自复叠制冷技术研究进展

自复叠制冷技术在低温领域的应用十分广泛。本文首先介绍了自复叠制冷技术的原理,并与单级压缩、多级压缩及复叠制冷技术进行比较,指出了自复叠制冷技术具有结构简单、制冷温区宽的优势。从自复叠制冷系统的循环特性、混合工质的选择和配比优化、系统流程优化三方面,对当前自复叠制冷技术的研究进行分析总结。最后,展望该技术的发展前景,为拓宽该技术的应用提供参考。

自复叠制冷系统及其组分分离、迁移与调控研究进展

自复叠制冷技术因具有较宽的制冷温区、结构简单且运行可靠等优势,在普冷及深冷领域具有广阔的应用前景。对自复叠制冷循环的新流程构建与混合工质多元化的研究已较为广泛,但如何主动调控系统内混合工质的组分质量分数进而提升系统性能一直是技术瓶颈和研究难点。首先综述了国内外关于自复叠制冷系统的总体研究现状,阐述了其循环流程构建的发展历程。然后,总结了影响系统效率的组分分离与组分偏移特性两方面的研究进展。文中从制冷循环改进与关键元件—气液分离器性能讨论了组分分离方面的研究,并总结了组分迁移的原因、组分迁移特性的研究现状及相积存的理论计算模型。在此基础上,介绍了现有研究中对于自复叠制冷系统工质组分质量分数调控的方法。通过总结自复叠制冷技术在以上4方面的研究现状,提出未来领域内应重点关注的研究方向——组分优化调控,为进一步提升自复叠制冷系统性能提供借鉴与参考。

R32/R134a自复叠热泵变组分浓度实验分析

为缓解热泵大温度跨度运行时容积制热量衰减严重的问题,提出一种新型变组分浓度调控自复叠热泵实验装置,采用非共沸混合制冷剂R32/R134a为工作介质,通过动态监测系统组分浓度分布、制热量、性能系数(COP)等关键性能参数,探究混合工质浓度变化对自复叠热泵循环性能的影响规律。结果表明:冷凝器出水温度或第一级节流阀开度增加,主路低沸点组分质量分数降低2.5%~8.1%。而随着充注量增加,主路低沸点组分质量分数逐渐增加,排气温度逐渐降低;当充注量增至2.8 kg,出水温度为65℃时,COP达2.22,压缩机排气温度仅为80℃。当低沸点组分质量分数从0.3增加至0.5,排气温度最高可降低25.4%。与单级蒸气压缩系统(SVC)相比,自复叠热泵系统排气温度降低31.2%,以上自复叠热泵组分浓度分布及性能变化规律表明该热泵系统在大温度跨度时具有较明显的性能优势,对于系统长期稳定运行以及节能效应具有显著作用。

R600a/R32用于自复叠低温冰箱的实验研究

设计搭建了一套小型低温冰箱自复叠制冷系统,实验对比分析了R600a/R32和R600a/R290两种制冷剂组合的系统循环性能,结果表明R600a/R32组合更符合-50℃低温冰箱的工况要求。通过实验进一步对比了R600a/R32在不同充注比例下的系统循环特性,得到R600a/R32最佳充注比例为0.61/0.39。此配比下,环境温度为25℃时,该系统冷冻室温度可以达到-51.8℃。由于小型制冷装置的空间限制,部分运行参数无法测得,对此提出一种制冷运行数据的分析模型,利用回热器换热平衡和气液分离器质量守恒计算出关键数据,并得到混合工质总运行浓度比例,以便进行系统性能的分析。

船用自复叠制冷系统与双级压缩制冷系统热力性能对比研究

采用流程模拟计算的方法,研究了新型四元混合制冷剂的自复叠制冷系统与传统制冷剂的双级压缩制冷系统的热力学性能,分析了针对-65℃的目标制冷温区下,两种系统的吸排气压力、系统性能系数(COP)。结果表明:当自复叠制冷系统选择R14/R23/R134a/R245fa(0.35/0.36/0.1/0.19)混合制冷剂时,系统COP可达1.037,排气压力与吸气压力分别为1 590 kPa与740 kPa,压比小于3,并且排气温度仅为61℃,工况参数良好。针对双级压缩制冷系统,通过调节两级压缩的中间压力获得系统运行最佳工况,通过对比发现,自复叠制冷系统的COP比R22制冷系统COP低7.32%,但其COP分别高于R404A及R407C制冷系统27.15%及5%。

具有中间压力调节功能的新型自复叠热泵

提出了一种带中间节流的新型自复叠热泵系统.通过增加节流元件来调节中间压力,以实现系统的气液分离器进口制冷剂状态与冷凝器出口制冷剂状态相对独立.用自编制的循环性能程序对新型的和传统的自复叠热泵系统进行了理论对比分析,结果表明:采用新型自复叠热泵系统,经较充分换热后冷凝器出口制冷剂在具有一定范围且干度较小的条件下,通过调节中间压力可避免压缩机吸气带液,从而提高系统性能,解决传统自复叠热泵系统的性能不稳定问题.与最优工况下的传统自复叠热泵系统相比,所提系统能使制热性能提高19.1%,容积制热量提高28.9%.

