充灌不同工質(zhì)及不同配比，可以靈活改變系統(tǒng)所能制取的最低溫度（-43～-193℃）。由于該制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行調(diào)節(jié)便利，適用溫區(qū)廣泛，已被普遍應(yīng)用于低溫電子、低溫醫(yī)學(xué)、低溫生物等領(lǐng)域[1-5]。

混合工質(zhì)單級(jí)制冷循環(huán)的設(shè)想最先由Podbiel?niak于1936年提出[6]。前蘇聯(lián)Kleemenko采用多元混合工質(zhì)、多次分凝的自復(fù)疊流程液化天然氣，標(biāo)志著混合工質(zhì)制冷技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域[7]。自此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼開(kāi)展了一系列關(guān)于混合工質(zhì)制冷的研究[8-12]。羅二倉(cāng)等[13]采用Ne、Ar、N2、O2的四元工質(zhì)，在開(kāi)式內(nèi)復(fù)疊循環(huán)中獲得了-222℃的低溫。在混合工質(zhì)自復(fù)疊單級(jí)和多級(jí)系統(tǒng)中，張華團(tuán)隊(duì)著重研究組分選擇和最佳濃度配比對(duì)整機(jī)性能的影響[14-16]。劉金平等[17]重點(diǎn)考察制冷系統(tǒng)相積存、節(jié)流閥開(kāi)度對(duì)系統(tǒng)性能的影響，并聯(lián)立遺傳算法和Aspen Plus揭示了混合工質(zhì)自復(fù)疊制冷系統(tǒng)在降溫過(guò)程中最優(yōu)的組分需求規(guī)律：在系統(tǒng)高、低壓一定時(shí)，為使系統(tǒng)的降溫過(guò)程處于最優(yōu)狀態(tài)，高沸點(diǎn)組分需求量逐漸減少，低沸點(diǎn)組分需求量逐漸增多[18-20]。

對(duì)于一個(gè)容積固定的制冷系統(tǒng)，在壓縮機(jī)啟動(dòng)初期，幾乎是全部氣態(tài)的工質(zhì)通過(guò)節(jié)流單元，排氣壓力將會(huì)很高。尤其當(dāng)其降溫到深冷溫區(qū)時(shí)，低沸點(diǎn)組分的作用又會(huì)使排氣壓力和溫度變大，造成安全威脅。目前混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)不但存在上述問(wèn)題，還存在降溫速度慢、制冷效率低的問(wèn)題，故掌握系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作特性，適時(shí)改變組分運(yùn)行濃度，對(duì)改善系統(tǒng)降溫性能具有重要意義。搭建了自適應(yīng)的混合工質(zhì)超低溫實(shí)驗(yàn)臺(tái)，根據(jù)混合工質(zhì)制冷系統(tǒng)最優(yōu)組分需求規(guī)律，提出以膨脹儲(chǔ)氣罐和控制閥聯(lián)合作用的優(yōu)化控制方案，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)比較其對(duì)系統(tǒng)工作性能的影響，驗(yàn)證該策略的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

混合工質(zhì)超低溫制冷系統(tǒng)的流程如圖1所示。其主要部件有壓縮機(jī)、冷凝器、氣液分離器、中間回?zé)崞鳌㈦娮优蛎涢y、膨脹儲(chǔ)氣罐、蒸發(fā)器（電加熱器）和控制單元。其中，中間回?zé)崞髯鳛槔淠舭l(fā)器，膨脹儲(chǔ)氣罐與控制閥、毛細(xì)管聯(lián)立接入壓縮機(jī)吸氣管路。

圖1 混合工質(zhì)超低溫制冷系統(tǒng)流程圖Fig.1 The process of ultra-low temperature cryogenic system for mixed refrigerant

在制冷流程中布置了兩個(gè)氣液分離器，對(duì)混合工質(zhì)進(jìn)行分凝，使得整個(gè)循環(huán)中不同沸點(diǎn)的組分之間同時(shí)流動(dòng)并進(jìn)行換熱作用，以復(fù)疊式循環(huán)制取低溫。混合工質(zhì)先經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)做功成為高溫高壓的氣體，進(jìn)入冷凝器換熱后工質(zhì)冷凝，其中大部分的低沸點(diǎn)工質(zhì)保持氣態(tài)；經(jīng)氣液分離器進(jìn)行氣液分離后，氣相工質(zhì)進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器的熱流通道，降溫冷凝后進(jìn)入節(jié)流閥節(jié)流降溫后進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)換熱，制取低溫環(huán)境；工質(zhì)吸熱后進(jìn)入回?zé)崞鞯睦淞魍ǖ阑責(zé)幔焕淠骱蟮臍庖悍蛛x器液相出口流出的工質(zhì)大部分為高沸點(diǎn)工質(zhì)，通過(guò)節(jié)流閥后，與從回?zé)崞鞒鰜?lái)的低沸點(diǎn)工質(zhì)混合進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器進(jìn)行回?zé)幔詈蠓祷貕嚎s機(jī)，完成循環(huán)。

