空氣制冷系統性能實驗范文

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《低溫工程雜志》2016年第二期

摘要:

在低溫空氣循環制冷系統中增加二級回熱器及水分離器，除去渦輪進口空氣中的水分，以提高系統效率和可靠性。在不同的工況條件下，對3種回熱流程的空氣制冷系統性能進行實驗研究，結果表明，壓氣機進口壓力的升高，增大了渦輪膨脹比，降低了渦輪出口溫度，提高了系統制冷量和制冷系數;在系統中增加回熱器及相應的水分離器，可顯著提高系統的制冷效率和除水性能，且二級回熱流程的系統性能最優，與無回熱流程相比，系統制冷量和制冷系數分別增加了47%和41%，渦輪進口含濕量下降了約36%;不同的制冷溫度下，系統制冷系數較低。

關鍵詞:

空氣制冷系統；除濕性能；二級回熱流程；制冷系數

1引言

環境問題近幾年來成為世界的焦點，由于氟利昂制冷劑會致使臭氧層遭到破壞、溫室效應日益嚴重，而空氣卻對環境完全無污染，且隨處可取，因而成為最理想的制冷劑，空氣循環制冷技術也由此受到高度重視。空氣制冷循環可滿足在－140℃以上穩定運行，而且其在低溫下運行的優良性能是蒸汽壓縮式制冷機所不能媲美的。另外，空氣制冷系統設備簡單可靠，無需擔心制冷劑泄漏及嚴格密封的問題，可以直接采用開式流程，也可以根據實際情況和不同使用目的將系統改造為多種循環流程，這是其他制冷循環所不具備的。目前國內外諸多學者已對空氣制冷循環系統進行了大量的研究和分析。趙祥雄［1］等對逆布雷頓制冷機動態降溫性能進行了數值模擬研究，結果表明，增大換熱面積可提高系統的溫降性能，實現進一步降溫的有效措施是提高膨脹機的效率。蔡君偉［2］等改進了逆布雷頓循環空氣制冷實驗臺，實驗最低溫度達到－152℃，膨脹機最高轉速達270000r/min。ParkSK［3］等人在非設計工況下對開式空氣制冷系統的性能進行了數值模擬和理論分析，得到了系統最佳運行工況即設計工況，并與非設計工況下運行的制冷系統性能進行了比較。Sánchez-OrgazS［4］等在考慮了渦輪機和壓縮機運行過程中的非等熵損失、換熱器熱量交換過程中的不可逆損失以及通過系統向周圍環境滲透熱量等幾種內部和外部不可逆性損失基礎上，提出了通用多級回熱逆布雷頓循環的模型。另外，空氣制冷系統在應用方面，例如列車空調［5-6］、食品冷凍冷藏［7-8］以及飛機空調系統［9-10］等也得到了初步推廣。本文搭建了低溫空氣制冷系統實驗臺，在不同的工況條件下，分別對3種回熱流程進行性能實驗，并重點分析回熱流程對系統性能的影響。

2低溫空氣制冷系統實驗裝置

實驗臺采用雙級壓縮正升壓式空氣制冷循環系統，該系統采用兩級壓縮，中間冷卻，通過回收渦輪膨脹機(簡稱渦輪)的膨脹功來帶動離心式壓氣機將一級壓縮空氣進行第二次壓縮，以提高渦輪的膨脹比與焓降，從而增大系統制冷量，其循環流程如圖1所示。該低溫空氣制冷系統中，核心部件為采用空氣動壓軸承的升壓式渦輪壓氣機組，該機組由同軸的離心式壓氣機和向心式渦輪組成，轉速約為105r/min。散熱器及回熱器均采用鋸齒形板翅式緊湊換熱器。兩高效水分離器用于除去渦輪進口濕空氣中攜帶的冷凝游離水。工作負載為低溫箱，內設電加熱器，通過調節加熱器功率模擬速凍床熱負荷來平衡空氣制冷系統的制冷量，同時控制低溫箱的出口溫度(即制冷溫度)。測控系統主要包括:溫度傳感器、壓力傳感器、調功器、渦街流量計、變頻器、數據采集控制系統和上位機等。系統中各點的溫度由PT100鉑電阻溫度傳感器測量，其測量精度為±0．1℃;各點的壓力用陶瓷應變片式壓力傳感器測量，精度為0．1%FS;系統流量用精度為1．5%FS的渦街流量計測量;風機電機頻率由變頻器調節，從而控制風機冷卻風量;加熱器的功率可通過調功器調節，并用WT500功率分析儀測量。各測量點的傳感器通過數據采集系統與計算機連接，采集間隔為1秒。空氣循環制冷系統實驗臺可進行3種不同回熱流程的變工況實驗:(1)無回熱流程:系統中不設回熱器和水分離器，從低溫箱排出的空氣直接排放;(2)一級回熱流程:在系統中增加回熱器1和水分離器1，用低溫箱出口的低溫空氣冷卻渦輪進口的壓縮空氣，被冷卻空氣排出的冷凝水通過水分離器1除去;(3)二級回熱流程:在一級回熱的基礎上增加回熱器2和相應的水分離器2，用回熱器1冷邊出口空氣冷卻壓氣機進口的壓縮空氣，同樣利用水分離器2除去被冷卻空氣排出的冷凝水。不同回熱流程通過調節截止閥開關得以實現。

3實驗數據處理

由于在實際實驗中，空壓機通過間歇運行為空氣制冷系統提供壓縮空氣。故空氣制冷系統所需壓縮耗功功率為:

4空氣制冷系統性能的實驗結果分析

本文設定的實驗工況為:制冷溫度－15℃，環境溫度20℃，壓氣機進氣壓力分別為170、180、190和200kPa。對3種回熱流程下的空氣循環制冷系統進行性能測試，分析系統流程以及工況條件對系統性能的影響。

