水作為制冷劑的透平冷水機組研究現狀 （一）

周子成

1 引 言

水是最古老的制冷劑之一，目前仍被應用在溴化鋰吸收式制冷機和蒸氣噴射式制冷機中，而在大型蒸氣壓縮式透平冷水機組中，通常使用CFCs（如 CFC11、CFC12、CFC113、CFC114等）、HCFCs（如HCFC22）和HFCs（如HFC134a）制冷劑，因為它們比水有更優良的熱力學性能、結構運行性能和安全性能。

自從1974年科學家們發現了氟氯化碳 （CFC）制冷劑對臭氧層有破環作用以后，通過實驗室研究，推算出在60年內氟氯化碳 （CFCs）將會消耗地球上空臭氧層的7%左右。到20世紀80年代中期，科學家們又發現了CFCs也是一種溫室氣體，釋放到大氣中會引起全球氣候變暖。在1984-1985年，日本和英國的科學家發現，南極上空的部分臭氧層已耗盡而產生空洞。促使人們采取必要的緊急行動，以防止大量紫外線照射到地球表面，導致人和動物的皮膚癌、白內障增加、造成人體免疫系統的抑制、農作物和自然生態系統的破壞。在聯合國環境規劃署 （UNEP）協調下，通過科學家、工程師、工業、環境團體和公眾、以及國際機構、各國政府和外交官們的共同努力，世界上一部分國家于1985年簽訂了第一個被稱為保護臭氧層的 《維也納公約》協議，這是國際上首個保護臭氧層的承諾。到了1987年，由57個工業國家通過具體承諾簽署了 《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》。1987年后，這一 《議定書》經過了締約方的多次修訂完善。如1990年的倫敦第2次締約方會議；1992年的哥本哈根第4次締約方會議；1995年的維也納第7次締約方會議；1997年的蒙特利爾第9次締約方會議；1999年的北京第11次締約方會議；2007年的蒙特利爾第19次締約方會議等。截至2010年6月29日，全世界已有196個國家和政府批準加入了這項協議。

在2007年9月通過的蒙特利爾議定書第19次締約方會議加速淘汰HCFCs的調整方案中，規定了對于發達國家在 2010年要將HCFCs削減 75%；2015削減90%；2020年完成HCFCs的淘汰使用，只保留0.5%作為維修用。對于發展中國家，規定了在2013年要將HCFCs凍結在2009-2010年的平均水平上并以此作為基線，2015年要消減這一基線水平的10%；2020年要削減35%；2025年要削減67.5%；2030-2040年只允許2.5%的維修用量。

在2009年11月，美國、加拿大和墨西哥在埃及第21次締約方大會上提出了將HFCs（HFC134a等）納入蒙特利爾議定書進行管制的修正案提案，得到37個國家的支持。

我國于1989年9月11日加入 《維也納公約》，1991年6月14日加入 《議定書》倫敦修正案。在2007年7月1日，我國已經全面實現了CFCs和哈龍消費的完全淘汰，比 《議定書》規定的淘汰時限提前了二年半。目前，我國已基本制定完成了HCFCs替代的國家方案。

在經過數次關于消耗臭氧層物質的 《蒙特利爾議定書》以后。這些CFCs制冷劑在大型透平冷水機組中的使用已經被淘汰。而HCFCs制冷劑在大型透平冷水機組中也正在被逐步淘汰使用。在尋求新的替代制冷劑時，水重新引起了人們的重視，因為它很容易獲得和具有優良的熱力學和化學性質。但水也存在一些技術上的缺點，例如，它在低溫條件下具有高的蒸汽比容，壓縮機壓縮時的壓比高，以及由此產生的壓縮機的高排氣溫度等。通過設計和制造水蒸汽專用壓縮機和實現了在冷水機組中的實際應用，這些缺點已經被克服了。

