R404A/R23復(fù)疊式超低溫制冷系統(tǒng)試驗

劉 寒 謝 晶 王金鋒 -

(1. 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2. 上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306；3. 上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評價專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺，上海 201306；4. 食品科學(xué)與工程國家級實驗教學(xué)示范中心〔上海海洋大學(xué)〕，上海 201306)

低溫環(huán)境下的科學(xué)試驗、組織器官的保存、特殊食品的加工生產(chǎn)(冰激淋的速凍，金槍魚的保存等)等都需要-50 ℃以下的溫度。要實現(xiàn)-50～-80 ℃的大型超低溫制冷系統(tǒng)，一般采用復(fù)疊式制冷循環(huán)。目前，對于該制冷系統(tǒng)研發(fā)最受關(guān)注的是降低系統(tǒng)能耗及制冷劑的替代。沈九兵等[1]通過變蒸發(fā)溫度，冷凝溫度等參數(shù)的方法對R134a/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)進行試驗研究得出：復(fù)疊式制冷系統(tǒng)性能的優(yōu)劣主要取決于低溫端壓縮機容積效率的高低。汪磊等[2]通過建立R404A/R23復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，研究了在某一運行工況下，中間溫度對制冷劑流量、制冷系數(shù)與壓縮機軸功率等系統(tǒng)運行參數(shù)的影響。Aminyavari等[3]通過試驗研究具體分析了NH3/CO2復(fù)疊式系統(tǒng)的高效性、節(jié)能性和環(huán)保性。王炳名等[4]通過試驗得出：NH3/CO2復(fù)疊式系統(tǒng)不同的運行工況對系統(tǒng)COP的影響規(guī)律。

20世紀(jì)，因氟利昂被發(fā)現(xiàn)具有良好的熱力學(xué)特性，無毒不燃且價格適中而廣泛被應(yīng)用于制冷中，但后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)氟利昂制冷劑的使用會破壞臭氧層[5]。因此新型制冷劑的探索對低溫制冷領(lǐng)域的研究也顯得更加重要[6-7]。Keumnam等[8]在復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中對R23替代R13作了研究。R404A相比R22具有良好的熱力學(xué)特性且物理特性接近于純制冷劑，是一種無氯非共沸制冷劑且溫度滑移較小，因此可以作為R22的中長期替代品[9]。王維等[10]采用R404A/R23替代R22/R13設(shè)計了復(fù)疊式機組，表明在-45～-60 ℃低溫范圍內(nèi)，使用R404A/R23的機組較R22/R13除了制冷量略有降低，其他系統(tǒng)性能明顯提升。試驗依托自行設(shè)計的R404A/R23復(fù)疊式超低溫制冷試驗臺，采用控制單一變量的方法，研究蒸發(fā)溫度與冷凝溫度對復(fù)疊式制冷循環(huán)中壓縮機壓縮比、排氣溫度、吸氣壓力、制冷劑流量和制冷系數(shù)的影響程度。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

試驗在自制的R404A/R23復(fù)疊式超低溫制冷試驗臺上進行，試驗臺原理圖見圖1。復(fù)疊式制冷系統(tǒng)高溫段和低溫段的部件、附件及管路等組裝在一個公共框架上，成為一個整體。高溫端使用R404A制冷劑，低溫部分使用R23制冷劑，中間溫度按照高低溫級壓縮比大致相等的原則確定[11]。R404A/R23復(fù)疊式超低溫試驗臺的冷庫內(nèi)裝有4個電加熱模塊，每個模塊功率1.5 kW，可進行0～100%無級調(diào)節(jié)，4個風(fēng)機分別安裝在電加熱后面使庫內(nèi)溫度分布均勻；通過電動水閥調(diào)節(jié)冷卻水流量以控制系統(tǒng)冷凝溫度。該系統(tǒng)的運行監(jiān)控采用LabVIEW進行編程，再通過OPC協(xié)議對系統(tǒng)內(nèi)PLC各類傳感器進行綁定，從而達到機組及庫內(nèi)運行數(shù)據(jù)實時傳輸，采集及控制功能。庫內(nèi)隨機分布50個WZP-205SPT100熱電偶。并且試驗通過溫度、壓力傳感器分別對機組布置14個溫度測點，8個壓力測點，另外，通過在低溫端布置1個流量計監(jiān)測制冷劑流量，在機組布置4個電流測量計測量機組實時運行電流。機組控制是通過電氣控制系統(tǒng)，觸摸屏及以太網(wǎng)絡(luò)等裝置實現(xiàn)。因此，該系統(tǒng)各運行數(shù)據(jù)(如溫度、壓力、流量等)都可以通過傳感器進行自動采集，且R404A和R23制冷劑在復(fù)疊式壓縮制冷各個狀態(tài)下的運行參數(shù)可以通過NIST REFPROP 8.0 軟件進行計算。