1.2 工質(zhì)的選取

以-150℃的節(jié)流后溫度作為制冷溫度展開(kāi)實(shí)驗(yàn)，選取異丁烷（R600a）作為系統(tǒng)的高沸點(diǎn)組分（重組分），丙烷（R290）、乙烷（R170）作為中間沸點(diǎn)組分（中間組分），甲烷（R50）、氮?dú)猓≧728）作為低沸點(diǎn)組分（輕組分）。表1為通過(guò)NIST REFPROP 9.1查得的工質(zhì)物性參數(shù)，A1表示不燃，A3表示可燃，所選工質(zhì)的ODP均為0，其100年的GWP值也較小，屬于環(huán)保工質(zhì)。R50、R170、R290、R600a、R728的充注質(zhì)量比為：0.0796、0.1149、0.158、0.5226、0.1249。

表1 工質(zhì)物性參數(shù)Table 1 The physical parameters of working medium

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)在同一室溫25℃中進(jìn)行，每次實(shí)驗(yàn)恢復(fù)至室溫，所有電子膨脹閥設(shè)定好開(kāi)度后不進(jìn)行變動(dòng)，節(jié)流后的目標(biāo)溫度均為-150℃。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，由于壓差的存在，打開(kāi)的控制閥可使膨脹儲(chǔ)氣罐中的冷劑組分充入系統(tǒng)，從而增加降溫所需的冷劑組分，促進(jìn)冷量的生成。系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，膨脹儲(chǔ)氣罐可存儲(chǔ)大部分的氣相輕組分，同時(shí)降低停機(jī)壓力，提高開(kāi)機(jī)安全性。

實(shí)驗(yàn)分為兩組：第一組（罐全開(kāi)組）將膨脹儲(chǔ)氣罐與控制閥保持打開(kāi)狀態(tài)進(jìn)行降溫實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)的最高排氣壓力限制為2.3×106Pa；第二組（控壓組）利用控制單元、膨脹儲(chǔ)氣罐、控制閥進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)節(jié)。第二組實(shí)驗(yàn)在開(kāi)機(jī)前期，設(shè)定好控制單元的壓力范圍1.7～1.85×106Pa（根據(jù)實(shí)際要求設(shè)置），當(dāng)壓縮機(jī)排氣壓力高于1.85×106Pa時(shí)，控制單元檢測(cè)到超壓信號(hào)，使膨脹儲(chǔ)氣罐前的控制閥關(guān)閉。此時(shí)隨著系統(tǒng)溫度的降低，壓縮機(jī)排氣壓力逐漸降低，當(dāng)其壓力低于1.7×106Pa時(shí)，控制單元再次檢測(cè)到超壓信號(hào)，打開(kāi)膨脹儲(chǔ)氣罐的控制閥，如此往復(fù)，直到停機(jī)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用Agilent34970A和Labview數(shù)據(jù)采集程序?qū)嚎s機(jī)功耗、系統(tǒng)的高低壓、各測(cè)點(diǎn)溫度進(jìn)行采集。

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)系統(tǒng)組分采集平臺(tái)對(duì)降溫過(guò)程中不同的節(jié)流后溫度點(diǎn)進(jìn)行組分采集，采集溫度有9個(gè)：-30℃、-60℃、-90℃、-100℃、-110℃、-120℃、-130℃、-140℃、-150℃，采集點(diǎn)位于壓縮機(jī)吸氣口，通過(guò)GC-1690熱導(dǎo)型（TCD）氣相色譜儀進(jìn)行組分比例的分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)兩次相同工況下的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，分析兩組降溫實(shí)驗(yàn)節(jié)流后溫度、壓縮機(jī)排氣壓力、排氣溫度、耗功大小、組分濃度等參數(shù)變化，如圖2～圖7所示。

由圖2可知，在開(kāi)機(jī)15 min前，控壓組的降溫速度與罐全開(kāi)組的降溫速度較為相同；15 min后，控壓組的降溫速度優(yōu)于罐全開(kāi)組；降溫后期，兩者的降溫速度又近似相同，控壓組的最終溫度略低于后者。明顯可知，控壓組的操作更易使系統(tǒng)降到-150℃，比罐全開(kāi)組快了10 min左右。

