自復疊制冷系統及其組分分離、遷移與調控研究進展

李銀龍 劉國強 劉嘉瑞 陳 旗 晏 剛

(西安交通大學能源與動力工程學院 西安 710049)

生物醫療、食品科學、電子工業、國防軍事、低溫科學實驗等諸多領域對-40 ℃以下的低溫環境均具有強烈需求。新冠疫情爆發以來,生物醫療領域對于疫苗的低溫存儲與運輸需求激增,有些疫苗甚至需要在-70 ℃的溫度條件下才能夠保持活性。此外,隨著生活品質的提升,日常家庭對深海海鮮、珍貴藥材等高端食材的儲存有了新的需求,為減少食材在冷凍過程中細胞和組織的損傷,最大限度地減少營養流失,需要低于-40 ℃的低溫環境實現深冷速凍。

單級蒸氣壓縮制冷系統結構緊湊、可靠性高,是目前應用最廣泛的制冷系統,然而常規采用純質的單級蒸氣壓縮制冷系統一般只適用于-40 ℃以上溫區,用于-40 ℃以下時壓比過大,對壓縮機要求過高且節流損失極大;多級壓縮制冷系統可以降低每級壓縮的壓比,但制取低溫時仍然受到蒸發壓力過低及制冷劑凝固溫度的限制;復疊式制冷系統可以按需求選擇每個回路的制冷劑,使每臺壓縮機的工作壓力適中,但多個壓縮機的使用使系統結構復雜化,設計制造與生產維護成本增加[1]。

隨著混合工質的發展與應用,采用非共沸混合工質的單級蒸氣壓縮制冷系統(包括Linde-Hampson制冷系統及自復疊制冷系統)已被開發并有了極大的發展,在深度制冷方面具有廣闊的應用前景[2]。Linde-Hampson系統如圖1所示,結構簡單,易于控制,但當制冷溫度遠低于潤滑油凝固點時,潤滑油會堵塞節流裝置或增加制冷劑流動阻力,使傳熱性能惡化,因此該系統對油分離器的要求很高,否則只能在制冷溫度高于或略低于潤滑油凝固點時正常運行[3]。自復疊制冷系統如圖2所示[4],利用非共沸混合工質在相平衡時氣液成分不同的特點,在冷凝器中部分冷凝,之后在氣液分離器中實現高低沸點組分分離,并通過級聯換熱器實現不同組分制冷劑之間的復疊,僅需單臺壓縮機即可實現多級復疊,制取較低的制冷溫度[5]。自復疊制冷系統與Linde-Hampson系統相比結構略復雜,但在潤滑油分離、系統運行可靠性和回熱效率等方面優于Linde-Hampson系統[6],此外,自復疊制冷系統制冷溫區大,因此在普冷領域及氣體液化、工程材料與電子元件的低溫實驗、低溫醫療等低溫領域均具有獨特的應用優勢[7]。

圖1 Linde-Hampson制冷系統[3]

圖2 自復疊制冷系統[4]

然而,雖然自復疊制冷系統具有較寬的制冷溫區,且具有結構簡單、運行可靠等優勢,但系統COP在環境溫度為30 ℃以上時僅為0.1～0.55,而相同制冷溫區的外復疊制冷系統COP在1.0以上[8-9],造成其能效較低的原因包括:組分分離效率較低[10],變工況下因組分的遷移行為使系統的混合工質循環濃度(即循環過程中混合工質的組分質量分數)與充注濃度存在偏差[11-12]?；谝陨蟽牲c,系統實際運行時若能夠主動調控系統內混合工質的循環濃度,使循環濃度始終處于系統性能最佳的狀態點,將顯著提升多運行工況下系統的綜合性能。因此,為提升自復疊制冷系統的性能,關鍵在于理清不同工況下系統內混合工質的組分分離與遷移行為,進而為組分調控提供實時指導,從而使系統在接近理想組分濃度(本文中的濃度均指質量百分濃度)狀態下運行。因此,本文對自復疊制冷系統的研究進展及非共沸混合工質的組分分離、遷移行為與組分調控研究進行了綜述,并對自復疊制冷技術未來在上述幾個研究方向進行展望,以供領域內學者們借鑒與參考。