船舶多温冷库新型自复叠制冷循环的研究

针对传统船舶一机多温冷藏系统在不同蒸发压力下提供不同蒸发温度所存在的问题,提出将改进的自复叠制冷循环用于船舶多温冷库.新型自复叠制冷循环使用非共沸混合工质,可以在相同的蒸发压力下提供不同的蒸发温度.根据船舶双温冷库的间室温度,选取R600a和R32组成的非共沸混合工质作为制冷剂,并对系统进行了流程设计、模拟计算,得到了设计工况下蒸发压力、冷凝压力、压缩机压缩比和性能系数随R600a质量分数变化的曲线,发现当R600a/R32的质量分数为0.7/0.3时系统的综合性能最优.为了更好地满足船舶储存食物的温度要求,设计了自复叠三温冷库的流程图,为进一步研究三温冷库提供了新方法.

新型部分自复叠热泵的理论研究

提出了一种新型部分自复叠热泵,通过调节复叠率,该热泵可以控制压缩机的排气温度在安全温度(120℃)以内,并且把水加热到生活用热水所要求的温度(55℃),同时使热泵达到最高的能效比(COP).采用Matlab调用NIST制冷剂物性数据库Refprop 7.1编程对该热泵进行理论计算,分析了压缩机排气温度和热泵COP的影响因素,确定了最佳运行状态.理论计算结果表明:采用该新型部分自复叠热泵,可使压缩机排气温度下降30℃左右,当工质R22质量分数为0.28、冷凝器出口温度为55℃时,调节复叠率为0.717,可使压缩机排气温度降低至120℃,系统COP达到2.214.

节流阀开度对自复叠制冷循环冷凝蒸发器换热性能影响的试验研究

冷凝蒸发器的换热性能对自复叠制冷循环的性能具有显著影响,试验研究节流阀开度对冷凝蒸发器换热性能影响的规律,结果表明:自复叠制冷循环中冷凝蒸发器的损失是换热器中最大的,通过调节主流节流阀和支流节流阀的开度可以减小冷凝蒸发器换热过程的损失,冷凝蒸发器的换热窄点出现在端部,主流节流阀开度对冷凝蒸发器损失的影响比支流节流阀的要显著,稳定工况下,存在一组使冷凝蒸发器的损率最小的主流节流阀开度和支流节流阀开度。

自复叠制冷技术发展现状

自复叠制冷因制冷温区较宽,在普冷、深冷领域具有十分广阔的应用前景。在介绍自复叠制冷技术的应用和原理的基础上,与单级压缩、两级压缩及复叠式制冷技术进行比较,指出了自复叠制冷技术的优势和特点。主要从自复叠制冷技术流程及混合制冷剂选择和配比两方面,对当前自复叠制冷技术的研究概况进行分析,并指出该技术在系统流程设计和混合工质的选择和配比方面未来的发展动向,为该技术的进一步研发和推广应用提供参考。

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。

自复叠制冷中节流阀开度对流量影响实验研究

自复叠制冷循环中节流阀的开度对于整个系统循环的性能有直接影响。文中针对自复叠制冷循环中主节流阀和支节流阀开度对流量的影响进行了实验研究。实验结果表明:主节流阀开度、支节流阀开度对于主流流量和支流流量都有显著地影响;在相同开度变化下,主节流阀与支节流阀的交互效应对于主流的影响比支流的影响大。

自复叠双温冰箱的流程改进和性能分析

针对传统双温冰箱制冷循环存在的不足,提出了自复叠双温冰箱循环,在以前设计流程的基础上研究了4种流程改进方案,并分析了换热器不同布置方式、不同换热效果和分凝分离级数对冰箱性能的影响．模拟计算结果表明:在冷藏室蒸发器前增加逆流换热器只能降低冷藏室蒸发器的温度而不能提高系统性能系数(C=_(COP));在冷冻室蒸发器前增加逆流换热器可以提高系统C_(COP);在气液分离器前增加逆流换热器可以通过提高气液分离效率来改善系统性能,但C_(COP)提高不大;采用两级分凝分离方式可以较好地提高气液分离效率,降低压缩机的压力比,提高系统C_(COP),也达到了改进系统性能的目的,但流程较复杂．这4种改进流程从不同方面改善了循环工作参数,为改善实际装置的系统性能提供了理论基础．