水作為制冷劑的優點是：

（1）它的全球變暖潛能值為零 （GWP=0）。

（2）它的消耗臭氧潛能值為零 （ODP=0）。

（3）它無毒，不燃，易處理和對環境是惰性（最大限度地減少了安全防范措施）。

（4）由于它對環境的影響最小，在將來沒有被限制使用的風險。

（5）使用后沒有處理的問題。

（6）它工作的壓力差非常低，降低了安全防范措施。

（7）它具有較高的理論性能系數 （COP），它的蒸發溫度對氟氯化碳 （CFCs）有競爭優勢。

（8）它具有最高的氣化潛熱 （在相同的制冷量時，導致低質量流量）。

（9）對于冷水機組制冷系統，蒸發器和冷凝器可以使用直接接觸式換熱器，因此，系統有可能得到一個非常高的COP值。

（10）自來水、經過處理的廢水或粗糙過濾的河水都可以用來直接作為補充水 （不需要笨重的貯水箱）。

（11）在冷水機組的封閉式冷卻水塔循環系統中，可以減少水處理。

（12）實踐已經證明，用水作為制冷劑的透平冷水機組的噪聲要比傳統的壓縮式冷水機組低。

水作為制冷劑的缺點是：

（1）單位制冷量的容積流量很大和壓比高。對于一個給定的蒸發溫度和冷凝溫度，導致需要一個在真空狀態下工作的非常大的高速透平壓縮機。

（2）使用多級壓縮機，機組較笨重、昂貴。

在各國的研究工作中，成果顯著的有：

（1）德國德累斯頓技術大學機械工程系和德國德累斯頓GmbH空氣和制冷研究所 （ILK）。1991年ILK開始研發水作為制冷劑的壓縮制冷系統，自2000年起，第一臺冷水機組已經安裝在德國的戴姆勒-克萊斯勒汽車制造商和大眾汽車公司運行。目前已有改進的第三代冷水機組系列產品。

（2）日本川崎重工 （KHI）開發了一臺制冷量100冷噸 （352kW）的小型、高效離心冷水機組；另外，由神戶制鋼、東京電力、中部電力，關西電力，并受到丹麥能源機構的支持，與電力工業中央研究所、丹麥技術研究所和江森自控丹麥的APS（一家丹麥冷水機組制造廠）技術合作，已完成一臺軸流式冷水機組的試制和運行。

（3）美國密西根州立大學機械工程系。主要從事理論研究和實驗室試驗。

（4）以色列IDE技術有限公司開發出壓縮水蒸汽的兩級離心式壓縮機機，在丹麥能源局 （DEA）財政支持下，薩布羅 （Sabroe）制冷公司和DTI已經使用IDE離心壓縮機建立了一臺以水作為制冷劑的制冷裝置。INTEGRAL也應用IDE離心壓縮機建立了研究裝置。IDE技術有限公司使用IDE離心壓縮機已經開發出稱為 “ECO-VIM”和 “ECOCHILLER”兩種產品。前者是一種將水蒸氣凝結成冰的真空制冰機。后者是將水直接閃發帶走熱量產生冷水的冷水機組。

本文綜述使用水作為制冷劑在大型透平冷水機組中應用的研究和開發現狀。由于期刊篇幅的限制，將分成四部分刊登：

（一）水與其他制冷劑的COP比較；

（二）水作為制冷劑的冷水機組；

（三）壓縮水蒸汽的透平壓縮機葉輪設計；

（四）三孔口冷凝波轉子系統。

2 第一部分 水與其他制冷劑的COP比較

文獻 [1]提供了水與R-134a制冷循環的性能比較，見表1。

從表1可以看出，水與R134a的理論循環性能系數COP接近相同，在水作為制冷劑的冷水機組正常吸入條件下，壓縮機的吸氣比容v1非常大，為了壓縮到高于冷凝溫度，使循環向高溫熱源放熱，需要一個大的壓縮比。表中的過熱損失Sgen，sh/Q是表示在向高溫熱源放熱的冷卻和冷凝過程中，單位放熱量的熵增。水循環產生的過熱損失要比 R134a循環大兩個數量級。另外，從表1看出，水循環的節流損失比R134a循環低，故使用膨脹設備回收膨脹功是十分微小的。

表1 水與R-134a制冷循環的性能

Eberhard Wobst等人[2]提供了水與氨 （R717）制冷循環的性能比較，見表2。

表2 制冷劑水（R718）和氨 （R717）的比較

定義“溫度提升”為冷凝溫度與蒸發溫度之差。圖 1表示了制冷劑分別為水、丙烷、氨和R134a的壓比作為溫度提升函數的比較。對應于30K的溫度提升，水的壓比 π=7。而在同等條件下氨的壓比只有2.8。

圖1 作為溫度提升函數的壓比

對于一個給定的制冷量的系統，可從制冷劑的單位制冷量得出所需要的制冷劑的單位容積制冷量。水的單位容積制冷量非常低，因為與其他制冷劑相比，其密度低 （在T0=0℃時為 0.007 kg/m3），盡管水的蒸發潛熱高 （在T0=5℃時為2490 kJ/kg），與氨系統相比，在相同制冷量下需要有約300倍的容積流量，與R134a制冷劑系統相比，約為200倍。

