回熱器與制冷工質對復疊制冷系統性能的影響

梁 政 申 江 韓思雨

(天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室，天津 300134)

冷鏈是為了保障生鮮農產品的質量和降低損耗的低溫供應鏈系統，形成的一條由采收或捕撈后迅速預冷—冷庫—冷藏運輸—批發站冷庫—商場冷柜—消費者冰箱組合而成的“冷鏈系統”[1]。復疊制冷系統和雙級壓縮制冷系統可滿足低溫冷庫大溫差、寬溫區的需要，而在蒸發溫度較低時，復疊制冷系統的性能優于雙級壓縮制冷系統[2]。

Tripathy等[3]對NH3/CO2復疊制冷系統進行了熱力學分析，確定了最佳性能系數COP以及最佳低溫冷凝溫度的數學關聯式。Dubey等[4]對CO2/R1270的跨臨界復疊制冷系統進行了理論研究，歸納出了最佳低溫級冷凝溫度、COP以及制冷劑質量流量比的回歸方程。楊俊蘭等[5]通過模擬發現R290/CO2系統的COP優于R404A/CO2。張曉儒[6]研究發現R404A/CO2系統在高溫級帶回熱器時性能最佳。Mishra[7]通過建立熱力學模型，對R1234ze/R1234yf、R1234ze/R134a和R1234yf/R134a 3種復疊系統進行了研究，隨著低溫級蒸發溫度的降低，第一定律和第二定律效率增加，火用損率降低，并確定了3種復疊系統的最佳高溫級蒸發溫度。孫志利等[8]研究發現，三級復疊制冷系統最主要的火用損失部件是冷凝器，冷凝器火用損失占比隨蒸發溫度的升高而升高，并提出了三級復疊系統最佳制冷劑組合方案為R1150/R170/R717。郭曉穎等[9]通過EES編程，對比分析了蒸發溫度、冷凝溫度、冷凝蒸發傳熱溫差對R1234yf /R744 和R134a /R744 兩種復疊式制冷系統性能的影響。Sun等[10]研究發現，在高溫級采用機械過冷和輔助膨脹機可以提高系統的整體性能，并對R744/R744復疊系統代替R744/R717復疊系統進行了可行性分析。Massuchetto等[11]建立了熱力學模型，發現與使用純制冷劑的復疊系統相比，使用混合制冷劑的R744/RE170復疊系統具有更好的性能。Roy等[12]研究發現，與R41/R404A系統相比，R170/R161系統的最佳COP更高，壓縮機耗功更低。劉寒等[13]對自行設計的R404A/R23復疊制冷系統進行試驗，分析了蒸發溫度和冷凝溫度與系統性能的規律。

目前，中國應用較多的復疊制冷系統主要是NH3/CO2和R404A/CO2復疊式制冷系統，NH3作為自然工質，價格低廉，臭氧破壞潛能值 (ODP) 為 0，全球變暖潛能值(GWP)為 0，性能優良，但NH3是有毒物質并會燃燒，充注量受到了一定的限制[14]。R404A由于其GWP值高達3 943，2020年后在40 t CO2當量以上新的制冷設備中(軍用設備及-50 ℃冷凍設備除外)將被禁止使用。R449A作為R404A的替代制冷劑，是一款HFOs制冷劑，ODP值為0，適用于新設備安裝及現有系統改造，能改善能效，減少環境破壞，GWP值為1 282，相比R404A降幅達65%。制冷劑CO2、NH3、R404A、R449A的物性參數見表1。

文章擬建立CO2復疊制冷系統數學模型，CO2作為低溫級制冷劑，R449A、R404、NH3作為高溫級制冷劑，采用控制變量法，對比分析低溫級冷凝溫度、高溫級冷凝溫度及回熱器對以上3種系統性能的影響，旨在為復疊系統的改進升級提供依據。

1 系統概述

1.1 系統原理

復疊制冷系統原理圖如圖1所示，分為高溫級和低溫級，中間由冷凝蒸發器連接，復疊制冷系統的高、低溫級工作流程如下。

(1) CO2低溫級循環：由CO2氣液分離器16氣液分離后的CO2蒸氣進入CO2壓縮機17被壓縮，再經CO2油分離器18進入冷凝蒸發器10冷凝放熱；冷凝后的制冷劑液體進入CO2儲液器11，經CO2干燥過濾器12干燥過濾后，由CO2電子膨脹閥14節流為氣液兩相混合物后進入CO2蒸發器15中蒸發吸熱，隨后從CO2蒸發器15輸出的低溫低壓的氣液混合物進入CO2氣液分離器16進行氣液分離后被吸入CO2壓縮機17，如此循環往復。