1 自復疊制冷系統總體研究進展

1.1 自復疊制冷低溫化研究

W. J. Podbiclniak[13]在1936年提出了如圖3所示的采用多元混合工質的自復疊制冷理論循環,但當時沒有得到實際應用,因此并未引起重視。P. A. Kleemenko[14]在1959年提出了如圖4所示的單級壓縮多次分凝自復疊制冷系統,采用三元碳氫化合物作為制冷劑成功將該系統應用于天然氣液化,并指出合適的混合工質可以降低熱交換器的不可逆程度。此后,非共沸混合工質自復疊制冷系統引起了各國學者的關注,國內外學者致力于自復疊制冷系統溫區潛力的研究。A. Fuderer[15]提出了如圖5所示的一次分凝自復疊制冷系統,采用R12/R14(質量分數比50/50)作為制冷劑時通過單級壓縮可以使蒸發溫度達到-116～-112 ℃,采用R12/R50(質量分數比80/20)作為制冷劑通過兩級壓縮可以使蒸發溫度達到-156 ℃。

A壓縮機;B冷凝器;C1～C3氣液分離器;D1～D4換熱器;E蒸發器;G1～G4節流閥;H儲氣罐。

A壓縮機;B冷凝器;C1,C2氣液分離器;D1～Dn換熱器;E1～En 節流閥;F蒸發器。

A壓縮機;B冷凝器;C氣液分離器;D級聯換熱器;E1～E3換熱器;F蒸發器;G1,G2節流閥。

D. J. Missimer[16]對單級壓縮多次分凝自復疊制冷系統進行了改進,如圖6所示,氣液分離器分離出的氣體混合物每次經過換熱器冷凝為氣液混合物后,都分離出部分冷凝液與剩余部分氣液混合物換熱,該系統可獲得-184～-40 ℃的低溫。C. Aprea等[17]采用二次分凝自復疊制冷系統將0.25 m3空間的空氣溫度降至-150 ℃,用于保存生物組織。M. Sivakumar等[18]采用能量分析和分析方法研究了采用R290/R23/R14和R1270/R170/R14的二次分凝自復疊制冷循環的性能,并得到了-90 ℃和-97 ℃的蒸發溫度所對應的最優制冷劑配比。國內學者公茂瓊、羅二倉等較早的研究了自復疊制冷技術,包括自復疊節流制冷機的循環機理、循環的改進與性能優化等方面的內容。羅二倉等[19]提出了利用內復疊節流制冷循環獲得30～60 K的制冷方案,并通過建立實驗裝置首次獲得約50 K的低溫。劉建麗等[20]提出了利用內復疊節流制冷系統獲得120～150 K溫度的制冷方案,搭建的實驗系統實現了112、130、135 K的制冷溫度。肖傳晶等[21]對四級自復疊制冷循環進行了實驗研究,實現了-140 ℃的低溫環境。趙巍等[22]建立了五級自復疊制冷系統并開展了理論分析和多種混合工質的對比實驗研究,實現了-158 ℃的低溫。李志波等[23]針對五級自復疊制冷技術在深低溫保存箱上的應用進行了實驗研究,實現了-150 ℃的低溫。隨著自復疊制冷技術的發展,通過制冷循環的不斷改進與優化,自復疊制冷技術已經能夠滿足普冷至深冷溫區的要求,同時以其結構簡單、低成本的優勢在全世界范圍內受到廣泛關注。

A 壓縮機;B 冷凝器;C 氣液分離器;D1～D4 換熱器;E 蒸發器;F1～F4 節流閥。

1.2 自復疊系統性能提升研究

自復疊制冷系統在過去的研究中表明已經能夠實現較為廣泛的制冷溫區,但整體能效偏低,這與制冷循環的形式、系統內混合工質的物性息息相關,國內外學者在提升自復疊制冷系統的性能上已經展開了較為豐富的研究。

