CO2復疊制冷系統與載冷劑制冷系統適用范圍研究

田雅芬 趙兆瑞 邢子文 楊一凡 馬 進 于志強

(1 西安交通大學能源與動力工程學院 西安 710049；2 中國制冷學會秘書處 北京 100142；3 國內貿易工程設計研究院 北京 100135；4 煙臺冰輪股份有限公司 煙臺 264002)

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CO2復疊制冷系統與載冷劑制冷系統適用范圍研究

田雅芬1趙兆瑞1邢子文1楊一凡2馬 進3于志強4

(1 西安交通大學能源與動力工程學院 西安 710049；2 中國制冷學會秘書處 北京 100142；3 國內貿易工程設計研究院 北京 100135；4 煙臺冰輪股份有限公司 煙臺 264002)

鑒于自然工質制冷劑具有優良的環保特性，相關技術的推廣應用越來越多地受到人們的關注，其中CO2與NH3被視為是最適合且最有潛力的自然工質。在冷凍冷藏領域，工業界和學術界使用最為廣泛的制冷系統——NH3/CO2復疊制冷系統與NH3壓縮CO2載冷劑制冷系統，這兩種系統應用的工況范圍并沒有得到清晰而廣泛的共識。對此，本文在常規商業冷凍冷藏應用溫度區間內，分別對NH3/CO2復疊制冷系統及NH3壓縮CO2載冷劑制冷系統的制冷性能進行分析，并結合實際工程應用條件，得出CO2復疊制冷系統與載冷劑制冷系統各自適合的工作范圍，旨在為CO2制冷系統的合理應用提供參考。研究表明，在需求蒸發溫度低于-25 ℃的場合宜采用NH3/CO2復疊制冷系統作為供冷系統，并且對于CO2壓縮機，最高吸氣壓力應不小于1.97 MPa，CO2壓縮機的最高允許排氣壓力也應大于4.07 MPa。

CO2復疊制冷系統；CO2載冷劑制冷系統；適用范圍；自然工質；制冷性能；CO2壓縮機

由于環保限制協議等問題，人工合成的制冷劑將逐漸受到更大限制。在2020年之前，HCFC類制冷將削減35%，并在2030年之前被完全替代[1]。另一方面，R407C與R410A等HFC工質由于GWP較大也將逐步被替代。未來，新興的制冷劑必須具有以下特質：對臭氧層無破壞，較小的溫室氣體性能，較短的環境周期壽命，較高的使用安全性，較好的熱力學性能[2]。因此，隨著R22等工質被取代，更多的自然工質將被應用在冷凍冷藏領域，而其中，CO2與NH3被視為最適合且最有潛力的自然工質[3-8]。

NH3作為制冷工質已經被廣泛應用在大型冷庫及冷凍冷藏、食品加工、醫藥等領域[9]。NH3作為制冷工質，具有極好的熱力學性能與傳熱傳質性能，同時，其出眾的潛熱密度、較高的單位容積制冷量及吸水性能，對制冷系統也有很重要的意義[10]。然而，由于NH3具有一定的毒性、可燃性，應用仍受到一定限制。為最大限度地降低其毒性影響，減少充注量是最有效的措施之一。由此，CO2作為低溫級供冷工質受到越發廣泛地關注，應用量得到快速提升。

CO2作為制冷劑，由于工作壓力較高，往往應用在較低溫度工況的制冷循環中；同時，無毒無嗅、極佳的熱力學性能使其可以很好的適應作為冷庫供冷工質的需求[11-13]。常規CO2與NH3工質的低溫制冷系統主要包括NH3/CO2復疊制冷系統和NH3壓縮CO2載冷劑制冷系統兩種類型[14]，結合使用可以滿足商業冷凍領域的絕大部分需求。然而，由于CO2制冷系統在國內仍處于上升階段，行業內關于CO2復疊制冷系統、載冷劑制冷系統各自的適用范圍存在很多不同的說法，給系統設計及應用都帶來了困惑[15]。為此，本文將從實際工程應用的角度，統一比較基準，在對CO2復疊制冷系統及載冷劑制冷系統進行理論分析的基礎上，得出各自的適用范圍，為CO2制冷系統的合理應用提供參考。