1. 高溫級壓縮機 2. 高溫級油分 3. 冷凝器 4. 高溫級回?zé)崞?5. 高溫級節(jié)流裝置 6. 蒸發(fā)冷凝器 7. 高溫級氣液分離器 8. 低溫級壓縮機 9. 低溫級油分 10. 低溫級回?zé)崞?11. 低溫級節(jié)流裝置 12. 冷庫風(fēng)機 13. 擱架式蒸發(fā)器 14. 膨脹容器

圖1 R404A/R23復(fù)疊式超低溫制冷系統(tǒng)原理圖

Figure 1 Schematic diagram of R404A/R23 cascade ultra-low temperature refrigeration system

1.2 試驗方法

1.2.1 控制單一變量法 對R404A/R23復(fù)疊式超低溫制冷系統(tǒng)性能評定時取該系統(tǒng)為滿負(fù)荷(6 kW)。采用控制單一變量的方法進行試驗以及數(shù)據(jù)分析：① 冷凝溫度保持在32 ℃，通過電加熱0～100%無級調(diào)節(jié)，依次調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度；② 蒸發(fā)溫度保持在-55 ℃，通過設(shè)定電動水閥參數(shù)調(diào)節(jié)冷卻水流量，依次調(diào)節(jié)冷凝溫度。

1.2.2 蒸發(fā)溫度調(diào)節(jié) 打開冷卻水總閥，開啟風(fēng)機與電加熱裝置，運行復(fù)疊式壓縮制冷試驗臺；設(shè)置電動調(diào)節(jié)閥開度，待冷凝溫度穩(wěn)定在32 ℃前提下：① 調(diào)節(jié)電加熱功率，待庫內(nèi)蒸發(fā)溫度穩(wěn)定在-65 ℃時，記錄機組運行數(shù)據(jù)；② 在控制面板上改變電加熱裝置設(shè)定值，重復(fù)以上步驟，待蒸發(fā)溫度分別穩(wěn)定在-60，-55，-50，-45 ℃時記錄機組運行數(shù)據(jù)。

1.2.3 冷凝溫度調(diào)節(jié) 運行復(fù)疊式壓縮制冷試驗臺，分別設(shè)定4個電加熱開啟度為10%，此時蒸發(fā)溫度穩(wěn)定在-55 ℃時，打開電動水閥調(diào)節(jié)冷卻水流量：① 設(shè)置冷卻水調(diào)節(jié)閥開度，檢測到冷凝溫度穩(wěn)定在28 ℃后記錄數(shù)據(jù)；② 調(diào)節(jié)電動水閥開度，重復(fù)以上步驟，分別待冷凝溫度穩(wěn)定在30，32，34，36 ℃時記錄機組運行數(shù)據(jù)。

2 復(fù)疊式循環(huán)理論分析

2.1 R404A/R23復(fù)疊式系統(tǒng)制冷循環(huán)過程分析

圖2(a)為R404A/R23復(fù)疊式系統(tǒng)制冷循環(huán)流程圖，冷凝蒸發(fā)器中蒸發(fā)器與冷凝器傳熱溫差取5 ℃。在R404A/R23復(fù)疊式超低溫制冷系統(tǒng)中低溫端過熱30 ℃，高溫端過熱15 ℃。圖2(b)為該系統(tǒng)的壓焓圖。

1-2-3-4-5-6-1為低溫端循環(huán)過程，1′-2′-3′-4′-5′-6′-1′為高溫端循環(huán)過程

2.2 主要技術(shù)參數(shù)計算公式

對于制冷劑為R23的低溫端循環(huán)：

q0=h1-h5，

(1)

(2)

VS=G·v2；

(3)

對于制冷劑為R404A的高溫端循環(huán)：

q0′=h1′-h5′，

(4)

(5)

VS′=G′·v2′，

(6)

