空气制冷系统性能实验范文

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《低温工程杂志》2016年第二期

摘要:

在低温空气循环制冷系统中增加二级回热器及水分离器，除去涡轮进口空气中的水分，以提高系统效率和可靠性。在不同的工况条件下，对3种回热流程的空气制冷系统性能进行实验研究，结果表明，压气机进口压力的升高，增大了涡轮膨胀比，降低了涡轮出口温度，提高了系统制冷量和制冷系数;在系统中增加回热器及相应的水分离器，可显著提高系统的制冷效率和除水性能，且二级回热流程的系统性能最优，与无回热流程相比，系统制冷量和制冷系数分别增加了47%和41%，涡轮进口含湿量下降了约36%;不同的制冷温度下，系统制冷系数较低。

关键词:

空气制冷系统；除湿性能；二级回热流程；制冷系数

1引言

环境问题近几年来成为世界的焦点，由于氟利昂制冷剂会致使臭氧层遭到破坏、温室效应日益严重，而空气却对环境完全无污染，且随处可取，因而成为最理想的制冷剂，空气循环制冷技术也由此受到高度重视。空气制冷循环可满足在－140℃以上稳定运行，而且其在低温下运行的优良性能是蒸汽压缩式制冷机所不能媲美的。另外，空气制冷系统设备简单可靠，无需担心制冷剂泄漏及严格密封的问题，可以直接采用开式流程，也可以根据实际情况和不同使用目的将系统改造为多种循环流程，这是其他制冷循环所不具备的。目前国内外诸多学者已对空气制冷循环系统进行了大量的研究和分析。赵祥雄［1］等对逆布雷顿制冷机动态降温性能进行了数值模拟研究，结果表明，增大换热面积可提高系统的温降性能，实现进一步降温的有效措施是提高膨胀机的效率。蔡君伟［2］等改进了逆布雷顿循环空气制冷实验台，实验最低温度达到－152℃，膨胀机最高转速达270000r/min。ParkSK［3］等人在非设计工况下对开式空气制冷系统的性能进行了数值模拟和理论分析，得到了系统最佳运行工况即设计工况，并与非设计工况下运行的制冷系统性能进行了比较。Sánchez-OrgazS［4］等在考虑了涡轮机和压缩机运行过程中的非等熵损失、换热器热量交换过程中的不可逆损失以及通过系统向周围环境渗透热量等几种内部和外部不可逆性损失基础上，提出了通用多级回热逆布雷顿循环的模型。另外，空气制冷系统在应用方面，例如列车空调［5-6］、食品冷冻冷藏［7-8］以及飞机空调系统［9-10］等也得到了初步推广。本文搭建了低温空气制冷系统实验台，在不同的工况条件下，分别对3种回热流程进行性能实验，并重点分析回热流程对系统性能的影响。

2低温空气制冷系统实验装置

实验台采用双级压缩正升压式空气制冷循环系统，该系统采用两级压缩，中间冷却，通过回收涡轮膨胀机(简称涡轮)的膨胀功来带动离心式压气机将一级压缩空气进行第二次压缩，以提高涡轮的膨胀比与焓降，从而增大系统制冷量，其循环流程如图1所示。该低温空气制冷系统中，核心部件为采用空气动压轴承的升压式涡轮压气机组，该机组由同轴的离心式压气机和向心式涡轮组成，转速约为105r/min。散热器及回热器均采用锯齿形板翅式紧凑换热器。两高效水分离器用于除去涡轮进口湿空气中携带的冷凝游离水。工作负载为低温箱，内设电加热器，通过调节加热器功率模拟速冻床热负荷来平衡空气制冷系统的制冷量，同时控制低温箱的出口温度(即制冷温度)。测控系统主要包括:温度传感器、压力传感器、调功器、涡街流量计、变频器、数据采集控制系统和上位机等。系统中各点的温度由PT100铂电阻温度传感器测量，其测量精度为±0．1℃;各点的压力用陶瓷应变片式压力传感器测量，精度为0．1%FS;系统流量用精度为1．5%FS的涡街流量计测量;风机电机频率由变频器调节，从而控制风机冷却风量;加热器的功率可通过调功器调节，并用WT500功率分析仪测量。各测量点的传感器通过数据采集系统与计算机连接，采集间隔为1秒。空气循环制冷系统实验台可进行3种不同回热流程的变工况实验:(1)无回热流程:系统中不设回热器和水分离器，从低温箱排出的空气直接排放;(2)一级回热流程:在系统中增加回热器1和水分离器1，用低温箱出口的低温空气冷却涡轮进口的压缩空气，被冷却空气排出的冷凝水通过水分离器1除去;(3)二级回热流程:在一级回热的基础上增加回热器2和相应的水分离器2，用回热器1冷边出口空气冷却压气机进口的压缩空气，同样利用水分离器2除去被冷却空气排出的冷凝水。不同回热流程通过调节截止阀开关得以实现。

3实验数据处理

由于在实际实验中，空压机通过间歇运行为空气制冷系统提供压缩空气。故空气制冷系统所需压缩耗功功率为:

4空气制冷系统性能的实验结果分析

本文设定的实验工况为:制冷温度－15℃，环境温度20℃，压气机进气压力分别为170、180、190和200kPa。对3种回热流程下的空气循环制冷系统进行性能测试，分析系统流程以及工况条件对系统性能的影响。