1 系統描述與評價指標

作為兩種截然不同的自然工質低溫制冷系統，NH3/CO2復疊制冷系統與NH3壓縮CO2載冷劑制冷系統主要針對低溫冷凍冷藏、食品冷鏈等應用領域的供冷需求。然而，由于系統特性，二者所針對的供冷溫區有較大差別，而目前工程應用中對在不同溫區如何選擇并沒有定量的分析與指導，對系統的設計開發與后期維護造成諸多不便。本文結合兩種系統在實際運行中的參數，給出性能評價指標，并在不同工況范圍與級間壓力等參數變化的基礎上，判斷二種系統的優劣勢，旨在給出兩種系統的最優工況范圍。1.1 NH3/CO2復疊制冷與載冷劑制冷系統

為陳述簡便，在本文中復疊系統所指即NH3/CO2復疊制冷系統，載冷劑制冷系統指單級/雙級NH3壓縮CO2載冷劑制冷系統。

圖1給出了復疊制冷系統示意圖。如圖所示，系統分兩個循環，高溫級NH3壓縮制冷循環與低溫級CO2制冷循環通過冷凝蒸發器換熱[16]，CO2級蒸發器為制冷系統供冷，NH3級冷凝器與外界換熱，兩者換熱溫度取決于環境溫度與系統設定。圖2與圖3給出了復疊制冷系統循環p-h與T-s圖，4-1為冷庫供冷的低溫級蒸發過程，1-2為CO2壓縮過程，2-3為CO2冷凝過程，與NH3系統中的8-5蒸發過程換熱，3-4為節流過程；NH3系統類似，6-7為與外界換熱的冷凝過程。可以看出，通過兩級復疊系統的換熱，既可以利用CO2在制冷系統中的優勢，又避免了過高壓力帶來的壓縮機性能下降，通過合理的系統控制、最優級間溫度設計與換熱器優化，可以保證較高的低溫制冷效率。

圖1 復疊制冷系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of cascade refrigeration system

圖2 復疊制冷系統循環p-h圖Fig.2 p-h diagram of cascade refrigeration system

圖3 復疊制冷系統循環T-s圖Fig.3 T-s diagram of cascade refrigeration system

圖4給出了CO2載冷劑制冷系統的示意圖[14]，NH3壓縮機可以為單級或雙級。在較低蒸發溫度的工況下，通過兩級壓縮可以將NH3制冷系統的蒸發、冷凝溫差保持在較高的水平，同時保證壓縮機的效率。圖中，高壓高溫NH3與外界換熱冷凝后，經節流閥流至冷凝蒸發器與CO2換熱，使CO2載冷劑液化。在泵的驅動下，CO2載冷劑為冷庫提供冷量，氣化后進入下一個循環。值得一提的是，由于CO2載冷劑需要與NH3換熱液化，又為冷庫供冷氣化，其中需要兩級的換熱溫差提供換熱量，因此換熱器的優化設計非常重要，如若換熱溫差較大，則無法保證系統較高的COP。載冷劑制冷系統的p-h圖與T-s圖如圖5與圖6所示。

圖4 載冷劑制冷系統示意圖Fig.4 Schematic diagram of secondary refrigerant system

圖5 載冷劑制冷系統循環p-h圖Fig.5 p-h diagram of secondary refrigerant system

圖6 載冷劑制冷系統循環T-s圖Fig.6 T-s diagram of secondary refrigerant system

1.2 性能評價指標

從工程應用角度出發，對制冷系統尤其是低溫制冷系統的評價，往往通過對COP的計算來分析。因此，本次通過對兩種系統COP的模擬計算，分析二者在不同工況條件下的變化規律，尋找最優工況點，旨在判斷每種系統最優的應用范圍。