D. J. Missimer[24]在自復疊制冷系統中增加了旁通管路,如圖7所示,降低了壓縮機的啟動壓力,同時縮短了拉低溫時長,無旁通管路時達到-73.3 ℃的蒸發溫度需要90 min,旁通管路開啟后僅需45 min即可達到該蒸發溫度,同時壓縮機啟動時排氣壓力由2.413 MPa降至1.930 MPa。W. A. Little[25]將P. A. Kleemenko提出的多次分凝自復疊制冷系統簡化為一次分凝,并在氣液分離器頂部增加了分餾柱,如圖8所示,以進一步分離氣相工質中的潤滑油和其他雜質,防止堵塞節流裝置,大幅提升了系統長期運行的可靠性。Wang Q. 等[26]對帶有兩個氣液分離器的自復疊系統在6種二元混合工質下制取-60 ℃低溫時的熱力性能進行對比,遴選出R23/R236fa(50/50)和R170/R600(50/50)是較為理想的混合工質,同時指出非共沸混合工質中兩組元的沸點差越大,循環COP越高。S. G. Kim等[27]將含有CO2的非共沸混合工質(CO2/R134a和CO2/R290)用于一次分凝自復疊制冷循環,并通過理論分析與實驗研究其熱力性能,研究表明隨著混合工質中CO2質量分數的增加,系統制冷量增大,但系統壓力的升高導致COP降低。M. Sobieraj等[28]為了提高相分離效率,在一次分凝自復疊制冷系統的冷凝器與氣液分離器之間設置了回熱器,如圖9所示,并采用CO2/R600a作為制冷劑獲取了低于-56.5 ℃的蒸發溫度。陳光明等[29-30]針對精餾型自復疊制冷系統不同的應用場景開展了混合工質充注量及配比、節流閥開度等對系統性能的影響研究,例如在精餾型自復疊制冷系統中增設了變濃度模塊,還對精餾柱分離出的兩股制冷劑在回熱器中的混合位置進行了優化,解決系統開機過程壓縮機排氣壓力、溫度過高的問題,改善了制冷系統的性能。劉金平等[31-33]研究了自復疊系統中氣液分離器液相出口及蒸發器入口節流閥開度對系統流量、級聯換熱器換熱性能、工質組分變化及系統性能的影響。

A 壓縮機;B 冷凝器;C 氣液分離器;D1,D2 換熱器;E 蒸發器;F1,F2 毛細管;G 旁通閥。

A 壓縮機;B 冷凝器;C 帶精餾柱的氣液分離器;D 換熱器;E 蒸發器;F1,F2,F3節流閥;G 油氣分離器。

A 壓縮機;B 冷凝器;C 氣液分離器;D1,D2 換熱器;E 蒸發器;F1,F2 節流閥;G 回熱器;H 油氣分離器。

系統內組分物性、部件性能及回熱器的應用均影響系統的性能,將噴射器應用于自復疊系統代替膨脹閥,同樣能夠提升自復疊制冷系統的性能。F. A. Boyaghchi等[34]提出了一種噴射器增效的自復疊制冷循環,如圖10所示,并采用、經濟、環境分析方法評估其性能,指出噴射器的引入使循環具有更優越的性能。作者所在研究團隊在噴射器增效的自復疊制冷系統性能提升方面有著較為豐富的研究。表1總結了本研究團隊在2015年后該方面的研究成果,研究團隊在制冷循環構建、混合工質的選擇以及組分配比方面已經積累了豐富的經驗,為自復疊制冷技術的進一步研究奠定了堅實的基礎。

表1 研究團隊關于噴射器增效的自復疊制冷循環研究

A 壓縮機;B1,B2 冷凝器;C 過冷器;D 噴射器;E 氣液分離器;F 級聯換熱器;G1,G2 蒸發器;H1～H3 節流閥。

總體而言,自復疊制冷技術在國外的研究相對較早,國內的研究自21世紀以來獲得了較為豐富的研究成果。近年來,關于國內外學者對自復疊制冷技術的研究多集中于制冷循環系統的構建、混合工質的選擇、制冷溫區的延伸等方面。表2總結了2015—2022年國際高水平期刊上部分學者們的研究,一方面集中于適用于制冷溫區需求的混合工質的選擇,一方面集中于對自復疊制冷循環構建與改進的研究,旨在建立熱力性能良好、制冷效率較高的自復疊制冷系統。制冷循環的構建與非共沸混合工質的選擇是開展研究的基礎,同時制冷循環的復雜程度與混合工質的多元化對系統內組分主動性調控的難易也有重要影響,因此未來在該方向還需更多探索。

表2 2015—2022年自復疊制冷循環構建與混合工質選擇研究

2 組分分離研究現狀

在常規自復疊制冷系統中,冷凝器出口的兩相混合工質在氣液分離器中進行高低沸點組分的分離,其分離效果取決于定溫定壓下非共沸混合工質的氣液相平衡特性,組分分離效果有限。然而,組分分離效果會直接影響系統的蒸發溫度與制冷效率,為提高自復疊制冷系統的組分分離效率,學者們進行了細致的研究,主要包括循環結構改進和氣液分離器優化設計兩方面。

