R1270/CO₂復(fù)疊式制冷系統(tǒng)熱力學(xué)分析與研究

任繼鵬 孫遠(yuǎn)新 張良

摘 要： 針對R1270/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，本文結(jié)合系統(tǒng)循環(huán)原理和制冷劑物性完成了系統(tǒng)熱力學(xué)分析模型的建立，通過對系統(tǒng)熱力學(xué)性能展開分析提出了適當(dāng)降低冷凝溫度和提高蒸發(fā)溫度的優(yōu)化建議，從而使系統(tǒng)維持良好運行性能，滿足冷鏈管理需求。

關(guān)鍵詞： R1270/CO2;復(fù)疊式制冷系統(tǒng);熱力學(xué)分析

引言：

復(fù)疊式制冷系統(tǒng)由兩個單級制冷循環(huán)復(fù)疊而成，可以劃分為高溫級系統(tǒng)和低溫級系統(tǒng)，利用冷凝蒸發(fā)器連接。其中，高溫端制冷劑采用R1270，低溫端制冷劑采用CO2，均能在冷凝蒸發(fā)器中完成蒸發(fā)過程。而系統(tǒng)R1270蒸汽會進(jìn)入相應(yīng)壓縮機(jī)，通過冷凝器實現(xiàn)熱量傳遞，完成從高溫端→壓縮機(jī)→冷凝器→膨脹閥→冷凝蒸發(fā)器的循環(huán)過程。系統(tǒng)CO2液體將進(jìn)入節(jié)流裝置，在蒸發(fā)器中對被冷卻介質(zhì)的熱量進(jìn)行吸收，在壓縮機(jī)中完成從低溫端→壓縮機(jī)→冷凝蒸發(fā)器→膨脹閥→蒸發(fā)器的循環(huán)過程。在理想狀態(tài)下，系統(tǒng)高溫端制冷循環(huán)得到的蒸發(fā)制冷量與低溫端循環(huán)得到的冷凝熱負(fù)荷相等。

1系統(tǒng)制冷劑的物性分析

系統(tǒng)高溫端制冷劑R1270屬于HCs制冷劑，ODP和GWP分別為0和20，給臭氧層帶來的破壞微乎其微，帶有環(huán)境友好性特點。R1270臨界溫度為92℃，臨界壓力為4.5MPa，汽化潛熱達(dá)439kJ/kg。然而從安全性角度來看，該物質(zhì)安全系數(shù)為A3，所以需要對其熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，確定能否在制冷系統(tǒng)中使用。系統(tǒng)低溫端制冷劑CO2屬于天然工質(zhì)，ODP和GWP分別為0和1，帶有環(huán)境友好性特點。在冷鏈行業(yè)應(yīng)用，由于CO2擁有穩(wěn)定化學(xué)性質(zhì)，無毒不可燃，所以具有較好安全性，安全系數(shù)為A1，即便泄露也不會引發(fā)污染。從制冷效果來看，CO2擁有較低運動黏度和較高熱導(dǎo)率，具有較大潛熱和制冷能力，可以達(dá)到31℃的臨界溫度，臨界壓力為7.4MPa，汽化潛熱達(dá)573kJ/kg，能夠滿足復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的要求。

2系統(tǒng)熱力學(xué)模型的建立

系統(tǒng)由兩個制冷循環(huán)復(fù)疊構(gòu)成，所以具有一定復(fù)雜性，需要在不同條件下對系統(tǒng)熱力學(xué)性能進(jìn)行分析，確定兩種制冷劑的能量數(shù)量關(guān)系，確定系統(tǒng)在能量轉(zhuǎn)換和傳遞過程中的品質(zhì)。結(jié)合這一思路建立系統(tǒng)熱力學(xué)模型，需要在確定制冷量的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)COP、？損和制冷劑質(zhì)量流量受蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、傳熱溫差和低溫級冷凝溫度的影響，從而獲得系統(tǒng)最佳性能系數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)合理設(shè)計和科學(xué)運行。實際建立模型時，還要假設(shè)系統(tǒng)始終保持穩(wěn)定流態(tài)，無過熱或過冷現(xiàn)象，并且能夠?qū)崿F(xiàn)絕熱壓縮，忽略系統(tǒng)循環(huán)壓降。根據(jù)假設(shè)條件，可以得到系統(tǒng)低溫級壓縮機(jī)功率PeL計算方法。如式（1），ηiL指的是低溫級壓縮機(jī)指示效率，ηmL為對應(yīng)機(jī)械效率，ηmoL則是電動機(jī)效率，h1和h2為低溫級壓縮機(jī)進(jìn)口和出口焓值，h5為低溫級蒸發(fā)器入口焓值。

由于冷凝蒸發(fā)器的熱負(fù)荷Qk=Q0（h2-h4）/（h1-h5），Q0為制冷量，因此可以得到高溫壓縮機(jī)實際功率PeH。式中，ηiH指的是高溫級壓縮機(jī)指示效率，ηmH和ηmoH則是對應(yīng)機(jī)械效率和電動機(jī)效率，h6和h7為高溫級壓縮機(jī)進(jìn)口和出口焓值，h10為高溫級蒸發(fā)器入口焓值。

根據(jù)質(zhì)量流比，可以得到系統(tǒng)COP=Q0/（PeL+PeH）。系統(tǒng)? ? ?損I由低溫級和高溫級的壓縮? ? ?損、節(jié)流? ? ?損、蒸發(fā)? ? ?損構(gòu)成，還要根據(jù)系統(tǒng)環(huán)境溫度T0，冷卻介質(zhì)溫度Tr和蒸發(fā)溫度Te確定。結(jié)合系統(tǒng)運行工況可知，系統(tǒng)制冷量達(dá)2kW，低溫級蒸發(fā)溫度在[-45℃，-25℃]范圍內(nèi)，冷凝溫度在[-15℃，5℃]范圍內(nèi)，高溫級蒸發(fā)溫度在[-20℃，0℃]范圍內(nèi)，冷凝溫度在[35℃，50℃]范圍內(nèi)，蒸發(fā)器傳熱溫差在[3℃，7℃]范圍內(nèi)。而系統(tǒng)壓縮機(jī)總效率達(dá)0.7，環(huán)境溫度為32℃，冷卻介質(zhì)溫度與蒸發(fā)溫度的差值達(dá)5℃。