本文中對COP計算做出幾點設定與假設，主要包括：

1)穩定工況假設，認為系統在設定的參數范圍內，穩定工作，壓縮機、換熱器、閥組等部件運作正常且穩定不變[17]。

2)高溫側冷凝溫度為35 ℃，低溫蒸發溫度變化范圍為-55 ℃～-5 ℃。為了保證NH3壓縮機工作在安全壓力范圍內，當蒸發溫度高于-20 ℃時，載冷劑制冷系統使用單級壓縮，低于-20 ℃時，采用雙級壓縮。

3)泵功率忽略不計，忽略制冷劑在換熱器中的流動損失以及蒸發器出口過熱與冷凝器出口過冷，忽略兩級壓縮機排量配比的影響，認為壓縮機工作在最佳工況點。

4)針對冷凝器、蒸發器、冷凝蒸發器等換熱器部件，設定換熱統一溫差為5 ℃，且不隨工況變化。 由于CO2載冷劑的存在，故在相同工況下載冷劑制冷系統的NH3側蒸發溫度比復疊制冷系統蒸發溫度低5 ℃。

1.2.1 系統COP

針對復疊系統，COP應通過CO2級制冷量與兩臺壓縮機功耗之比得到，即：

(1)

而NH3與CO2壓縮機功耗則取決于等熵壓縮功與絕熱效率，即：

(2)

(3)

式中：ηNH3、ηCO2分別為NH3、CO2壓縮機絕熱效率。

而針對載冷劑制冷系統，COP應通過CO2載冷劑制冷量與NH3壓縮機功耗之比得到，即：

(4)

式中：COPsr為載冷劑制冷系統的COP；wNH3為 NH3壓縮機功耗，J/kg。

同樣的，NH3壓縮機的功耗也可以通過等熵壓縮功與絕熱效率計算，即：

(5)

針對系統COP的計算過程，有兩點需要確定，即制冷劑參數的確定和壓縮機絕熱效率的計算。

1.2.2 制冷劑物性

對于制冷劑物性的計算，本文采用Refprop7.0物性計算軟件進行確定，通過壓力、溫度、熵等參數，確定各點的比焓值，進而確定壓縮機理論耗功與蒸發、冷凝器的換熱量。

以復疊系統中的低溫級CO2循環為例，其余循環類似不再贅述：

CO2的吸氣壓力取決于設定工況的蒸發溫度，即：

psuc=f(Teva,Q)

(6)

式中：psuc為CO2吸氣壓力，Pa；Teva為CO2蒸發溫度，℃；Q為干度，此處取1。

因此，CO2壓縮機吸氣狀態可以確定：

Ssuc=f(Teva,psuc)

(7)

h1=f(Teav,psuc)

(8)

式中：Ssuc為壓縮機吸氣熵，J/(kg·℃)；h1為圖中1點比焓值，即壓縮機理論吸氣比焓，J/kg。

而2點即壓縮機排氣過程狀態，可以通過排氣壓力與熵值確定，即：

h2=f(pdis,Ssuc)

(9)

pdis=f(Tcond,Q)

(10)

式中：pdis為排氣壓力，Pa；Tcond為冷凝溫度，℃。

考慮壓縮機實際絕熱效率小于1，則實際排氣狀態應為：

(11)

式中：h2為實際壓縮機排氣比焓，J/kg。

冷凝器出口狀態同樣可以通過冷凝溫度與干度

(此處為0)確定，即：

h3=f(Tcond,Q)

(12)

節流過程均為等焓過程，即：

h3=h4

(13)

確定各點比焓值后，即可通過前文所述公式進行COP計算。

1.2.3 壓縮機絕熱效率

壓縮機絕熱效率的確定，不僅對COP與制冷量的計算，也對中間壓力的確定、換熱器等有重要意義，因此如何更為客觀的確定壓縮機效率至關重要。本文運行制冷系數及實際絕熱效率等均按照前川公司MYCOM選型軟件查取。