2.1 系統層面—循環結構改進研究

多次分凝是常見的組分分離效率提升方式,采用多個氣液分離器與蒸發冷凝器不斷增加流向蒸發器的混合制冷劑中低沸點組分。采用多次分凝的主要目的是為了制取更低的制冷溫度,如肖傳晶等[21]通過三次分凝成功制取了-140 ℃的低溫,趙巍等[22]通過四次分凝成功制取了-158 ℃的低溫,李志波等[23]利用四次分凝成功將150 L深低溫保存箱的箱內溫度降至-150 ℃以下。然而,多次分凝不可避免地會增加系統的復雜程度,且系統運行規律和制冷劑組分變化難以掌握,大幅增加了系統優化匹配的難度。在氣液分離器頂部增設分凝器是提高組分分離效率的另一種途徑,劉建麗等[50]將乙烯工業中的分凝分離概念引入自復疊制冷系統中,將氣液分離器與換熱器合二為一,設計并制造了分凝分離器,如圖11所示。Zhang Li等[51-52]提出了一種帶有分凝器的小型自復疊制冷系統,如圖12所示,分凝器的引入提高了CO2和R290的分離效率,可以有效降低蒸發溫度,但系統制冷量和COP也同時減小。在氣液分離器頂部增設的分凝器進一步冷卻了氣液分離器分離出的氣相混合制冷劑,部分富含高沸點組分的混合制冷劑冷凝后流入氣液分離器底部的液相混合物中,剩余氣相混合制冷劑中高沸點組分占比減少,因此可以降低蒸發溫度,但由于進入蒸發器制冷的制冷劑流量減少,會同時導致系統制冷量和COP減少。在自復疊制冷系統中采用精餾裝置也是提高組分分離效率的一種有效途徑。Wang Qin等[30]將工業上的精餾裝置引入自復疊制冷系統中代替氣液分離器,如圖13所示,精餾裝置相當于在氣液分離器頂部增設了一個精餾柱和一個換熱器,精餾柱能夠提供良好的氣液接觸條件,保證各組分制冷劑有足夠的傳熱傳質時間與空間,其分離效果等效于多次分凝的分離效果,極大簡化了系統,而且強化了氣相制冷劑與潤滑油的分離程度,避免潤滑油進入低溫段造成堵塞,提升了系統的運行可靠性,但同時精餾塔需要額外的能量輸入,增加了系統能耗。

A 壓縮機;B 冷凝器;C 分凝分離器;D1,D2 換熱器;E 蒸發器;F1,F2 節流元件。

圖12 帶有分凝器的自復疊制冷系統[52]

A 壓縮機;B 冷凝器;C 回熱器;D 換熱器;E 冷凝蒸發器;F 精餾裝置;G 蒸發器;J1～J3 節流元件。

2.2 部件層面—氣液分離器優化設計研究

自復疊制冷系統中的氣液分離器對系統內非共沸混合制冷劑的組分分離過程具有極其重要的作用。在過去關于自復疊制冷系統的諸多理論研究中,通常假設定溫定壓下非共沸混合工質達到氣液相平衡以后,氣液分離器能夠將氣相與液相完全分離,但在實際應用中,氣液分離器內部流場組織不合理會導致氣帶液、液帶氣問題,即氣液相的相分離效果不好,已有的研究表明氣液分離效率僅為0.6～0.7[10],難以滿足自復疊制冷系統高效運行所需的分離純度。為了改進氣液分離器的相分離效率,學者們采用CFD仿真與實驗方法研究了氣液分離器結構參數及入口流體流速等對相分離效率的影響,并提出了一些提高相分離效率的方法。

在數值模擬方面,諸多學者已經進行了大量研究。陳秋燕[53]對自復疊制冷系統中的重力沉降式氣液分離器進行了CFD模擬,并表示進口管的位置、入口制冷劑速度、是否加裝傘形罩以及傘形罩的角度和孔徑會影響分離效果,其中入口制冷劑速度與分離效果成反比。胡記超等[54]對噴射膨脹制冷系統中的旋流式氣液分離器進行了CFD數值模擬,研究了分離器筒體直徑、高度、氣相出口管插入深度對分離效率的影響,結果表明筒體直徑和氣相口管插入深度在一定范圍內存在最優值,筒體高度增大會使氣相出口干度增大。肖建發等[55]采用CFD仿真研究了流量、氣泡直徑、含氣量對離心式氣液分離器分離效率的影響規律,結果表明氣液分離效率隨流量的增加先下降后升高,隨氣泡直徑的增大逐漸升高,隨含氣量的增大先下降后升高。白玫[56]利用ANSYS軟件對氣液分離器的出液口位置、罐體直徑、錐形導流罩設置進行了數值模擬研究并提出了優化設計方案,如圖14所示。E. S. Rosa等[57]通過建立CFD數值模型揭示了螺旋氣液分離器中的流體力學特性,結果表明氣體出口中的液相帶出現象與霧狀流中液滴拖曳力和液膜爬升有關,并且存在臨界流量導致液相帶出的發生,研究還發現旋流式氣液分離器具有體積小以及能處理間歇流動的優勢。

