畢業(yè)論文（設計）-60℃溫區(qū)精餾型自復疊制冷系統(tǒng)r41替代r23的理論與實驗研究

1、-60°c溫區(qū)精f留型自復疊制冷系統(tǒng)r41替代r23的理論與實驗研究摘 要本文選取r1234zc(e)作為高沸點組分，對r41在60°c溫區(qū)二元精傭型口復疊制冷循環(huán)中替代r23 進行了循環(huán)性能對比分析，設計并搭建了一個采用精館型自復疊制冷循環(huán)的實驗裝置，對r23/r1234ze(e) 和r41/ ri234ze(e)混合制冷劑在系統(tǒng)中的循壞性能進行了實驗對比。理論分析和實驗結果均表明：以 ri234ze(e)作為高沸點組分時,用r41替代r23后系統(tǒng)cop略有下降，單位體積壓縮功減小1/3-i/2,單 位容積制冷量稍冇降低，但是系統(tǒng)單位質量制冷量會明顯捉高，可以大大減小充注

2、量。更巫要的是，r41 在gwp的顯著減少能起到很明顯的環(huán)境保護作用。關鍵詞制冷劑替代；精館；自復疊；r41theoretical and experimental studies on the substitution of r41 forr23 in an auto-cascade refrigerator with a rectifying columnat -60 °csong qi1, le shengjian1, lv dongjie1, wang hui1, xu xiangguo1, wang qin1, guo zhikai2(1 key laboratory of

3、 refrigeration and cryogenic technology of zhejiang province,institute of refrigeration and cryogenics, zhejiang university, 3100272. zhejiang lantian environmental protection hi-tech co. ltd., 310023)(tel: email: wangain(5)abstract r41 was selected to substitute for r23 in an auto-casc

4、ade refrigeration cycle with a rectifying column at -60 °c. performance comparison and analyses were conducted when r1234ze(e) was selected as the less volatile component. an experimental apparatus was designed and established to compare the performance of r23/ r1234ze(e) and r41/ r1234ze(e) in

5、 the system. both theoretical and experimental results showed that when adopting r1234ze(e) as the less volatile component, cop values decreased slightly and the compression work per unit volume decreased by 1/3-1/2 after the substitution of r41 for r23. besides, the refrigeration capacity per unit

6、volume also decreased slightly, hut the refrigeration capacity per unit mass showed an obvious increase, which would result in significant refrigerant charge reduction. more importantly, the reduction in gwp of r41 would bring obvious environmental protection effect.0前言在深度制冷領域，r23是一種性能較好的制冷劑，對r23混合物

7、的研究也較多。王勤 等曾選収r23和r170的多組二元混合工質，通過理論計算対它們在60°c溫區(qū)一次分凝 自復疊制冷循壞中的性能進行了優(yōu)化。結果發(fā)現(xiàn)，在給定的不同壓比下，r23/r236ea混合 工質的最佳cop均最大。他們還對二次分凝自復殼制冷循環(huán)和精錨型自復殼采用類似的混 合制冷劑，在60°c溫區(qū)的性能進行了大量的理論計算分析憶譏r23的odp為0,但是gwp 卻高達14760，其替換工作迫在眉睫。r41的物理性質與r23接近，不僅odp值為0,而 且gwp為92，遠遠低于r23,符合國際社會限制高g好制冷劑的要求，相比于r23具有明顯的環(huán)境友好性，是頗具潛力的r23替

8、代品。精憾型自復疊制冷循環(huán)最早由浙江大學的陳光明等提出，該循環(huán)采用精僧裝置代替自 復疊循壞中的氣液分離器，有更好的分離效果和除油效果，避免了壓縮機潤滑油被帶入低溫 段而引起堵塞。采用二元混合制冷劑的精懾型口復疊循壞結構簡單，性能可靠，適用于營造 -60°c溫區(qū)的低溫環(huán)境，能夠滿足食品運輸、生物保存以及空間應用多方而的要求。通過前期的理論計算分析，本文選取了 r1234ze（e）作為高沸點組分，構成r23/ r1234ze（e）和r41/ri234ze（e）兩組混合制冷劑，進行了理論和實驗研究。r1234ze（e）和兩種 低溫制冷劑沸點相差較大，適合在二元自復疊制冷系統(tǒng)使用。1循環(huán)分析