表1 不同制冷劑的物性參數

1. 高溫級壓縮機 2. 油位電磁閥 3. 油分離器 4. 高溫級風冷冷凝器 5. 高溫級儲液器 6. 干燥過濾器 7. 供液電磁閥 8. 電子膨脹閥 9. 氣液分離器 10. 冷凝蒸發器 11. CO2儲液器 12. CO2干燥過濾器 13. CO2供液電磁閥 14. CO2電子膨脹閥 15. CO2蒸發器 16. CO2氣液分離器 17. CO2壓縮機 18. CO2油分離器 19. CO2油位電磁閥

(2) 高溫級循環：從冷凝蒸發器10輸出的氣液兩相制冷劑經氣液分離器9進行分離后，進入高溫級壓縮機1被壓縮為高溫高壓蒸氣，經油分離器3進入高溫級風冷冷凝器4冷凝放熱，冷凝后的制冷劑液體進入高溫級儲液器5，再經干燥過濾器6干燥過濾，通過電子膨脹閥8節流降壓后進入冷凝蒸發器10蒸發吸收CO2低溫級的冷凝熱，如此循環往復。

1.2 系統模擬

對速凍和冷凍工況下的復疊制冷系統進行模擬(如表2所示)。分析不同運行參數對復疊制冷系統性能的影響，對比R449A/CO2、R404A/CO2、NH3/CO2復疊制冷系統在不同工況下的性能表現。為提高低溫工況下復疊制冷系統的性能，在系統中設置回熱器是較常見的優化方式，分別在復疊制冷系統低溫級和高溫級設置回熱器以研究回熱器位置對系統性能的影響，工況參數如表3所示。圖2分別為低溫級帶回熱器和高溫級帶回熱器的原理圖。

2 熱力學模型的建立

根據質量守恒和能量守恒原理建立復疊制冷系統的熱力學模型，對該系統循環進行理論計算，復疊制冷系統低溫級與高溫級工作流程的壓焓圖如圖3所示。6→1為CO2在低溫級蒸發器中等壓蒸發吸收外界熱量的過程，1→2為CO2進入低溫級壓縮機吸氣口前的過熱過程，2→3為低溫級壓縮機理論等熵壓縮過程，2→3’為低溫級壓縮機實際等熵壓縮過程，3’ →4為CO2在冷凝蒸發器中冷卻冷凝并將熱量釋放給高溫級系統的過程，4→5為CO2節流前過冷的過程，5→6為CO2通過節流閥等焓節流過程；12→7為高溫級制冷劑在冷凝蒸發器中等壓蒸發吸收低溫級系統冷卻冷凝熱量的過程，7→8為制冷劑進入高溫級壓縮機吸氣口前的過熱過程，8→9為高溫級壓縮機理論等熵壓縮過程，8→9’為高溫級壓縮機實際等熵壓縮過程，9’→10為制冷劑在高溫級冷凝器中冷卻冷凝并將熱量釋放給外界冷卻介質的過程，10→11為高溫級制冷劑節流前的過冷過程，11→12為高溫級制冷劑通過節流閥等焓節流過程。利用Matlab編寫模擬程序，調用Refpropm9.1中的CO2、NH3、R404A及R449A的物性參數。為簡化理論分析過程，進行如下假設：① 復疊制冷系統各部件狀態穩定；② 高、低溫壓縮機壓縮過程均為等熵壓縮；③ 管道及換熱器內制冷劑流動的動能變化、阻力損失忽略不計；④ 節流過程焓值不變；⑤ 除蒸發器和冷凝器外，制冷劑與環境之間不發生熱交換，回熱器和冷凝蒸發器換熱過程無能量損失。

低溫系統制冷劑質量流量：

qmL=QL/(h1-h6)，

(1)

式中：

qmL——低溫系統制冷劑質量流量，kg/s；

QL——低溫系統制冷量，kW；

h1——低溫系統蒸發器出口焓值，kJ/kg；

h6——低溫系統蒸發器進口焓值，kJ/kg。

低溫壓縮機理論耗功WLs：

WLs=qmL(h3-h2)，

(2)

式中：

WLs——低溫壓縮機理論耗功，kW；

h3——低溫系統壓縮機出口理論焓值，kJ/kg。

低溫壓縮機實際耗功WL：

WL=WLs/ηL，

(3)

式中：

WL——低溫壓縮機實際耗功，kW；

ηL——低溫系統壓縮機等熵效率。

表2 不帶回熱器的復疊制冷系統模擬工況

表3 帶回熱器的復疊制冷系統模擬工況?