針對復疊系統，按照設定容量預設選擇高溫級NH3制冷壓縮機，并在設定工況下計算蒸發冷凝器換熱量，并作為低溫級CO2系統冷凝換熱量；根據CO2冷凝換熱量確定CO2壓縮機流量，確定CO2壓縮機選型。針對載冷劑制冷系統，根據工況范圍選擇單/雙級壓縮。同理，在設定工況下，根據不同機型流量計算蒸發器換熱量，再由中間換熱器的換熱量，確定單級/雙級NH3壓縮機。

在機型選定的情況下，根據不同的工況在MYCOM軟件中計算得到所有相關參數，主要包括軸功率與吸排氣狀態等；進而，根據理論計算所得等熵壓縮功，最終確定在某一工況下的絕熱效率ηNH3、ηCO2。

1.2.4 復疊系統最佳中間溫度

復疊系統的中間溫度同時影響NH3壓縮機的吸氣狀態與CO2壓縮機排氣狀態，由于壓縮機在不同工況下的運行性能差別，復疊系統存在最優中間溫度。

以-35/35 ℃為例對計算過程加以說明，高溫級蒸發溫度比低溫級冷凝溫度低5 ℃，此5 ℃即為冷凝蒸發器換熱溫差。以2 ℃溫差為間隔選取一系列中間溫度，首先計算不同中間溫度下的絕熱效率，計算方式如前文所述，取用MYCOM選型軟件中的制冷量、流量、軸功率等參數，對比理論等熵壓縮過程，得到絕熱效率。計算結果見表1。

表1 復疊循環-35/35 ℃工況不同中間溫度對應的絕熱效率

根據表1中絕熱效率的計算結果，針對每一組中間溫度工況，得到低溫級制冷量、CO2/NH3壓縮機軸功率等參數，并計算得到系統COP。計算結果如圖7所示，圖中橫坐標為高溫級NH3的蒸發溫度，在現有假設下，等于低溫級CO2冷凝溫度再減少5 ℃。

圖7 NH3/CO2復疊制冷系統中間溫度影響Fig.7 Effect of intermediate temperature on the performance of NH3/CO2 cascade refrigeration system

由圖中可以看出，復疊系統在NH3蒸發溫度-12 ℃，CO2冷凝溫度-7 ℃處達到最高COP，因此針對-35/35 ℃的工況，采用-12 ℃(NH3側蒸發)/-7 ℃(CO2側冷凝)作為最佳中間點。針對其余工況點，采用相應的計算方法確定最優COP。

2 結果分析

2.1 各系統COP比較

在確定各工況點最優中間溫度與壓力后，可以計算系統在不同工況下的COP，進而分析各個系統的最佳工作范圍，以便在不同應用場合中進行選擇與設計。本文重點研究五種系統在不同工況下的運行性能，包括復疊系統、單級NH3壓縮CO2載冷劑制冷系統、雙級NH3壓縮CO2載冷劑制冷系統、單級NH3制冷系統、雙級NH3制冷系統，圖8所示為復疊系統與雙級壓縮系統在不同蒸發溫度下的系統COP，主要針對蒸發溫度較低的制冷系統，冷凝溫度均控制在35 ℃。

由圖8可以看出，在-15 ℃以下，復疊系統COP要高于雙級壓縮載冷劑制冷系統，而在-40 ℃以下，甚至要高于雙級NH3壓縮制冷系統，并且隨著蒸發溫度的下降，這一優勢越發明顯：復疊系統COP在-25 ℃時較載冷劑制冷系統高約5%，在-30 ℃時高約9%。

從另一個角度來說，載冷劑的有無對雙級NH3壓縮制冷系統有較大的影響。從圖8可以看出，由于載冷劑制冷系統在相同工況下需要更低的NH3蒸發溫度，導致COP相比NH3制冷系統有明顯的差距。雖然這一差別數值上隨工況變化不大，但從比例上講，蒸發溫度越低時，復疊系統的損失越大，這一差別可達到17%左右。因此，需要綜合考慮性能與安全性等問題，確定在不同工況范圍內使用最合適的制冷系統。

圖8 復疊系統與雙級氨壓縮系統對比Fig.8 Comparison diagram of the performance between cascade and NH3 two-stage compression refrigeration system