圖2表示了產生相同制冷量時，幾種制冷劑的容積流量的比較 （%），以氨作為基數100%。

表3表示了在5℃蒸發溫度和35℃冷凝溫度下，對于一個1兆瓦的制冷量的壓縮式制冷系統，R718與其他制冷劑參數的比較。從表3可以看出，R718系統的蒸發壓力和冷凝壓力都低于大氣壓力，處于真空狀態，R718的壓比約為R717和R134a的2.5倍。R718的氣化潛熱約為R717的2倍、R134a的13倍。R718的吸氣容積流量約為R717的300倍、R134a的200倍。

圖2 在相同制冷量時容積流量的比較

A.Kilicarslan等人[3]對水 （R718）作為制冷劑與其他制冷劑 （R717，R290，R134a，R12，R22和R152a制冷劑）有關制冷量和COP（性能系數）作了比較。開發了一個模擬理論蒸氣壓縮式制冷循環的計算機程序，用來計算COP、壓縮比、以及壓縮機出口的制冷劑排氣溫度。并對溫度提升 （即冷凝溫度和蒸發溫度之差）的影響、以及多變效率也進行了分析。結果表明，在蒸發溫度20℃以上和小溫度提升 （5K）、且假設完全相同的循環參數時，R718的COP最高。在中等溫度提升 （20～25K）時，當蒸發溫度高于35℃時，R718的COP較高，而在更大的溫度提升時，R718的COP再次降低。此外，R718在一定的蒸發溫度下，隨著多變效率的增加，R718的COP比其他制冷劑更大。

以下是對水（R718）作為制冷劑與 R717（氨）、R12、R22、R134A、R152a、R290（丙烷）制冷劑的性能系數 （COP）的比較。比較是基于在不同的循環參數 （比容、壓比和排氣溫度）時，不同制冷劑在制冷循環中所獲得的不同性能系數（COP）。此外，也比較了溫度提升和多變效率對COP的影響。通過所開發出的計算機程序，計算出COPs、壓比、壓縮機出口制冷劑溫度和在多大的蒸發器溫度以上時水具有比其他制冷劑更高的COP。制冷劑的熱力學性質是通過調用一個常用制冷劑的物性程序庫來求得。

表3 制冷劑參數比較 （蒸發溫度/冷凝溫度為5℃/35℃）

2.1 熱力學模型

用于比較水作為制冷劑與 R717、R290、R134A、R12、R22，R152a制冷劑的熱力學模型，是建立在一個由壓縮機、冷凝器、熱力膨脹閥和蒸發器組成的理論蒸氣壓縮式制冷循環的基礎上。如圖3所示。在這一理論蒸汽壓縮循環中，制冷劑在狀態1的低壓、低溫飽和蒸汽狀態下進入壓縮機。從狀態1被壓縮機壓縮到狀態2，在高壓、高排氣溫度和過熱蒸氣的狀態2被壓縮機排出。在狀態2進入冷凝器，向環境放出熱量。在高壓和飽和液體的狀態3離開冷凝器。在狀態3進入膨脹閥，在節流過程中，其壓力從高壓 （冷凝壓力）降低到低壓（蒸發壓力）。在膨脹閥出口的狀態是4，并進入蒸發器，在那里制冷劑吸收載冷劑的熱量，在低壓、低溫、飽和蒸氣狀態離開蒸發器。在理論循環中，假定制冷劑在流過吸氣管道時沒有被過熱，在液體管道中沒有被過冷和整個循環管路中沒有壓力降。

圖4表示了上述狀態的單級蒸汽壓縮式制冷理論循環的壓焓圖。

此外，還假定這個單級蒸氣壓縮式制冷循環的所有元件處在穩態和均勻流動條件下，并且忽略了壓縮機的熱損失和動能、勢能的變化。因此，壓縮機的單位壓縮功wcomp可以寫成：

圖3 單級蒸氣壓縮制冷系統流程圖

圖4 單級蒸氣壓縮式制冷循環的P-h圖

其中h1和h2分別表示制冷劑在壓縮機入口和出口的比焓。制冷劑在模擬的壓縮過程中被作為理想氣體看待。因此，單位壓縮功也可以表示成：

式中Pc，Pe，T1分別代表冷凝壓力、蒸發壓力和壓縮機入口溫度，ηis是壓縮機等熵效率，CP和k是制冷劑的定壓比熱和比熱比。壓縮機的等熵效率可以表示成如下式的多變效率 ηp、壓比（Pc/Pe）和比熱比k的函數：