式中：

h、h′——高低溫端各狀態(tài)點的焓值，kJ/kg；

q0、q0′——高低溫端單位制冷量，kJ/kg；

Q——低溫端循環(huán)制冷量，kW；

G、G′——高低溫端循環(huán)制冷劑流量，kg/s；

v2、v2′——高低溫端壓縮機吸氣點的比容，m3/kg；

Vs、Vs′——高低溫端壓縮機理論輸氣量，m3/h。

通過以上系統(tǒng)循環(huán)過程及計算公式對試驗數(shù)據(jù)進行初步分析，若保持系統(tǒng)冷凝溫度不變，隨著蒸發(fā)溫度的下降，高低溫端制冷劑流量的變化趨勢是有所不同的，但高低溫端制冷系數(shù)都會有所下降。若保持系統(tǒng)蒸發(fā)溫度不變，隨著冷凝溫度的上升，高溫端和低溫端制冷系數(shù)及系統(tǒng)制冷系數(shù)都隨冷凝溫度的升高而降低。

3 結(jié)果與分析

3.1 蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響

當(dāng)冷凝溫度為32 ℃，隨著蒸發(fā)溫度的變化(-45，-50，-55，-60，-65 ℃)，系統(tǒng)壓縮比、排氣溫度、吸氣壓力、制冷劑流量的變化見圖3～7。

圖3 壓縮比隨蒸發(fā)溫度的變化曲線

圖4 排氣溫度隨蒸發(fā)溫度的變化曲線

從圖3和4可以得出：隨著蒸發(fā)溫度從-45 ℃降低至-65 ℃，高溫端及低溫端壓縮機壓縮比從4.0增加到6.4，高低溫端壓縮比的增大，會惡化壓縮機的運行狀態(tài)，進而使高低溫端壓縮機排氣溫度升高，且當(dāng)蒸發(fā)溫度降低到-65 ℃時，低溫端壓縮機排氣溫度達到82 ℃，但是高低溫端排氣溫度升高趨勢比較平緩。

圖5 壓縮機吸氣壓力隨蒸發(fā)溫度的變化

圖6 制冷劑流量隨蒸發(fā)溫度的變化

從圖5可以看出：壓縮機高低溫端吸氣壓力都隨蒸發(fā)溫度的降低而減小，其主要原因是蒸發(fā)溫度的降低導(dǎo)致蒸發(fā)壓力下降，致使低溫端吸氣壓力減小；但在蒸發(fā)溫度為-65 ℃時，其他壓縮方式可能會出現(xiàn)吸氣壓力小于大氣壓以至負(fù)壓運行的情況，但R404A/R23復(fù)疊式制冷系統(tǒng)吸氣壓力始終在高于大氣壓的工況下運行，有效保證了該系統(tǒng)運行的安全性。從圖6可以看出低溫端制冷劑流量略有下降，高溫端制冷劑流量略有提升，主要原因是對于低溫端，當(dāng)蒸發(fā)溫度降低時，導(dǎo)致壓縮機吸氣壓力下降，制冷劑比體積隨之增大，因而低溫端制冷劑流量降低；對于高溫端，因蒸發(fā)冷凝器換熱溫度升高，所以使制冷劑流量略有提升。

由圖7可知，高溫端和低溫端制冷系數(shù)都隨蒸發(fā)溫度降低而降低，但是高溫端制冷系數(shù)明顯高于低溫端。表1是蒸發(fā)溫度每降低5 ℃時系統(tǒng)制冷系數(shù)的變化率，即當(dāng)蒸發(fā)溫度每下降1 ℃時，系統(tǒng)制冷系數(shù)平均下降1.26%～2.10%，在-50～-55 ℃區(qū)間，系統(tǒng)制冷系數(shù)下降最快，達到2.1%/℃。因此在冷庫實際運行中，若能滿足被冷凍物的溫度要求，應(yīng)盡量提高蒸發(fā)溫度，在保證良好冷凍效果的同時盡可能地減少能耗。

圖7 制冷系數(shù)隨蒸發(fā)溫度的變化

Table 1 The variation of refrigeration coefficient of cascade system with evaporation temperature

蒸發(fā)溫度/℃蒸發(fā)溫度每降低5 ℃時COP變化率/%-656.3-605.9-5510.5-509.5-45--

3.2 冷凝溫度對系統(tǒng)性能的影響

在R404A/R23 復(fù)疊式壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)中，設(shè)定蒸發(fā)溫度為-55 ℃，通過電動水閥調(diào)節(jié)冷卻水流量，依次調(diào)節(jié)冷凝溫度為28，30，32，34，36 ℃，冷凝溫度對系統(tǒng)性能的影響見圖8～12。