9、方法精鐳型自復疊循環(huán)的流程圖如圖1所示。非共沸混合制冷劑經壓縮機壓縮后變?yōu)楦邷?高壓的氣體，經冷凝器冷凝后進入精憎裝置,含較多高沸點組分的混合物（下稱“高沸組分”） 在此冷凝與含較多低沸點組分的混合物（下稱“低沸組分”）分離，從精傳裝置底部流出，而 低沸組分從精憎裝置頂部參與循環(huán)。高沸組分經節(jié)流膨脹后進入回熱器，與低沸組分混合, 冷量提供給高壓的低沸組分進行預冷。低沸組分在精慵裝置內部上升流出，經精憾作用及釜 頂換熱器預冷后，其屮混有的高沸組分被分離出來，加強了精鐳效果。低沸組分經回熱器進 一步預冷后，經過節(jié)流閥節(jié)流后為蒸發(fā)器提供冷量，之后低沸組分與高沸組分在回熱器屮混 合回到壓縮機吸氣口完成

10、一個循壞。冷壓縮機1 ill丄丄丄丄1±itit nil 11tlbiltl 11iiitt副節(jié)流閥圖1精餾型門復疊制冷循壞流程圖fig. 1 schematic diagram of the auto-cascade refrigeration cycle with a rectifying column1假設（1）混合工質的成分給定；（2）高溫熱源和低溫熱源均為無限大等溫熱源，溫度分別為7尸25 °c, tl=-60 °c；（3）采用建立在半解析模型上給定循環(huán)運行壓比的優(yōu)化方法，給定壓比pr=p2/pl =8o 循環(huán)高壓側壓力損失忽略不計，蒸發(fā)器壓力損失5 k

11、pa,各回熱器壓力損失均為2.5 kpa；（4）冷凝器、蒸發(fā)器和各回熱器的夾點溫差給定且相等： 7；訕心譏二a7；訕二2 °c, 且回熱器無漏熱損失；（5）壓縮過程為非等爛壓縮過程，壓縮機的總效率為0.6,壓縮機吸氣口溫度為280 k；（6）節(jié)流過程無漏熱損失；（7）制冷機穩(wěn)定運行，各狀態(tài)點成分不隨時間變化。1.2物性物性數據采用了低溫下精度較高的改進的p-t方程進行計算叫 以r41為例，改進的p-t方程計算得到的不同壓力下r41潛熱值與refprop18計算所得相差均在5%以內，計算 精度可以得到較好的保證。在本文計算中，混合工質的狀態(tài)方程常數由維里型混合法則計算 得到，而混合工質

12、由于沒有相關的實驗數據來擬合相互作用參數，因此計算中相互作用參數 均取零。1.3優(yōu)化方法前期的研究結果表明，在成分給定時，循環(huán)cop在圧力位調整到使得初級冋熱器r1 的冷端溫差和末級回熱器r2的熱端溫差達到設定的夾點溫差脳吋達到最大。因此在循 環(huán)計算時只要調整壓力位使得兩個端點的四個溫度滿足條件即可，無需計算其他狀態(tài)點，減 少了計算時間。每一個組分濃度都對應一個最佳的壓力位和最優(yōu)cop,通過不斷調整組分 即可得到cop的變化趨勢。同時，在優(yōu)化過程屮還需關注排氣溫度和單位容積制冷量的變 化。2循環(huán)優(yōu)化與分析2.1 r23/r1234ze(e)的優(yōu)化r23作為低沸點組分，r1234ze(e)作為高

13、沸點組分，通過模擬計算得到循環(huán)性能的變化 趨勢。從圖2-a屮可以看到，隨著系統(tǒng)內r23濃度的上升，系統(tǒng)排氣溫度呈上升趨勢。圖 2-b反映了系統(tǒng)cop隨著r23濃度的變化。在所研究的濃度范圍內，cop呈先上升后下降 的趨勢，出現(xiàn)了一個峰值。這是因為隨著系統(tǒng)屮低沸點成分濃度的增加，系統(tǒng)的最佳壓力也 不斷上升。這一變化導致蒸發(fā)器進出口制冷劑焰差變大，同時由于壓力上升，經精餡柱釜頂 進入低溫回路的制冷劑流暈變小，這兩種因素共同作用產生了峰值現(xiàn)象。r23/ r1234ze(e) 的最高cop在所研究的濃度范圍內可達0.65o同樣地，單位體積制冷量也出現(xiàn)了與cop 類似的變化規(guī)律，如圖2-c所示。2.2