3系統(tǒng)熱力學(xué)性能的分析

3.1系統(tǒng)COP分析

從系統(tǒng)COP變化情況來看，在冷凝溫度、蒸發(fā)溫度等條件不變的情況下，伴隨著低溫級冷凝溫度的升高，系統(tǒng)COP先上升后下降，但總體變化并不顯著，最優(yōu)值可達(dá)1.17，此時低溫級冷凝溫度達(dá)到-8℃。在低溫級冷凝溫度和蒸發(fā)溫度不變條件下，提高系統(tǒng)冷凝溫度同樣會使系統(tǒng)COP上升，最高能夠達(dá)到1.57。只提高蒸發(fā)溫度，則會導(dǎo)致系統(tǒng)COP下降，最低能夠達(dá)到0.99。只對高溫級蒸發(fā)溫度進(jìn)行提高，高溫級COP會隨之上升，低溫級則無變化。同樣的，只改變低溫級蒸發(fā)溫度高溫級無變化，低溫級COP會有所提升。在系統(tǒng)? ? ?損增加的情況下，系統(tǒng)COP會減小。因此在滿足換熱要求的基礎(chǔ)上，還應(yīng)適當(dāng)將系統(tǒng)冷凝溫度和蒸發(fā)溫度減小，繼而通過減小系統(tǒng)? ? ? 損獲得更大COP。

3.2系統(tǒng)? ? ?損分析

從系統(tǒng)? ? ?損情況分析結(jié)果來看，? ? ?損主要產(chǎn)生在壓縮和節(jié)流階段，會引發(fā)較大壓力損失。傳熱溫差的存在，將導(dǎo)致蒸發(fā)器產(chǎn)生熱量損失，使得制冷劑蒸汽過熱。在蒸發(fā)溫度、冷凝溫度分別為-40℃和40℃的條件下，傳熱溫差達(dá)到5℃，伴隨著低溫級冷凝溫度的升高，高溫級各部分? ? ?損逐漸減小，低溫級除蒸發(fā)器? ? ?損不變以外，各部分? ? ?損則有所增加，系統(tǒng)總? ? ?損先減小后增加，最小能夠達(dá)到0.68kW。從總體來看，高溫級節(jié)流? ? ?損最大，達(dá)0.16kW，占總體的23.6%左右，其次則為冷凝蒸發(fā)，達(dá)0.14kW，約占20.5%，高溫級壓縮機(jī)? ? ?損達(dá)0.11kW，占總體的15.9%左右。想要使系統(tǒng)? ? ?損得到降低，還要減少節(jié)流損失，并使蒸發(fā)器換熱效率和壓縮機(jī)的效率得到提高。

3.3質(zhì)量流量分析

在蒸發(fā)溫度、冷凝溫度分別為-40℃和40℃的條件下，傳熱溫差達(dá)到5℃，伴隨著低溫級冷凝溫度的升高，低溫級質(zhì)量流量有所上升，最高能夠達(dá)到0.0090kg/g。與此同時，高溫級質(zhì)量流量也有所提高，但是增長幅度不大，最高能夠達(dá)到0.0097kg/g。相較于低溫級，高溫級質(zhì)量流量一直較高，因此高低溫級質(zhì)量比隨著低溫級冷凝溫度的升高而降低，最低達(dá)到了1.07。除了低溫級冷凝溫度，系統(tǒng)高溫級質(zhì)量流量也受系統(tǒng)冷凝溫度影響，會隨著冷凝溫度升高而增加，促使高低溫級質(zhì)量流量比增加。因此想要減少R1270使用量，可以適當(dāng)降低冷凝溫度。

結(jié)論：

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，采用R1270/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，調(diào)整低溫級或高溫級的蒸發(fā)溫度只會引起各自GOP變化。但是對低溫級冷凝溫度進(jìn)行調(diào)整，系統(tǒng)COP會呈現(xiàn)上上升后下降趨勢，系統(tǒng)？損會發(fā)生相反的變化，高溫級和低溫級質(zhì)量流量都將有所提升。結(jié)合系統(tǒng)熱力學(xué)性能，通過適當(dāng)降低系統(tǒng)冷凝溫度，可以減小系統(tǒng)？損，促使系統(tǒng)COP得到提高。適當(dāng)提高系統(tǒng)蒸發(fā)溫度，則能使R1270添加量得到減少，使系統(tǒng)安全性得到增加，繼而為系統(tǒng)推廣應(yīng)用奠定良好基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]梁容真，閻富生.復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中R744替代R23的理論分析[J].制冷，2018，37（03）：11-18.

[2]謝志遠(yuǎn)，孫志利，王啟帆等.中溫循環(huán)制冷劑對三級復(fù)疊式制冷系統(tǒng)性能的影響[J].制冷與空調(diào)，2018，18（06）：27-31.

[3]賈明正，張業(yè)強(qiáng)，何永寧等.R1270/CO_2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)熱力學(xué)分析[J].低溫與超導(dǎo)，2018，46（01）：74-80.

作者簡介：任繼鵬（1982年4月-），女，漢族，遼寧省大連市人，本科學(xué)歷，工程師，研究方向：制冷設(shè)備研發(fā)設(shè)計。