4．1回热流程对系统制冷性能的影响在上述工况下对3种回热流程的空气制冷循环系统进行实验，图2和图3分别为不同回热流程下系统COP和制冷量随压气机进口压力的变化。由图2和图3可以看出，对于3种回热流程的空气制冷系统，一级、二级回热流程的系统COP和制冷量比无回热流程都有所增大，且二级回热流程的增幅大于一级回热流程。当压气机进口压力为200kPa时，二级回热流程较无回热流程的系统制冷量由1700W增加到2500W，相应的系统COP由0．27升高到0.38，分别提高了47%和41%。上述表明空气制冷系统中采用回热流程的性能要优于无回热流程，增加回热器及水分离器对整个系统是有利的。另一方面，在相同的回热流程下，系统的COP和制冷量均随着压气机进口压力的升高而增大，但由于受到涡轮转速的限制，涡轮压气机组所能允许的最高进气压力为200kPa。涡轮出口温度是空气制冷系统的一个重要参数，其直接影响系统的制冷温度和制冷量。图4为3种回热流程下涡轮出口温度随压气机进口压力的变化。由图4可知，与无回热流程相比，一级、二级回热流程降低了涡轮的出口温度，且二级回热流程的降低幅度更为明显。当压气机进口压力为200kPa时，二级回热流程和无回热流程相比，涡轮的出口温度由－31℃降低到了－39℃。因此在同等压气机进口压力条件下，采用二级回热流程可以显著提高系统COP和制冷量。而对于相同的回热流程，涡轮出口温度随压气机进口压力的升高明显降低。由此可见，较高的压气机进口压力对提高系统性能是有利的。

4．2回热流程对系统除水性能的影响相同的工况条件下，3种回热流程的涡轮进口含湿量和涡轮中水蒸气的冷凝量随压气机进口压力的变化情况如图5和图6所示。由图5可清楚地看到，不同的回热流程对涡轮进口含湿量影响较大。在相同的压气机进口压力条件下，无回热流程的涡轮进口含湿量最大，二级回热流图5回热流程对涡轮进口含湿量的影响e图6回热流程对涡轮中水蒸气冷凝量影响程的涡轮进口含湿量最小。当压气机进口压力为170kPa时，二级回热流程的涡轮进口含湿量约为2.24g/kg，与无回热流程的涡轮进口含湿量3．53g/kg相比，降低了36%。而一级回热流程与无回热流程相比涡轮进口含湿量降低幅度较小，约为9%。由此可见，系统中增加两级回热器及水分离器可有效降低涡轮进口含湿量，有利于提高空气制冷系统的除水性能。由图6可见，对于相同的压气机进口压力，二级回热流程下涡轮中水蒸气的冷凝量最少。当压气机进口压力为200kPa时，与无回热流程中涡轮水蒸气的冷凝量3．35g/kg相比，一级回热流程和二级回热流程中水蒸气的冷凝量减少为2．68g/kg和2．13g/kg，分别减少了20%和36%。这是由于增加回热器及水分离器后，涡轮进口的含湿量减少，因而涡轮中水蒸气的冷凝量也相应减少。这有利于提高空气制冷系统运行的可靠性。

4．3制冷温度对系统性能的影响不同的制冷温度工况下，二级回热流程的系统COP和制冷量随压气机进口压力的变化如图7和图8所示。图中的3条曲线分别对应的系统制冷温度为－10℃、－15℃和－20℃。由图7和图8可知，对于相同的压气机进口压力，系统的COP和制冷量都随制冷温度的升高而增大。当压气机进口压力为200kPa，制冷温度从－20℃升高到－10℃时，系统的COP从0．23升高到0.38，制冷量从1300W升高到2500W。但是，整体而言，空气循环制冷系统的效率还比较低，因此，后期将以此为重点，进一步研究提高系统制冷效率的途径。

5结论

在不同的工况条件下，对升压式低温空气制冷系统进行了3种回热流程的性能实验研究，得到的主要结论如下:(1)二级回热流程的涡轮出口温度最低，其系统COP和制冷量也最大，一级回热流程次之。这说明在系统中增加回热器及水分离器，可显著提高制冷系统的性能。当压气机进口压力为200kPa时，二级回热流程的COP较无回热流程提高了41%。另外，系统性能随压气机进口压力的增大而提高。(2)一级、二级回热流程均可降低涡轮进口含湿量，并且二级回热流程的降幅大于一级回热流程，这表明增加回热器及水分离器可有效降低涡轮进口含湿量，提高空气制冷系统的除水性能。而压气机进口压力的升高对涡轮进口空气的含湿量影响不大。(3)3种回热流程中，二级回热流程的涡轮水蒸气冷凝量最少。当压气机进口压力为200kPa时，二级回热流程中水蒸气的冷凝量比无回热流程中水蒸气的冷凝量减少了36%。因此二级回热流程可以进一步提高系统工作的可靠性。(4)系统COP和制冷量均随制冷温度的升高而增加，但制冷效率总体还较低。

作者：张佩兰 郭宪民 郭晓辉 凌睿 单位：天津商业大学 天津市制冷技术重点实验室