圖14 旋流式氣液分離器結構[56]

在實驗研究方面,周云龍等[58]針對柱狀氣液分離器液帶氣問題對分離器結構進行了改進,在分離器底部增設了穩流器并采用切向底流出口,實驗研究了改進后的分離器不同操作參數下的效率。Lin Chen 等[59]對噴射-膨脹制冷系統中的旋流式氣液分離器進行了實驗研究,分離器采用透明有機玻璃制成,實現了對兩相流分離效果的可視化研究,如圖15所示,對于提出的4種氣液分離器結構實驗研究結果表明,氣液分離器入口管向下斜切入主體管時,噴射制冷系統的制冷量達到最大值,系統COP提高了16.7%。Xu X. 等[60]結合實驗和CFD仿真研究了進口流體速度、液位高低及分離器尺寸等對氣液旋流式分離器性能的影響,并探究了其在補氣式壓縮制冷系統中的應用,結果表明入口速度較高時會引起較大的湍流影響分離效果,分離器尺寸減至80%時存在最佳的系統性能。陳光明等[61]對兩級熱驅動噴射制冷系統中的氣液分離器受顛簸影響進行了實驗研究,并表示氣液分離器最大安全液位占總體高度的5/7,且在氣液分離器內部增設豎直阻尼管、折片式和環形擋板可以抑制液體的波動和飛濺。王丹東等[62]制作了透明可視化的U型氣液分離器,對壓縮機啟動瞬態和穩態情況下氣液分離器的性能進行了實驗研究,如圖16所示,結果表明在啟動瞬間較大的出入管管徑能夠有效減緩濕壓縮現象,穩態階段時積液高度隨入口流量的增大而先升高后降低。

圖15 氣液分離器在噴射制冷系統中的應用[59]

圖16 可視化的氣液分離器[62]

總體而言,自復疊制冷系統利用非共沸混合工質的組分分離特性在系統內設置氣液分離器實現高、低沸點工質的組分分離,并借助蒸發/冷凝器的復疊效果完成低溫制冷目標。因此氣液分離器在系統內組分分離過程中發揮著極其重要的作用,其分離效率最終決定了系統的整體性能,也是組分主動調控的可行性原因之一。目前學者們以CFD仿真技術和實驗研究方式提出了氣液分離器的多種優化設計方案,研究的重點也都集中于氣液相的分離效果,對混合工質的組分分離機理、分離效率等方面則關注較少,同時缺乏氣液分離器在實際工況下的性能評價指標。對于新型的高效氣液分離方式同樣值得探究。自復疊制冷系統能夠實現組分主動性調控的前提是混合工質盡可能完全分離,從而擴大組分調控的裕度。

3 組分偏移研究現狀

自復疊制冷技術利用非共沸混合工質的溫度滑移特性,使用單一壓縮機即可實現低溫或超低溫制冷,具有結構簡單、運行可靠等優勢。但制冷系統中混合工質會出現組分偏移的情況,這是影響其運行性能的一個重要因素。而組分偏移特性與制冷劑在潤滑油的溶解、制冷劑的泄漏、制冷劑的遷移作用以及相積存特性密切相關,對自復疊制冷系統的熱力性能均會產生重要影響。

3.1 組分偏移的原因

組分偏移是指非共沸混合工質在系統中的初始充注濃度與穩態運行時實際循環濃度的差異。造成該差異的原因如下:

1)非共沸混合工質的物性。非共沸混合物的“溫度滑移”特性,在同一壓力下其泡點溫度和露點溫度不同。該“溫度滑移”不僅與混合物的組成有關還與系統壓力有關。同時,非共沸混合物在兩相轉移過程中,氣相和液相的組成總是不同的:氣相中含有更多揮發性較強(低沸點)的工質,而液相中含有更多揮發性較弱(高沸點)的工質。

2)氣液兩相速度滑移。在換熱器的熱交換過程中,由于混合工質的氣相和液相的密度差異,氣相和液相的運動速度不同,從而導致了氣液兩相間的速度滑移。速度滑移的特點以及兩相流的隨機性造成了循環濃度的差異。

3)混合工質組分與潤滑油的溶解性?；旌瞎べ|中組分在潤滑油中的溶解性差異也是造成濃度差異的另一個原因。例如對于POE油,R407C組分的溶解度依次為:R134a>R125>R32。但當系統內潤滑油的質量分數較低或制冷劑質量分數較高時,與此相關的影響可以忽略不計,反之則需考慮該影響。