1. 蒸發器 2. 低溫級壓縮機 3. 冷凝蒸發器 4. 節流閥 5. 高溫級壓縮機 6. 冷凝器 7. 節流閥 8. 回熱器

圖3 復疊制冷系統壓焓圖

低溫系統性能系數COPL：

COPL=QL/WL，

(4)

式中：

COPL——低溫系統性能系數。

低溫系統熱負荷QL,cond:

QL,cond=qmL(h3′-h4)，

(5)

式中：

h3′——低溫系統壓縮機出口焓值，kJ/kg；

h4——冷凝蒸發器低溫級出口焓值，kJ/kg。

高溫系統制冷劑質量流量：

qmH=QL,cond/(h7-h12)，

(6)

式中：

qmH——高溫系統制冷劑質量流量，kg/s；

h7——高溫系統蒸發器出口焓值，kJ/kg；

h12——高溫系統蒸發器進口焓值，kJ/kg。

高溫壓縮機理論耗功WHs：

WHs=qmH(h9-h8)，

(7)

式中：

WHs——高溫壓縮機理論耗功，kW；

h9——高溫系統壓縮機出口理論焓值，kJ/kg。

高溫系統壓縮機實際耗功WH：

WH=WHs/ηH，

(8)

式中：

WH——高溫系統實際耗功，kW；

ηH——高溫系統壓縮機等熵效率。

高溫系統性能系數COPH：

COPH=QL,cond/WH，

(9)

式中：

COPH——高溫系統性能系數。

復疊制冷系統性能系數COP:

COP=QL/(WH+WL)，

(10)

式中：

COP——復疊制冷系統性能系數。

3 結果與討論

3.1 低溫級冷凝溫度對不帶回熱器的復疊制冷系統性能的影響

由圖4可知，一定蒸發溫度和冷凝溫度下，隨著低溫級冷凝溫度的增大，復疊系統的COP先增大后減小，是因為隨著低溫級冷凝溫度的增大，系統低溫級蒸發溫度不變，低溫級壓縮機壓比增大，所以CO2低溫級壓縮機耗功增大；同理，高溫級蒸發溫度隨低溫級冷凝溫度的增大而增大，而系統高溫級冷凝溫度不變，高溫級壓縮機壓比減小，所以高溫級壓縮機耗功減小，因系統制冷量保持不變，當壓縮機總耗功在某一點到達最小值時系統性能最優。當低溫級蒸發溫度-45 ℃時，NH3/CO2、R449A/CO2、R404A/CO2的最佳低溫級冷凝溫度分別為-21，-20，-14 ℃；當低溫級蒸發溫度-25 ℃時，NH3/CO2、R449A/CO2、R404A/CO2的最佳低溫級冷凝溫度分別為-11，-10，-5 ℃。NH3/CO2系統的最佳低溫級冷凝溫度小于R449A/CO2和R404A/CO2系統。對比3種系統的性能系數，NH3/CO2系統的COP優于R449A/CO2和R404A/CO2系統；當低溫級蒸發溫度-45 ℃時， NH3/CO2系統的最佳COP分別比R449A/CO2和R404A/CO2系統高1.82%，7.34%；當低溫級蒸發溫度-25 ℃時，NH3/CO2系統的最佳COP分別比R449A/CO2和R404A/CO2系統高2.09%，7.19%。

3.2 高溫級冷凝溫度對不帶回熱器的復疊制冷系統性能的影響

由圖5可知，不同高溫級制冷劑復疊系統的COP隨高溫級冷凝溫度的增大而下降，是因為在低溫級蒸發溫度不變時，復疊系統低溫級制冷量不變，高溫級冷凝溫度升高，高溫級壓縮機排氣壓力增大，壓比增大，使得高溫級壓縮機耗功增加，系統總耗功增加。NH3/CO2與R449A/CO2系統的性能接近，當蒸發溫度為-45 ℃時，差距為0.98%～4.49%；當蒸發溫度為-25 ℃時，差距為1.35%～4.99%。-25 ℃時3種復疊系統的COP相比-45 ℃ 時均大幅提升，是因為實際運行中蒸發溫度提高，復疊系統制冷量和低溫級壓縮機耗功均減小，但制冷量的減小程度遠小于壓縮機耗功的減小程度，所以系統COP提高。當高溫級冷凝溫度從30 ℃變化到40 ℃，低溫級蒸發溫度為-45 ℃時，R449A/CO2、R404A/CO2、NH3/CO2系統的COP分別下降了16.47%，16.39%，13.56%；當低溫級蒸發溫度為-25 ℃時，R449A/CO2、R404A/CO2、NH3/CO2系統的COP分別下降了19.66%，19.35%，16.77%。實際應用中，應盡量降低復疊系統的高溫級冷凝溫度。