圖9 復疊系統與單級氨壓縮系統對比Fig.9 Comparison diagram of the performance between cascade and NH3 single-stage compression refrigeration system

如前文所述，在蒸發溫度較高的情況下，往往采用單級壓縮制冷系統。圖9給出了復疊系統對比單級NH3壓縮制冷系統隨蒸發溫度的變化趨勢，可以看出，在-20 ℃以下，復疊系統的COP要超過單級NH3壓縮制冷系統，而在-5 ℃以下均超過單級NH3壓縮載冷劑制冷系統。但由于CO2工質在較高工作溫度下高壓的特性，并不適合在蒸發溫度過高的工況下運行，因此一般建議在低于-25 ℃的工況時采用復疊系統代替單級NH3壓縮載冷劑制冷系統。2.2 過冷、過熱及阻力損失影響

為簡化計算過程，在計算中忽略了系統的阻力損失及過熱過冷，因此有必要對以上幾項條件對各制冷系統制冷系數的影響進行定性分析。在相同工況下，復疊系統與載冷劑系統二者的高溫側工況基本相同，因此僅就阻力損失、過熱、過冷對三類系統低溫側的影響進行分析比較。由于復疊系統及NH3雙級壓縮CO2載冷劑制冷系統的冷凝蒸發器換熱溫差均為5 ℃，故載冷劑制冷系統的NH3側蒸發溫度比復疊系統蒸發溫度低5 ℃。

選取下面3個工況為例，過熱、過冷、阻力按表2取值，其中阻力的取值參考《冷庫制冷設計手冊》NH3制冷管道允許壓力降規定。以不考慮過熱、過冷、阻力的系統制冷系數作為比較基準，給出各因素分別對系統制冷系數影響的百分比。

通過表2可以看出，如果考慮過熱、過冷、阻力等實際因素，各制冷系統的制冷系數都會降低，復疊系統所降低百分比小于載冷劑制冷系統，換言之，如若考慮以上因素進行比較，復疊系統將受更小的影響。

表2 過熱、過冷、阻力對系統COP影響的百分比(%)

2.3 CO2壓縮機應用范圍討論

CO2壓縮機的工作壓力也是需要特別注意的問題。隨著系統蒸發溫度或冷凝壓力的升高，中間級換熱溫度同樣升高，這將導致CO2壓縮機工作在較高的壓力下，需要選用承載能力更高的壓縮機。CO2壓縮機的最高允許吸氣壓力應不小于-20 ℃對應的飽和壓力1.97 MPa。根據NH3壓縮機及其機組的設計和使用條件，冷凝溫度最高可到45 ℃，而當NH3冷凝溫度為45 ℃時，CO2蒸發溫度-20 ℃對應的最佳效率工況為-20/6 ℃，6 ℃對應的CO2飽和壓力為4.07 MPa。CO2壓縮機的最高允許排氣壓力應大于此壓力值。

在本文中，由于前川機型適用性的問題，所有計算過程均采用往復式壓縮機進行計算，但從能效角度出發，各型式的壓縮機等熵效率相差不大，因此本文結論可以在一定范圍內推演至螺桿壓縮機等其它制式壓縮機的應用系統中。

以螺桿壓縮機為例，當復疊系統蒸發溫度高于-35 ℃時，低溫級CO2冷凝溫度已經超過-7 ℃，這時CO2極高的工作壓力不僅對軸承提出很高的要求，并且由于大壓差帶來的泄漏問題，壓縮機效率也相應降低。因此，當復疊系統蒸發溫度升高時，需要謹慎考慮CO2螺桿壓縮機的承受能力與運行效率，選擇穩定、承壓能力強、高效的壓縮機，方能保證復疊系統的長期運行，體現節能優勢。