14、r41/r1234ze(e)的優(yōu)化r41作為低沸點組分，r1234ze(e)作為高沸點組分，通過模擬計算得到循環(huán)性能的變化 趨勢。如圖2a,在所研究的濃度范圍內，隨著系統(tǒng)內r41濃度的上升，系統(tǒng)排氣溫度也呈 上升的額趨勢。cop也呈先上升后下降的趨勢，但是相比于r23/r1234ze(e)的組合，上升 段的上升幅度并不明顯。單位體積制冷量的變化趨勢總體與cop致，但是具體數值有所 不同。2.3低沸點組分分別為r41和r23時性能比較分析從圖中的對比可以看到，兩組混合工質的排氣溫度都隨著低沸點組分的增加而上升， 不過兩者之間的差距并不大，都在可接受的范圍內。圖2-b表明，r23/r1234ze(

15、e)比 r41/r1234ze(e)的cop更高，兩者之間的最大值相對差值為7.69%。圖2c反映了兩組混合 工質之間單位體積制冷量之間的差別，r23/r1234ze(e)的峰值較高，相對有較明顯的優(yōu)勢。 k41/r1234ze(b) r2w1234zc(e)0?5 0 30 0 3$ 040 045 ok 0s5 0 60 c66 c?00 7$01 0»r41 /r23 concentration圖2a排氣溫度隨低沸點組分濃度的變化 r4l/r12wze(e) -»-r23«l234ze(e)0m 0400 450900553000«50?00 75

16、r41/r23 concentration圖2-b cop隨低沸點組分濃廈的變化fig. 2-a variations of exhaust temperature along with the volatile component concentrationfig. 2-b variations of cop val ues along with the volatile component concentration圖2c單位體積制冷量隨低沸點組分濃度的變化fig. 2-c variations of refrigeration capacity per unit volume along

17、 with the volatile component concentration3實驗裝置實驗臺以采用精謂型自復疊制冷系統(tǒng)的恒溫槽改造而成，制冷系統(tǒng)為酒精槽提供冷量, 槽內有99.9%酒精溶液15 l,如圖3所示。實驗裝置選用的是5匹谷輪渦旋壓縮機，精憎柱 自制，冷凝器為風冷冷凝器，回熱器為逆流式套管式回熱器，主節(jié)流閥定做，通徑為2 mm, 副節(jié)流閥采用hoke公司針閥。圖3實驗裝置fig. 3 experimental apparatus3參數測量(1) 溫度測量恒溫槽內的溫度由鉗電阻溫度計測量得到，經標定鉗電阻溫度計為±0.3 ko其他溫度測 點由t型熱電偶測得，精度為

18、77;0.5 k,用agilent34970a型數字萬用表采集。(2) 壓力測量系統(tǒng)高壓壓力由上海自動化儀表股份有限公司精密壓力表測量得到，表最大量程為4 mpa,精度為0.4級。低壓側布置druck ptx 7517壓力傳感器，精度等級為0.2級，最大 量程為5 mpa。傳感器信號由agilent34970a型數字萬用表讀取，通過設定電流信號與壓力 的函數關系可以獲得準確的壓力讀數。(3) 濃度測量制冷劑組分濃度的測量通過取樣針在系統(tǒng)里取樣，再送入到agilent 6890n氣相色譜儀 中分析得到。測量精度為l%o(4) 功率測量壓縮機功率的測量采用上海頂德電器zr3092w數碼多功能電力儀

19、表，該表對有功功率 的測量精度為0.5級。(5) 充灌量測量工質充灌量的測量采用凱豐電子計重秤h2。該電子天平的最大量程30kg,精度為1 go 采用余差法測量質量：即先將裝有工質的容器放在電子天平上，記下的電子天平的讀數，待 向系統(tǒng)屮加入一定質量工質之后，再次記錄電子天平的讀數。兩次讀數之差就是加入的工質 的質量。3.2實驗方案實驗中，分別進行r41/r1234ze(e)和r23/r1234ze(e)的實驗，測得各濃度組合物能達 到的極限溫度，以及此時對應的壓縮機功率和排氣溫度來深入比較兩者之間的性能。步驟如 下：(1) 先根據經驗在系統(tǒng)內充入一定量混合制冷劑，開機運行，觀測系統(tǒng)是否運行正常