由圖8可知，隨冷凝溫度從28 ℃升高到36 ℃，高溫端壓縮比從5升高至6，主要原因是冷凝壓力隨著冷凝溫度的升高，導(dǎo)致壓縮比增大，壓縮比的增大會使壓縮機的效率及輸氣量顯著下降，但是從圖8中可以看出高溫端與低溫端壓縮機壓縮比均小于8。由圖9可知，隨著冷凝溫度的升高，高低溫端壓縮機排氣溫度都隨之增大，且當(dāng)冷凝溫度為36 ℃時，低溫端排氣溫度升至最高(90 ℃)。由于排氣溫度的升高有可能會導(dǎo)致壓縮機潤滑油炭化，使壓縮機運行條件變差，從而影響系統(tǒng)運行的可靠性，因此，有效控制壓縮機排氣溫度對系統(tǒng)安全運行至關(guān)重要。

由圖10可知，壓縮機吸氣壓力隨冷凝溫度的升高而增大，冷凝溫度從34 ℃升至36 ℃時，壓縮機吸氣壓力升高較緩。由圖11可知，高溫端與低溫端制冷劑流量都隨冷凝溫度升高而增加，主要因為R404A/R23復(fù)疊式制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度較低，對應(yīng)蒸發(fā)壓力也較低，制冷劑比體積增大，最終導(dǎo)致制冷劑流量降低；從圖11中還能看出高溫端制冷劑流量明顯高于低溫端制冷劑流量，雖然較高的制冷劑流量在換熱器中能夠增加換熱效率，但是也會加大壓縮機的功耗以及增大冷凝器負(fù)荷。

從圖12可以看出，高溫端和低溫端制冷系數(shù)及系統(tǒng)制冷系數(shù)都隨冷凝溫度的升高而降低。表2為冷凝溫度每升高2 ℃系統(tǒng)制冷系數(shù)的變化率，即冷凝溫度每升高1 ℃ 系統(tǒng)制冷系數(shù)平均下降1.2%～1.7%，且當(dāng)冷凝溫度為28～30 ℃時，系統(tǒng)制冷系數(shù)下降最快為1.7%。與隨蒸發(fā)溫度變化的制冷系數(shù)變化趨勢相比，變冷凝溫度的制冷系數(shù)變化更加平緩。

圖8 壓縮比隨冷凝溫度的變化規(guī)律

圖9 排氣溫度隨冷凝溫度的變化規(guī)律

圖10 壓縮機吸氣壓力隨冷凝溫度的變化

4 結(jié)論

(1) 試驗具體分析了當(dāng)蒸發(fā)溫度每下降1 ℃或冷凝溫度每升高1 ℃時，復(fù)疊式系統(tǒng)運行性能的變化規(guī)律：當(dāng)蒸發(fā)溫度從-50 ℃降至-55 ℃時，系統(tǒng)制冷系數(shù)下降最快，達到2.1%；當(dāng)冷凝溫度從28 ℃升至30 ℃時，系統(tǒng)制

圖11 制冷劑流量隨冷凝溫度的變化

圖12 制冷系數(shù)隨冷凝溫度的變化

Table 2 The variation of refrigeration coefficient of cascade system with condensing temperature

冷凝溫度/℃冷凝溫度每升高2 ℃時COP變化率/%362.4343.0323.2303.428--

冷系數(shù)下降最快為1.7%。且蒸發(fā)溫度下降1 ℃比冷凝溫度上升1 ℃對系統(tǒng)性能系數(shù)影響更大。因此，在復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，有效控制蒸發(fā)溫度不僅能提高制冷系統(tǒng)效率，而且對提高制冷系統(tǒng)運行穩(wěn)定性極其重要。

(2) 因為該系統(tǒng)裝有回?zé)崞鳎?dāng)蒸發(fā)溫度為-55 ℃，冷凝溫度從34 ℃升至36 ℃時，壓縮機吸氣壓力升高較緩，但壓縮機排氣溫度最高達90 ℃，通過對該組重復(fù)性試驗所得數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象的出現(xiàn)和制冷劑蒸氣進入壓縮機前過熱度的變化有關(guān)，因此回?zé)崞鬟^熱度對壓縮機排氣溫度的具體影響規(guī)律，之后可進行深入研究。