圖3的兩條曲線(xiàn)代表控壓組和罐全開(kāi)組的壓縮機(jī)排氣溫度變化，罐全開(kāi)組的排氣溫度普遍高于控壓組，最高排氣溫度達(dá)115℃，最終穩(wěn)定在112℃的溫區(qū)；控壓組的最高排氣溫度達(dá)103℃，最終穩(wěn)定在100℃。從圖4可看出，控壓組的最大排氣壓力達(dá)1.85×106Pa，由于控制單元的操控作用，使得系統(tǒng)壓力值呈現(xiàn)上下波動(dòng)，且整個(gè)過(guò)程的波動(dòng)較為穩(wěn)定，而罐全開(kāi)組的排氣壓力在開(kāi)機(jī)前期會(huì)升到2.3×106～2.4×106Pa，長(zhǎng)期處于高壓區(qū)，變化波動(dòng)不穩(wěn)定，易造成安全威脅。

圖2 兩組實(shí)驗(yàn)的節(jié)流后溫度變化曲線(xiàn)Fig.2 The change of throttling temperature

圖3 壓縮機(jī)排氣溫度變化曲線(xiàn)Fig.3 The change of compressor exhaust temperature

圖4 實(shí)驗(yàn)的壓力變化曲線(xiàn)Fig.4 The change of compressor exhaust pressure

由圖5可知，在整個(gè)降溫過(guò)程中，兩組實(shí)驗(yàn)的壓縮機(jī)耗功曲線(xiàn)與圖4的曲線(xiàn)變化相似，罐全開(kāi)組的耗功振幅較大，變化不穩(wěn)定，最大耗功達(dá)2 300 W；而控壓組的耗功能穩(wěn)定在1 700～1 900 W的范圍內(nèi)，最大耗功為1 900 W。控壓組的壓縮機(jī)耗功比罐全開(kāi)組的壓縮機(jī)耗功要小，前者總耗功比后者小10.39%。控壓組狀態(tài)下的系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境較為穩(wěn)定，有利于提高壓縮機(jī)運(yùn)行壽命。

圖5 壓縮機(jī)耗功變化曲線(xiàn)Fig.5 The change of compressor power consumption

組分濃度比例分布的結(jié)果如圖6和圖7所示，圖6為罐全開(kāi)組，圖7為控壓組，兩圖比較分析可得，控壓組的氮?dú)夂图淄椋ㄝp組分）濃度較罐全開(kāi)組具有更大的增長(zhǎng)趨勢(shì)，前者從46.25%增至57.95%，后者從48.34%增至55.24%；兩圖中的丙烷、乙烷（中間組分）在降溫過(guò)程中濃度變化不大；異丁烷（重組分）的變化均呈減小的趨勢(shì)。兩組實(shí)驗(yàn)終了時(shí)，兩圖各自的五種工質(zhì)組分濃度比例相似。

圖6 不同節(jié)流后溫度下組分變化（罐全開(kāi)組）曲線(xiàn)Fig.6 The variation of composition under different throttling temperature（control pressure）

圖7 不同節(jié)流后溫度下組分變化（控壓組）曲線(xiàn)Fig.7 The variation of composition under different throttling temperature（tank open）

由于膨脹儲(chǔ)氣罐內(nèi)存儲(chǔ)較多的輕組分氣體，在控壓實(shí)驗(yàn)中，膨脹儲(chǔ)氣罐每次打開(kāi)時(shí)，罐內(nèi)的氮?dú)夂图淄椋ㄝp組分）就會(huì)充入運(yùn)行的系統(tǒng)，增加系統(tǒng)輕組分含量的同時(shí)，不斷生成降溫所需冷量，從而加快降溫速度。異丁烷（重組分）濃度比例隨系統(tǒng)溫度的降低而減少。

綜上分析可知，控壓組的降溫性能優(yōu)于罐全開(kāi)組的降溫性能。控壓組以膨脹儲(chǔ)氣罐和控制閥聯(lián)合作用的方法可以增加系統(tǒng)降溫速度，減小系統(tǒng)壓縮機(jī)總耗功，系統(tǒng)的開(kāi)機(jī)溫度及壓力也能得到安全控制。該實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了輕組分濃度隨系統(tǒng)溫度的降低而增加、重組分濃度隨系統(tǒng)溫度的降低而減小的最優(yōu)組分濃度需求規(guī)律，該規(guī)律指導(dǎo)下的控制方案可有效提高系統(tǒng)的降溫性能。

3 結(jié)論

（1）以膨脹儲(chǔ)氣罐和控制閥聯(lián)合作用的控制方案可以改變混合工質(zhì)低溫制冷系統(tǒng)的輕、重組分運(yùn)行濃度，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行自適應(yīng)地往復(fù)調(diào)節(jié)，使輕組分濃度隨系統(tǒng)溫度的降低而增加、重組分濃度隨之減小，從而達(dá)到優(yōu)化降溫的目的；

（2）在混合工質(zhì)超低溫制冷系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，該優(yōu)化控制方案可以增加系統(tǒng)降溫速度，減小系統(tǒng)壓縮機(jī)總耗功，防止系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣溫度及壓力過(guò)高，能有效提高系統(tǒng)的降溫性能。

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