假定在膨脹閥的節流過程中沒有向環境傳遞熱量，這將導致

循環的單位制冷量可以從蒸發器比焓的變化計算出

其中，q0是制冷循環的單位質量制冷量。然后計算出制冷循環的性能系數 （COP）：

根據上述模型，開發出一個計算機程序，用于計算所有制冷劑的COPs和它們與R134a制冷劑獲得的COPs絕對值的差值。進一步計算出壓縮機排氣溫度、壓力比、水 （R718）作為制冷劑時所得出的比其他制冷劑更高的COP時的蒸發溫度。計算程序使用常用的各種制冷劑的物性P、T、h和s的數據庫。

作為分析，對蒸發溫度Te、溫度提升TD（冷凝溫度和蒸發溫度的溫差）、壓縮機的多變效率ηP三個參數變化或保持不變。

2.2 模擬結果

按照計算機程序，在蒸發溫度從0℃升高至45℃而溫度提升和多變效率保持不變時，計算出制冷劑的絕對COP值 （以及它們與R134a制冷劑的絕對值COP的差值）作為蒸發溫度的函數關系。對5K至30K之間的不同溫度提升和0.5至0.9之間的不同多變效率下進行了計算。

圖5表示了在不同的溫度提升TD值和恒定多變效率ηp=0.9時的COPabs（COPabs是代表各種制冷劑的COPs和參考制冷劑R134a的COPR134a之間的絕對差值）與蒸發溫度Te的變化關系。R134a制冷劑的COP（COPR134a）由圖5右邊的縱坐標給出，其他制冷劑的絕對COP值是從左邊縱坐標的COPabs值加上COPR134a值計算出。

在所示的溫度范圍內，當蒸發溫度增加時，除了R22和R290的COPabs是降低外，其余制冷劑的COPabs隨蒸發溫度增加而增加。如圖5a）至5c）所示。對于高的TD=30K，在蒸發溫度低于23℃時，R134a的COPabs隨蒸發溫度增高而增加，在蒸發溫度高于23℃時，R134a的COPabs隨蒸發溫度增高而降低。再有，R718的COPabs顯示出在所有的Te范圍具有最大的逐步增加。這說明，如果蒸發溫度可以升高，R718比其他制冷劑有高的經濟性。

圖5 不同TD下的蒸發溫度與COP的函數關系

當TD減小時，R718顯示出最佳COP的Te溫度范圍向較低的蒸發溫度方向偏移。例如，在TD=30K時，R718的蒸發溫度在超過 34℃時的COPabs高于其他制冷劑，在TD=10K時該蒸發溫度是30℃，在TD=5K時該蒸發溫度是20℃。在低于這些蒸發溫度時，R717（氨）具有比R718更好的COP。然而，盡管氨也是不消耗臭氧層 （ODP=0）、不直接影響溫室效應的制冷劑，但它仍然有嚴重的缺點，有氣味、有毒、以及與空氣一定的混合比例時有爆炸性。水 （R718）沒有這些嚴重的弊端。對于在較低的蒸發溫度某些工作條件下，R718仍然有比其他一些制冷劑有利的優點。例如，蒸發溫度在9℃以上和TD=5K，R718的COP值比R12、R22、R290和R134a都好。

當TD增加時，壓比增加，反過來，當TD降低時，壓縮機的功率下降。同時，隨著壓比的增大，單位制冷量降低。這些影響綜合在一起的結果是使所有制冷劑的性能系數都減少，可以通過比較圖5看出。

圖6 不同 ηP下蒸發溫度作為COP的函數

圖6表示了三種不同的多變效率和恒定TD=20K時的COPabs值與蒸發溫度的變化關系。等熵效率主要是壓比和多變效率的函數。當壓比保持不變和蒸發溫度恒定時，等熵效率可作為壓縮機排氣溫度的函數。當蒸發溫度不變而多變效率提高時，壓縮機功率和壓縮機排氣溫度降低。在一個恒定的TD時，循環的COP增加。在恒定溫度提升下，從圖6可以看出，在一定的蒸發溫度和冷凝溫度 （制冷量沒有變化）時，所有的制冷劑的COP隨多變效率ηP的增加而增加。