圖4 復疊制冷系統COP隨低溫級冷凝溫度的變化

3.3 回熱過冷度對低溫級帶回熱器的復疊制冷系統性能和回熱過熱度的影響

由圖6可知，低溫級帶回熱器的復疊制冷系統的COP隨回熱過冷度的增大而降低。制冷系統的回熱過冷度增大會使單位制冷量增加，但回熱過熱度同樣也會增大，使得壓縮機吸氣比體積增大，系統制冷劑流量減少，壓縮機單位耗功增加，當采用不同制冷劑時，系統COP表現出不同的變化趨勢，制冷系統性能系數可能增大，也可能減小。對于低溫級采用CO2的復疊系統，低溫級回熱過冷度增大，使得低溫級回熱過熱度增大，并且由于液體的比熱始終大于氣體的比熱，回熱過熱度始終大于回熱過冷度。根據能量守恒定律，低溫級壓縮機耗功增加，高溫級系統制冷量增加，高溫級壓縮機耗功增加，但復疊系統的制冷量增加值小于壓縮機耗功的增加值，因此低溫級采用CO2作為制冷劑的復疊系統性能下降。經計算，回熱過冷度每提高1 ℃，當低溫級蒸發溫度-45 ℃時，R449A/CO2、R404A/CO2、NH3/CO2系統的COP分別下降約0.22%，0.26%，0.21%；當低溫級蒸發溫度-25 ℃ 時，R449A/CO2、R404A/CO2、NH3/CO2系統的COP分別下降約0.17%，0.21%，0.14%。而采用CO2作為低溫級制冷劑的復疊系統，在低溫級設置回熱器對其性能不利，但影響不大。

3.4 回熱過冷度對高溫級帶回熱器的復疊制冷系統性能和回熱過熱度的影響

由圖7可知，當采用不同高溫級制冷劑時，復疊制冷系統的COP隨回熱過冷度增加的變化趨勢不同，一定低溫級蒸發溫度下，低溫級系統制冷量不變，高溫級系統性能是影響復疊制冷系統性能的主要因素，而高溫級采用的制冷劑不同，回熱器對其系統性能的影響也不同。經計算，回熱過冷度每提高1 ℃，當低溫級蒸發溫度為-45 ℃ 時，R449A/CO2、NH3/CO2系統的COP分別下降約1.96%，0.33%，R404A/CO2系統的COP增加約0.23%；當低溫級蒸發溫度為-25 ℃時，R449A/CO2、NH3/CO2系統的COP分別下降約2.65%，0.35%，R404A/CO2系統的COP增加約0.21%。低溫級蒸發溫度-45 ℃下，當高溫級回熱過冷度>3 ℃時，R449A/CO2系統性能低于R404A/CO2系統；低溫級蒸發溫度-25 ℃下，當高溫級回熱過冷度>2 ℃時，R449A/CO2系統性能低于R404A/CO2系統。說明高溫級設置回熱器對R449A/CO2系統的性能有很大損害，實際中應避免在R449A系統中設置回熱器，R404A/CO2系統性能小幅提升，NH3/CO2系統性能小幅降低。

圖5 復疊制冷系統COP隨高溫級冷凝溫度的變化

圖6 復疊制冷系統COP隨低溫級回熱過冷度的變化

圖7 復疊制冷系統COP隨高溫級回熱過冷度的變化

4 結論

對比分析了R449A/CO2、R404A/CO2、NH3/CO2復疊制冷系統在不同工況下的性能表現，并模擬了回熱器對3種復疊制冷系統性能的影響，得出以下結論。

(1) 復疊制冷系統存在最佳的低溫級冷凝溫度，且NH3/CO2系統的最佳低溫級冷凝溫度小于R449A/CO2和R404A/CO2系統。當低溫級蒸發溫度為-45 ℃時，NH3/CO2系統的最佳性能系數COP分別比R449A/CO2和R404A/CO2系統高1.82%，7.34%；當低溫級蒸發溫度為-25 ℃時，NH3/CO2系統的最佳COP分別比R449A/CO2和R404A/CO2系統高2.09%，7.19%。

(2) 高溫級冷凝溫度增大，3種復疊系統COP都有很大幅度的下降；NH3/CO2與R449A/CO2系統的性能相近，當蒸發溫度為-45 ℃時，差距為0.98%～4.49%；當蒸發溫度為-25 ℃時，差距為1.35%～4.99%。

(3) 在CO2低溫級設置回熱器，復疊系統的COP小幅降低，對復疊系統性能影響不大。在復疊系統高溫級設置回熱器，R449A/CO2系統的COP大幅下降，R404A/CO2系統的COP增加，NH3/CO2系統的COP小幅降低。后續可在熱力學模型中研究回熱效率對復疊系統性能的影響。

(4) 相比于R404A，采用R449A作為高溫級制冷劑的系統性能更優越，對環境也更友好。與NH3/CO2系統的性能相近，R449A/CO2可在安全等級要求更高的場所替代NH3/CO2系統，具有良好的應用前景。