3.2 組分偏移的研究

基于上述三點原因,學者們展開了較多的實驗與數值模擬研究。為了研究潤滑油溶解對混合工質濃度的影響,洪輝等[63]建立了一套氣液溶解平衡實驗裝置,實驗結果表明潤滑油的溶解對組分濃度影響較大,且潤滑油的溶解導致高沸點組分濃度降低,低沸點組分濃度升高。在制冷劑泄漏方面,晏剛等[64]研究了采用R600a/CO2的自復疊循環制冷機不同泄漏點和泄漏對循環組分的影響,計算結果表明蒸發器出口處的泄漏對制冷劑組分的影響最大。

在相積存方面,L. Rajapaksha等[65]的理論研究表明貯液器的引入會導致低沸點組分循環濃度增加;公茂瓊等[66-67]發現管道傾角對兩相區的液相積存影響顯著,傾斜向上會顯著增加積存,且兩相區的相積存會造成低沸點組分循環濃度增加;Chen Jiufa等[68]采用Hughmark模型[69]進行混合工質兩相流的空泡率計算,從而計算出兩相區的相積存;Xu Xiongwen等[70]建立了兩相區局部濃度偏移的數學模型,通過J-T節流制冷系統實驗驗證了模型的精度,指出局部組分遷移受到氣液相組分差與速度差的作用。在制冷劑充注量、充注濃度方面,P. Haberschill等[71-72]發現工質的充注量對循環濃度影響很大;Zhao Li等[73-75]通過理論計算與實驗研究進一步揭示了循環組分與充注量之間的反比例關系、循環組分與充注組分之間的線性關系,如圖17、圖18所示。在運行工況方面,鄧昭彬等[76]建立了一套由無油壓縮機驅動的J-T節流制冷系統,實驗研究了組分濃度隨制冷溫度的變化特征,發現制冷溫度越低,液相積存越明顯,濃度偏移越大;Bai Tao等[39]實驗研究了噴射器增效自復疊系統穩態工況和拉低溫過程的組分遷移情況,表示隨著冷凝溫度的升高,冷凝器入口處低沸點組分循環濃度降低,隨著熱負荷的增加,低沸點組分循環濃度先降低后升高,在拉低溫過程期,循環濃度與充注濃度偏差很大,然后隨著時間的推移趨于穩定;Zhou Yaodong等[77]建立了有機朗肯循環系統物理模型,提出通過增加總充灌量、提高蒸發壓力以及降低氣液相滑速比等可減小組分偏移。

圖17 充注量對實際循環濃度的影響[73]

圖18 充注濃度對實際循環濃度的影響[73]

目前學者們的研究已經能夠定性得到系統中循環組分濃度在充注組分濃度、系統運行工況等因素改變時的變化情況。雖然在已有的較多研究中證實了組分偏移情況的發生,但對于制冷劑兩相流流動組分濃度變化的相關實驗目前研究較少,而如何干預相積存的情況繼而控制系統內組分循環濃度將是未來值得研究的重點方向之一。

3.3 組分偏移計算模型

目前所建立的組分偏移通用計算模型能夠大致計算得到系統內制冷劑的循環濃度,但實際上還缺乏實驗驗證計算模型的準確性。對于制冷劑濃度的計算,一般忽略潤滑油的影響,而對于主要積存的兩個部件冷凝器和蒸發器,多采用分布參數法,按照管內制冷劑的相態劃分控制體,對于單個控制體而言,則有:

δMj=δVj[ρv,jαj+ρl,j(1-αj)]

(1)

式中:M為制冷劑質量,kg;V為控制體體積,m3;ρ為制冷劑密度,kg/m3;α為空隙率;下標j為控制體編號;v為氣相;l為液相。

對于管內組分i的質量計算:

δMj,i=δVj[yj,iρv,jαj+xj,iρl,j(1-αj)]

(2)

式中:i為組分編號;x為液體組分質量分數;y為氣體組分質量分數。

對控制體內的濃度計算:

(3)

式中:C為控制體內濃度。

對系統內的循環濃度計算:

(4)