比較任何兩個連續的多變效率 （0.5～0.7或0.7～0.9）之間，與其他制冷劑相比，R718的COP值仍然顯示出急劇的增加。這表明，對于R718要求高的壓比。開發具有高品質、高 ηP的壓縮機最有回報。當ηP增加時，R718的COPabs超過其他制冷劑的溫度范圍增加。對于TD=20K，R718的COPabs高于除R134a以外的其他制冷劑時的最低蒸發溫度，在 ηP=0.5時是 45℃，ηP=0.7時是39℃，在 ηP=0.9時是33℃，這樣的溫度提升對R718是最有利的。

圖7右邊的縱座標給出了水 （R718）的壓縮機排氣溫度T2R718。左邊縱坐標給出了其他制冷劑的排氣溫度。R134a制冷劑的壓縮機排氣溫度最低，而R718的壓縮機排氣溫度最高。R134a，R290和R12的排氣溫度彼此非常接近。水的壓縮機排氣溫度高的主要原因是由于壓比高，它需要高的壓縮功。這個缺點可以通過設計專門的多級壓縮機和采用中間冷卻的合理冷卻方法使壓縮功減少。如上所述，這已經在離心式水蒸汽壓縮機應用中實現了。

圖7 排氣溫度與蒸發溫度的關系

圖8表示了當溫度提升TD=20K和多變效率ηP=0.9時，循環的壓比PR（=Pc/Pe）與蒸發溫度間的關系。R718高的壓比PRR718表示在右邊的縱坐標上。其余制冷劑的壓比表示在左邊的縱坐標上。當蒸發溫度增加時，蒸發壓力也增加，冷凝壓力也增大，因為溫度提升TD恒定。但是蒸發壓力增加與冷凝壓力增加的比例總是大于1。因此，冷凝壓力與蒸發壓力的比例隨著蒸發溫度的增加而降低。R290具有最低的壓比，而R718具有最高的壓比。R22和 R12的壓比變化非常接近，R134a和R152的壓比變化也非常接近，在圖8中處于低、中的范圍。

圖8 壓比與蒸發溫度的函數關系

表4歸納了在多變效率 ηP=0.9和溫度提升TD=5至40K時，理論循環計算給出的R718比其他制冷劑具有更高COP時的蒸發溫度。

表4 高于下列值時，R718比其他制冷劑具有更高COP

當蒸發溫度高于表中值時，R718具有比R290、R22、R134a、R12、R152a、R717更高的COP（TD=5至40K 和 ηP=0.9）。

從以上的計算結果和分析可以看出：

使用創建的一個計算單級蒸氣壓縮式制冷循環性能指標的計算機程序，對水 （R718）作為制冷劑與目前常用的制冷劑 （包括R717，R290，R134a，R12，R22和R152a）的比較表明，水作為制冷劑可以導致比其他制冷劑有較高的性能系數 （COP）。分析計算結果可以得出結論，當蒸發溫度高于35℃時R718始終具有最高COP。而且，COP甚至大于R717（氨）。

此外，在較低的蒸發溫度時，使用水也可能會比其他制冷劑有更高的COP。這一點在溫度提升相對較小 （＜10K）或者較大 （＞30K）時尤其明顯，在那個溫度范圍內，R718給出了比其他制冷劑更好的COP，當壓縮機多變效率增加時，其值增加。進一步開發高品質的R718壓縮機會更加有利。

水作為制冷劑的缺點是其高的比容、需要高的壓比、以及由此帶來的高壓縮機排氣溫度。已經證明，這些技術性缺點是可以通過開發專門壓縮機加以克服的，特別是帶級間中間冷卻器的多級透平壓縮機。雖然在今天，全世界都把高COP作為選擇制冷劑的一個關鍵準則，但它不是決定選擇的唯一準則。環境參數，如臭氧耗損潛能值 （ODP）和全球變暖潛能值 （GWP）已成為越來越多的限制性。另外，制冷劑的價格和安全性能也受到高度關注。從所有這些方面看，水是優秀的制冷劑。

[1] FINAL REPORT ARTI 21CR/611-10080-01

[2] Eberhard Wobst，NikolaiKalitzin，Rainer Apley，TURBO WATER CHILLER WITH WATER AS REFRIGERANT，International Compressor Engineering Conference at Purdue，July 12-15，2004

[3] A.Kilicarslan and N.Mǜ ller，COPs OF R718 IN COMPARISION WITH OTHER MODERN REFRIGERANTS，Proceedings of the First Cappadocia International Mechanical Engineering Symposium July 2004，Cappadocia，Turkey