20、。(2) 繼續(xù)運行并向系統(tǒng)內充入制冷劑，待系統(tǒng)運行穩(wěn)定良好，認定此時的充注量為一 個合理的基準質量，此吋精鐳柱頂部出氣溫度約為0°c。(3) 通過調節(jié)主節(jié)流閥和副節(jié)流閥的開度使恒溫槽內的溫度降低，直至達到極限，記 錄此時的極限溫度值、壓縮機功率以及排氣溫度等。(4) 停機恢回復后重新開機，驗證重復性。(5) 充注一定量低沸點工質調節(jié)系統(tǒng)內的運行濃度，重復上述步驟(3)和(4),得到 新濃度下的性能參數。(6) 換另一組混合物重復上述步驟。4實驗結果與分析實驗中發(fā)現(xiàn)，不同的環(huán)境溫度會對極限溫度和極限功率產生一-定的的影響。因此本文在 同一濃度情況下進行了重復性實驗，得到不同環(huán)境溫度下的

21、極限溫度和極限功率，再將極限 溫度和極限功率用線性插值的方法修正到壞境溫度為12 °c時的情況，以近似消除環(huán)境溫度 造成的偏差?；旌现评鋭﹔41/r1234ze(e)的實驗數據見表1,r23/r1234ze(e)的實驗數據按照同樣方法修正如表2所示。4.1極限溫度幾和單位容積制冷呈的比較單位容積制冷量么也是反映循環(huán)性能的一個重要指標。實驗屮，系統(tǒng)制冷量越大，可 以達到的極限溫度越低，而此時如果忽略輸氣系數的影響，不同濃度混合制冷劑的壓縮機實 際排氣量可以認為近似相等。因此，我們可以將極限溫度&作為單位容積制冷量么的表征。表1 r41/r1234ze(e)實驗數據table 1

22、 experimental data of r41 /r1234ze(e)序號r41摩爾比例x極限功率 幾/w極限溫度 rttlrc排氣溫度 rhrc10.3991435-59.39020.450161663.28030.491157460.03486.240.5601865 62.31490.450.5951717-67.80399.560.6391792-67.094110.570.654176367.001106.980.681193065.455106.0表2 r23/r1234zc(e)實驗數據tabic 2 experimental data of r23/r1234zc(e)序號

23、r23摩爾比例x極限功率 幾/w極限溫度 rinrc排氣溫度thrc10.365168567.73683.920.385174068.25887.330.3931753-70.81884.440.4451785-69.83182.650.494190767.691104.160.554205067.536107.470.6032118 67.719105.5將表1和表2的極限溫度和低沸點組分濃度數據合并畫到圖4九中可以看到，兩組混合 制冷劑的極限溫度均呈現(xiàn)隨低沸點組分濃度的增加而先下降后上升趨勢，且r23/r1234ze(e) 的極限溫度最低值比r41/r1234ze(e)的極限溫度最低值更低

24、。圖中也給出了相應的理論 計算結果，更清楚地反映了單位容積制冷量隨低沸點組分濃度增加而先上升后下降的趨勢, 只是在最大值的數值和相應的濃度上有一定差異。4.2 cop比較市于該實驗裝置維持恒溫的加熱方式為電熱絲脈沖加熱，因此得不到恒定槽溫下的穩(wěn)定 加熱功率來計算cop.采用累積一段時間的加熱電量來計算平均加熱功率雖然也可以得到 近似的數據，但由于市售電度表的最小讀數為0.01 kw h，同吋低溫下的加熱功率很小，因 此需要很長時間的運行來獲得數據。由于實驗條件限制，環(huán)境溫度不能長時間穩(wěn)定不變。因 此，在本文中，co尸的比較將通過極限溫度7；”和壓縮機耗功的比較來進行。(1) 從表1可以看到，r