3 結論

本文通過對NH3/CO2復疊系統、NH3壓縮CO2載冷制冷系統和NH3壓縮制冷系統的分析與計算，確定各系統在不同工況下的最優中間溫度與中間壓力，進而計算比較不同工況的系統性能，尤其是不同蒸發溫度情況下的系統COP。對于NH3/ CO2復疊制冷、雙級NH3壓縮、雙級NH3壓縮CO2載冷、單級NH3壓縮、單級NH3壓縮CO2載冷制冷這五種常用低溫制冷系統，綜合考慮系統復雜度與成本，確定了其最優工作范圍，并得到以下結論：

1)結合工程經驗，將蒸發冷凝器等換熱器換熱溫差設定為5 ℃，并經過計算確定，在蒸發溫度低于-20 ℃的工況下，復疊系統COP高于單級NH3壓縮制冷系統、單級NH3壓縮載冷劑制冷系統與雙級NH3壓縮載冷劑制冷系統；在低于-40 ℃的工況下，復疊系統COP高于雙級NH3壓縮制冷系統。綜合考慮安全性與成本回收等因素，推薦在低于-25 ℃工況中，采用復疊系統作為供冷系統。

2)載冷劑的使用對單級/雙級NH3壓縮制冷系統有一定的影響，并且隨著蒸發溫度的不斷降低，采用載冷劑對COP的削減越發明顯，可達到13%～17%；另一方面，在蒸發溫度較低時，宜采用雙級壓縮代替單級壓縮，以起到提高能效的目的。

3)過熱、過冷、阻力損失等均對模擬結果有一定影響。通過靈敏性分析可以看出，其影響均在可接受范圍內，且復疊系統的抗干擾性更強，所受到的影響更低，更適宜在工況偏移的情況下保證相對較好的系統性能。

4)在較高蒸發溫度的復疊系統中，CO2壓縮機的許用壓力與高壓力下的運行性能至關重要。CO2壓縮機的最高允許吸氣壓力應不小于-20 ℃對應的飽和壓力1.97 MPa，CO2壓縮機的最高允許排氣壓力也應大于6 ℃對應的飽和壓力4.07 MPa。

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Study on Application Scope for CO2Cascade Refrigeration System and CO2Secondary Refrigerant System

Tian Yafen1Zhao Zhaorui1Xing Ziwen1Yang Yifan2Ma Jin3Yu Zhiqiang4

(1. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, 710049,China; 2.Chinese Association of Refrigeration，Beijing,100142, China;3. Internal Trade Engineering Design & Research Institute, Beijing, 100135, China;4. Yantai Moon Co.,Ltd., Yantai, 264002, China)

The employment of natural refrigerant have drawn widespread attention, since natural refrigerant are completely environmentally friendly and they have high potential in refrigeration application. Among them, the NH3/CO2cascade refrigeration system and NH3compression refrigeration system with CO2as secondary refrigerant have been viewed as the most promising refrigeration methods in freezer and cold storage especially. Nevertheless, there is limited agreement on the scope of application for these two types of system since no strictly related investigation has been conducted. In this paper, the refrigeration performance of the two systems above is analyzed, and conclusion is drawn on the basis of practical engineering applications. The range of application for these two types of system is marked off and explained in detail, aiming at providing reasonable suggestion for design and optimization of CO2refrigeration systems in the future. It is shown that NH3/CO2cascade refrigeration system is more competitive when the evaporating temperature is below -25 ℃, and the maximum suction pressure and the maximum discharge pressure of CO2compressor should not be lower than 1.97 MPa and 4.07 MPa respectively.

CO2cascade refrigeration system; CO2secondary refrigerant; application scope; natural refrigerant; refrigeration performance；CO2compressor

0253- 4339(2016) 02- 0022- 08

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.02.022

2015年8月5日

TB69;TB652;U295.2

A

簡介

田雅芬，女，在讀碩士研究生，西安交通大學能源與動力工程學院，13488148617, E-mail：TYF2010031084@stu.xjtu.edu.cn。研究方向: 螺桿壓縮機的優化與設計。

About the corresponding authorTian Yafen, female, master degree candidate, School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, +86 13488148617, E-mail：TYF2010031084@stu.xjtu.edu.cn. Research fields: sesign and optimization of twin screw compressor.