4．1回熱流程對系統制冷性能的影響在上述工況下對3種回熱流程的空氣制冷循環系統進行實驗，圖2和圖3分別為不同回熱流程下系統COP和制冷量隨壓氣機進口壓力的變化。由圖2和圖3可以看出，對于3種回熱流程的空氣制冷系統，一級、二級回熱流程的系統COP和制冷量比無回熱流程都有所增大，且二級回熱流程的增幅大于一級回熱流程。當壓氣機進口壓力為200kPa時，二級回熱流程較無回熱流程的系統制冷量由1700W增加到2500W，相應的系統COP由0．27升高到0.38，分別提高了47%和41%。上述表明空氣制冷系統中采用回熱流程的性能要優于無回熱流程，增加回熱器及水分離器對整個系統是有利的。另一方面，在相同的回熱流程下，系統的COP和制冷量均隨著壓氣機進口壓力的升高而增大，但由于受到渦輪轉速的限制，渦輪壓氣機組所能允許的最高進氣壓力為200kPa。渦輪出口溫度是空氣制冷系統的一個重要參數，其直接影響系統的制冷溫度和制冷量。圖4為3種回熱流程下渦輪出口溫度隨壓氣機進口壓力的變化。由圖4可知，與無回熱流程相比，一級、二級回熱流程降低了渦輪的出口溫度，且二級回熱流程的降低幅度更為明顯。當壓氣機進口壓力為200kPa時，二級回熱流程和無回熱流程相比，渦輪的出口溫度由－31℃降低到了－39℃。因此在同等壓氣機進口壓力條件下，采用二級回熱流程可以顯著提高系統COP和制冷量。而對于相同的回熱流程，渦輪出口溫度隨壓氣機進口壓力的升高明顯降低。由此可見，較高的壓氣機進口壓力對提高系統性能是有利的。

4．2回熱流程對系統除水性能的影響相同的工況條件下，3種回熱流程的渦輪進口含濕量和渦輪中水蒸氣的冷凝量隨壓氣機進口壓力的變化情況如圖5和圖6所示。由圖5可清楚地看到，不同的回熱流程對渦輪進口含濕量影響較大。在相同的壓氣機進口壓力條件下，無回熱流程的渦輪進口含濕量最大，二級回熱流圖5回熱流程對渦輪進口含濕量的影響e圖6回熱流程對渦輪中水蒸氣冷凝量影響程的渦輪進口含濕量最小。當壓氣機進口壓力為170kPa時，二級回熱流程的渦輪進口含濕量約為2.24g/kg，與無回熱流程的渦輪進口含濕量3．53g/kg相比，降低了36%。而一級回熱流程與無回熱流程相比渦輪進口含濕量降低幅度較小，約為9%。由此可見，系統中增加兩級回熱器及水分離器可有效降低渦輪進口含濕量，有利于提高空氣制冷系統的除水性能。由圖6可見，對于相同的壓氣機進口壓力，二級回熱流程下渦輪中水蒸氣的冷凝量最少。當壓氣機進口壓力為200kPa時，與無回熱流程中渦輪水蒸氣的冷凝量3．35g/kg相比，一級回熱流程和二級回熱流程中水蒸氣的冷凝量減少為2．68g/kg和2．13g/kg，分別減少了20%和36%。這是由于增加回熱器及水分離器后，渦輪進口的含濕量減少，因而渦輪中水蒸氣的冷凝量也相應減少。這有利于提高空氣制冷系統運行的可靠性。

4．3制冷溫度對系統性能的影響不同的制冷溫度工況下，二級回熱流程的系統COP和制冷量隨壓氣機進口壓力的變化如圖7和圖8所示。圖中的3條曲線分別對應的系統制冷溫度為－10℃、－15℃和－20℃。由圖7和圖8可知，對于相同的壓氣機進口壓力，系統的COP和制冷量都隨制冷溫度的升高而增大。當壓氣機進口壓力為200kPa，制冷溫度從－20℃升高到－10℃時，系統的COP從0．23升高到0.38，制冷量從1300W升高到2500W。但是，整體而言，空氣循環制冷系統的效率還比較低，因此，后期將以此為重點，進一步研究提高系統制冷效率的途徑。

5結論

在不同的工況條件下，對升壓式低溫空氣制冷系統進行了3種回熱流程的性能實驗研究，得到的主要結論如下:(1)二級回熱流程的渦輪出口溫度最低，其系統COP和制冷量也最大，一級回熱流程次之。這說明在系統中增加回熱器及水分離器，可顯著提高制冷系統的性能。當壓氣機進口壓力為200kPa時，二級回熱流程的COP較無回熱流程提高了41%。另外，系統性能隨壓氣機進口壓力的增大而提高。(2)一級、二級回熱流程均可降低渦輪進口含濕量，并且二級回熱流程的降幅大于一級回熱流程，這表明增加回熱器及水分離器可有效降低渦輪進口含濕量，提高空氣制冷系統的除水性能。而壓氣機進口壓力的升高對渦輪進口空氣的含濕量影響不大。(3)3種回熱流程中，二級回熱流程的渦輪水蒸氣冷凝量最少。當壓氣機進口壓力為200kPa時，二級回熱流程中水蒸氣的冷凝量比無回熱流程中水蒸氣的冷凝量減少了36%。因此二級回熱流程可以進一步提高系統工作的可靠性。(4)系統COP和制冷量均隨制冷溫度的升高而增加，但制冷效率總體還較低。

作者：張佩蘭 郭憲民 郭曉輝 凌睿 單位：天津商業大學 天津市制冷技術重點實驗室