25、41/r1234ze(e)實驗中的第5、6、7三組數據的極限溫度均低于 -67 °c,其中第5組最低，說明其制冷量最大，同時該濃度下的壓縮機耗功也相對較小，因 此可以推斷該濃度為r41/r1234ze(e)實驗中cop最大值對應的濃度。(2) 從表2可以看到,r23/r1234ze(e)實驗中的第3組的極限溫度最低，同時壓縮機耗功小于第4組-第8組，但較第i組和第2組的壓縮機耗功略有上升，此時就難以判斷哪 一組的cop更高。(3) 如果結合表i和表2可以看到，表2的第i組極限溫度與表i的第5組比較接近, 可以認為兩者的制冷量近似相等，然而表2的第1組的壓縮機耗功更小，因此可以認為 r

26、23/r1234ze(e)第1組濃度下的cop略優(yōu)于r41/r1234ze(e)第5組濃度下的cop,但相 差不大。r41/r23 cocx»ntradon x圖4-a單位容積制冷量比較fig 4-a comparisons of the refrigeration capacity per unit volumes5o>6065o70o4.3單位體積壓縮功w比較單位體積壓縮功w可以指導壓縮機的選型，也是一個重要的性能指標。由于極限溫度 情況下不同濃度混合制冷劑的壓縮機實際排氣量近似相等，因此可以用極限溫度時的壓縮機 功率幾，來表征單位體積壓縮功的大小。圖4b驗證了不論是理論計

27、算結果還是實驗數據， 單位體積壓縮功w均隨低沸點組分濃度x的增加而增加。相比而言，r23/rl234ze(e)的單位 體積壓縮功要大1/2-1/3,因此選取的壓縮機電機的可以更小。4.4排氣溫度th比較兩組混合制冷劑排氣溫度7；的理論與實驗結果對比見圖4c,可以看到，隨著低沸點 組分濃度x的上升，排氣溫度7；逐步攀升：在同一低沸點濃度下，r23/r1234ze(e)的排氣 溫度更高一些。實驗數據也基木反映了類似的規(guī)律，只是在具體變化程度及數值上有所不同。圖4b單位體積壓縮功比較夕 fjsec二 5 *oaa uofssaxjeoo5 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65

28、0.70r4* r23 concentration x圖4c排氣溫度比較fig 4-b comparisons of the compression work per unit volumefig 4-c comparisons of the exhaust temperature5結論本文針對二元混合制冷劑精錨型自復疊制冷循環(huán)，分別以r23/r1234ze(e)和 r41/r1234ze(e)為制冷劑，采用定壓比的方法進行了循環(huán)性能數值模擬優(yōu)化，并設計搭建了 實驗裝置，對-60°c左右溫區(qū)r41替代r23的可行性進行了實驗驗證對比，有如下結論：理論計算表明，在壓比一定的情況下，r2

29、3/r1234ze(e)和r41/r1234ze(e)均為：排 氣溫度隨低沸點組分濃度的升高而升高；cop隨低沸點組分濃度的升高而先上升后下降， 出現(xiàn)一個峰值；單位容積制冷量變化趨勢與cop類似。但是r23/r1234ze(e)和 r41/r1234ze(e)cop峰值產生對應的低沸點組分濃度不重合。(2) 實驗結果表明，采用r41/r1234ze(e)時的單位容積制冷量相對偏低，因此，在同一 臺裝置上采用r23/r1234ze(e)時可以實現(xiàn)更低的制冷溫度。采用r41/r1234ze(e)和 r23/r1234ze(e)時的單位容積制冷暈均隨隨低沸點組分濃度的增加而有極大值；最佳cop 比較

30、相近，但采用r41/r1234ze(e)時略小；單位體積壓縮功均隨低沸點組分濃度的增加而增 加。相比而言，同低沸點濃度下采用r23/r1234ze(e)時的單位體積壓縮功要比采用 r23/r1234ze(e)大1/21/3。r41/r1234ze(e)的排氣溫度相對較低 但兩組混合制冷劑都在可 接受范圍之內。(3) 理論計算和實驗結果均表明，在研究的濃度范i韋i內，當高沸點組分為r1234ze(e)時， r4i替代r23作為低沸點組分會對系統(tǒng)cop和單位體積制冷量造成一定的下降，但是單位 質量制冷量會提高，可以減小充注量。參考文獻1王勤，孫騰飛，崔抗，陳福勝，陳光明.二元環(huán)保型混合工質一次分凝

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