应用不同混合工质的自复叠制冷机组性能的理论分析

混合工质的不同直接影响到自复叠制冷机组的各项性能。在给定的工况下分析了R744/R600 a、R744/R290、R744/R134 a、R23/R134 a、R23/R22与R32/R600等混合工质的配比、蒸发器出口温度对机组的冷凝压力、制冷量、压缩机耗功和COP的影响。结果表明:R744/R600 a、R744/R290、R744/R134 a与R32/R600 a的最佳配比为35∶65,R23/R134 a的最佳配比为40∶60,R23/R22的最佳配比为30∶70,其中R744/R290系统的COP值为最大;低沸点组分增大情况下,R744/R290、R744/R134 a与R23/R22机组的制冷量和压缩机耗功随着先增加后减小,但R23/R134 a、R32/R600与R744/R600 a机组的制冷量和压缩机耗功一直增加;在最佳配比情况下,随着蒸发温度的升高,其机组的COP值不断增加,而冷凝压力几乎不变。

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。

混合工质成分对自复叠冷冻干燥装置降温速率的影响

首次对以精馏型自复叠制冷系统为冷源的冷冻干燥装置降温过程进行了准稳态数值模拟,发现在混合工质成分和循环压比给定时,循环单位容积制冷量随压力位变化有峰值存在,具有与纯工质循环不同的特征.通过定成分和变成分下循环制冷量的优化,深入分析了混合工质成分对降温过程中各温度位循环制冷量的影响规律,从而可以为各种不同降温速率要求的冻结工艺设计混合工质的成分,为冻结工艺所要求的降温速率控制提供便利.借助于总单位温降时间和单位温降时间两个新概念,对物品热容量与搁板蒸发器热容量相比很小时的特例进行了深入分析.设计和制作了一台以精馏型自复叠制冷系统为冷源的冷冻干燥装置,实现了-60～-80℃温区的稳定运行,实验结果初步验证了理论分析所得到的结论.

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%。

带有分凝器的小型自复叠制冷循环性能分析

为了提高小型自复叠制冷装置中CO2和丙烷的分离效率,在循环中增设了分凝器。分析了CO2浓度、冷凝器出口蒸汽干度及分凝器高压侧出口温度对带有分凝器的自复叠制冷循环性能的影响。结果表明,当CO2质量浓度从0.22上升到0.31时,实验和理论计算的蒸发温度分别升高了6.8 K和5.7 K,相应的COP分别提高了68.3%和24.9%。当冷凝器出口蒸汽干度从0.5增加到0.9时,蒸发温度先降低后升高,在干度等于0.7时达到了211.37 K的最低值;COP陡降了98.8%。此外,分凝器高压侧出口温度升高8.21 K导致蒸发温度升高了1.41 K,COP增加了21.3%。

自复叠制冷循环双温冰箱设计的理论研究

为了给冰箱提供不同的间室温度来满足储存要求,将采用非共沸混合制冷剂的自复叠制冷循环应用于双温冰箱系统,研究了两间室蒸发器出口温度、冷凝器出口温度、冷藏室与冷冻室制冷量比例及冷凝蒸发器高压侧出口过冷度的变化对冰箱系统优化设计的影响.结果表明:系统性能系数随着冷藏室和冷冻室蒸发器出口温度的降低、冷凝器出口温度的升高而减小;提高两间室制冷量的比例可增大性能系数,但压缩机耗功和压力比也同时增大;增大冷凝蒸发器高压端出口侧制冷剂的过冷度可以减小压缩机耗功,提高系统性能系数.研究结果对于自复叠双温冰箱的实际推广提供了参考.

非共沸混合工质自复叠热泵相积存实验研究

混合工质循环浓度是影响自复叠热泵循环性能的主要因素之一，而相积存导致工质循环浓度偏离充灌浓度，造成热泵性能变化。实验结果表明热泵中存在明显的相积存，最大可达充灌总量的50％以上；加热水温度对相积存的影响很大，每升高10℃，积存量减少10％～21％；工质充灌浓度一定时，积存量随充灌量的增大而增加，工质充灌量增加10％，其积存比例增加1％左右。相积存导致工质循环浓度高于充灌浓度1．6％～37％，由于工质积存量随加热水温度的升高不断降低，循环工质浓度受相积存的影响也不断减小而逐渐接近充灌浓度。