式中:Z為系統內濃度;下標cir為循環的制冷劑;charge為充注的制冷劑;hold-up為積存的制冷劑。

由上述計算模型可知,影響計算模型準確性的因素除控制體劃分的準確性外,控制體內空隙率α的計算方法是一個關鍵性的參數?？障堵识x為氣相橫截面積與流通總面積的比值,在熱力系統各種多相流的應用中是確定管段壓降、管內傳熱系數、制冷劑充注和管內流形的一個較為重要的無量綱參數。準確計算管內空隙率對系統內循環濃度計算、系統流動傳熱以及安全穩定運行均具有重要的指導意義。關于空隙率的計算,目前學者們已經進行了大量研究,并總結出較多的空隙率計算關聯式,目前可以分為5類[78],如表3所示?，F有的管內空隙率關聯式多基于特定的條件得到,在關聯式的通用性方面還有待大量實驗驗證。目前關于制冷劑兩相流動的實驗研究還較少,還有大量工作需不斷探究,因此研究者可基于兩相流流動的不穩定性、制冷劑類型的多樣性以及制冷劑應用的多場景性,研究得到更加具有通用性的管內空隙率計算工質,這將對管內流動傳熱的計算準確性具有重要意義。

表3 空隙率計算關聯式

總體而言,在不同的系統配置、多場景的運行工況、制冷劑相積存等多種影響因素的作用下,制冷系統中非共沸混合工質呈現出復雜的組分遷移特性,一方面實際運行時組分濃度偏離充注濃度,另一方面特定工況下組分濃度偏離運行濃度最優值。這一偏離特性對換熱器內的流動換熱過程與系統整體性能的影響較為重要,同時遷移行為的復雜性是加大組分調控難度的另一原因。然而現有研究僅揭示了組分遷移現象,并簡要分析了充注組分濃度、系統多場景運行的熱力參數、系統部件結構等各個因素對循環濃度的影響,目前還缺乏對于實際運行工況下系統內的組分分布特性、遷移規律的研究。此外,對于現有的組分偏移特性計算模型,已經能夠大致計算得到組分的偏移情況,但實際上也進行了一些簡化,例如忽略了潤滑油的影響,同時計算模型需要更多的組分偏移實驗驗證。因此,在以后的研究中學者們可以從上述提出的研究方向入手,展開組分偏移的研究工作,從而為組分主動性調控提供指導策略。

4 組分調控機制研究

自復疊制冷系統采用非共沸混合工質,混合工質的組分配比對系統性能具有重要影響。同時自復疊制冷系統還存在啟動階段排氣壓力和排氣溫度較高、啟動降溫速度慢等問題,而系統內壓力變化與溫度滑移、組分偏移密切相關。在自復疊制冷系統中循環組分濃度的變化非常復雜,因此對其組分調控機制的研究是必要的,但目前關于制冷系統組分調控方面的研究相對較少。

4.1 組分調控機制相關研究

潘垚池等[88]研究了采用三元混合工質(R134a/R32/R14)的一次分凝自復疊制冷系統在降溫過程中組分濃度優化和控制策略,設計了儲氣罐和開關控制閥聯合作用的組分控制方法,提出的帶有組分調節的自復疊制冷系統如圖19所示。在蒸發器出口管路連接儲氣罐并設置開關控制閥,在停機時段存儲大部分的低沸點工質降低停機壓力,在開機時段增加系統內低沸點工質的運行濃度,實驗結果表明,采用該組分控制策略增加了系統的降溫速度且有效減少了壓縮機功耗,系統的開機壓力也得到了安全控制。芮勝軍等[89]針對二次分凝自復疊制冷系統設計了一種壓力和組分調節系統,如圖20所示,主要包括緩沖器、膨脹容器、氣液分離器氣相出口旁通。兩個氣液分離器氣相出口旁通支路并聯至膨脹容器,以該方式將系統內多余的中低沸點工質排放至膨脹容器,優化調節系統運行時的混合工質組分,同時也可以控制壓縮機的排氣壓力。在此基礎上對采用混合工質(R134a/R32/R14)的自復疊系統的壓力和組分調節規律進行實驗研究,實驗結果表明一級相分離器氣相出口調節和兩個相分離器氣相出口同時調節可大幅縮短系統進入穩定運行階段的時間,為系統組分調控較好的方式。

圖19 潘垚池等提出的帶有組分調節的自復疊制冷系統[88]

圖20 芮勝軍等提出的帶有組分調節的自復疊制冷系統[89]

目前關于制冷系統組分調控的研究相對較少,部分學者對ORC系統的混合工質組分調控進行了相關研究。Wang Enhua等[90]在傳統ORC循環上增設帶有蒸餾塔的組分調控系統,如圖21所示,同時基于Aspen Plus對蒸餾塔的設計、設計工況下組分含量的變化以及組分調控的機制和瞬態響應機制提供了指導性建議,研究了采用混合工質(R245fa/R134a)的ORC循環在室外溫度變化情況下系統的運行機制,研究表明組分可調的ORC循環可根據環境溫度變化調整系統內混合工質的組成,環境溫度降低時,可以顯著提高平均功率輸出。P. Collings等[91]基于北京實際氣候情況研究了混合工質(R245fa/R134a)的ORC循環在月平均溫度下混合工質在一年內的變化趨勢,并采用與Wang Enhua類似控制策略對組分調控系統進行了經濟性分析。Luo Xianglong等[92-94]提出了基于分液冷凝混合工質(R245fa/R365mfc、R245fa/R601)組分調控的ORC系統組分調控策略,并進行了系統在變工況條件下的性能分析,研究結果表明所提出的方案能夠提升冷凝器的傳熱效果繼而提升系統的熱力性能?；贠RC循環的這些研究將為制冷系統的組分調控提供寶貴的經驗,對于制冷系統混合工質組分調控與變工況下系統的自適應能力將成為研究熱點之一。

圖21 Wang Enhua等提出的具有組分調控的ORC系統[90]

4.2 組分調控擬開展的研究

上述關于自復疊制冷系統的低溫區制冷潛力、組分分離與組分偏移的研究為組分調控機制的設定奠定了良好的基礎,但目前仍有較多問題亟待探索,如穩態工況下組分的分布特性、啟停過程中組分的遷移規律、擾動工況(變熱負荷、變環境溫度等)對組分遷移與系統性能影響機制的研究還不夠全面。

作者所在研究團隊針對自復疊制冷系統所涉及的運行特性、組分分離與遷移規律以及系統的調控機制等展開了研究,提出了一種改進型自復疊制冷循環構造方法,即分凝與閃蒸分離耦合自復疊制冷循環系統,循環結構如圖22所示。旨在探索組分分離特性與組分遷移特性的基礎上,探索 “分凝”與“閃蒸”耦合作用下的工質組分濃度主動調控機制,闡明多參數調控對組分特性及系統運行性能的作用機理,確定不同工況下的最佳系統協同調控策略。

圖22 分凝與閃蒸分離耦合自復疊制冷循環系統[95]

整體而言,自復疊制冷循環相比J-T循環,利用非共沸混合工質的溫度滑移特性,減少了系統的不可逆損失。相比外復疊制冷循環簡化了系統結構,但同時非共沸混合工質的組分分離和組分偏移特性也影響著系統的熱力性能和制冷效率。研究表明由于混合工質的分離特性和混合工質的相積存造成組分循環濃度與充注濃度的偏差和特定工況下循環濃度與最優值間的偏差,也是影響系統總體性能的主要因素。如何主動調控系統內組分濃度關乎系統的優化運行與節能性,而目前在組分調控機制方面的研究相對較少,因此這也是未來研究的主要方向。

5 結論

本文對自復疊制冷系統的國內外研究現狀進行了綜述,闡述了自復疊制冷系統優化設計方案的發展。對影響自復疊系統性能的兩大因素即非共沸混合工質的組分分離與組分偏移特性進行了總結,上述兩點的研究對組分調控機制的研究必不可少。通過對目前自復疊制冷技術方面系統循環構建、組分分離、組分遷移以及組分調控機制方面的綜述研究,可以得到如下結論及未來研究方向:

1)構建更適用于混合工質特性的自復疊制冷循環,充分利用混合工質的溫度滑移優勢,選擇合適的工質對、匹配合適的制冷裝置。

2)混合工質的組分分離效率影響自復疊制冷系統的整體性能。目前對混合工質的組分分離機理、組分分離效率的關注較少,同時新型高效組分分離方式值得更多探索。

3)自復疊制冷系統內非共沸混合工質呈現復雜的組分遷移特性,該特性造成了組分循環濃度與充注濃度的偏差和特定工況下循環濃度與最優值的偏差,這對系統整體性能有著較為重要的影響?，F有的研究僅揭示了混合工質的組分遷移現象,而對于實際運行情況下的組分遷移規律還缺乏理論與實驗研究,這也是未來需要研究的重要方向。

4)對自復疊制冷系統中組分濃度的主動調控關乎系統的優化運行與節能性。對組分分布特性與遷移規律方面研究的缺乏也制約著組分調控機制的研究。本文提到的組分調控方案也只是對啟停過程、降溫過程的調控,還未涉及變工況的調控機制研究,ORC系統組分調控方面的研究可以為目前的研究提供參考,因此組分調控的研究是未來研究的重要方向之一。