过冷度对蒸气压缩式制冷循环性能的影响分析

谢英柏，朱海涛，陈 祎，单金玲

（ 华北电力大学，能源与动力工程学院，河北保定 071003）

0 引 言

长期以来，空调系统消耗能量一直占据着商业建筑能耗的很大部分，接近60%［2］，这主要是由于空冷形式中水资源短缺造成。这就导致空调制冷机组运行过程中，高低热源的温差较大，引起制冷效率降低［2］，并且，为了满足制冷需求，压缩机会经常性地处于高负荷运转，既消耗能量，同时对整个空调制冷系统也是有损害的。因此，降低高低温热源间的温差，即在冷凝器出口对制冷剂进行再次冷却或过冷，将有效地提高制冷效率［3］。

近年来，国内外对蒸气压缩式制冷系统展开了很多研究，以改善制冷效率。过冷技术被广泛地运用在中低温域的蒸汽压缩制冷系统里［4］，以节省能源。过冷方法大致有以下几种:环境冷却过冷;吸气管道换热设备作为热汇以获得过冷;增加外部热汇以改造系统获得过冷;使用机械过冷［5］。一些重要的成果和结论被提出来，促进了系统性能和效率的提高，达到了节约能源的效果。

文中针对以R134a为制冷工质的蒸气压缩式制冷循环制冷系统，引入过冷器，进行了理论分析。在此基础上，对目前市场和设备中常见和常用的几种制冷剂进行了计算分析，得到了过冷度的变化对制冷剂性能影响的相关数据和一些结论［6－9］。

1 蒸气压缩式过冷循环系统

蒸气压缩式过冷循环流程如图1所示。

点0代表制冷剂由蒸发器出来的状态，其为低温低压的饱和气体;经过压缩机吸气管道，与周围环境换热，吸收环境热量，达到过热气体状态进入到压缩机中，点1为进入压缩机的状态。点2表示经压缩机压缩后排出的制冷剂状态，也是进入冷凝器入口处的状态，其为过热蒸气状态。过程1－2是等熵压缩过程，即s1=s2。在冷凝器中，过热蒸气定压冷却到饱和蒸气状态，然后再从饱和蒸气状态定压凝结到饱和液体状态。点3为制冷剂在冷凝器出口的状态，为饱和液体状态，进入过冷器进行过冷过程，实现了降低高低温热源间的温差的效果，此时变为过冷液体，即状态点4，进入节流阀，进行绝热节流，出口为低压两相状态。点5表示节流阀出口，即蒸发器进口状态。在蒸发器中制冷剂定压蒸发。至此完成该循环。

若节流前的高压液体处于过冷状态，过冷对循环的影响可以由如图2所示［6］分析得出。

上图中，过程1－2－3－4－1是理论循环，1－2－3'－4'－1是有过冷的循环。过冷度Δt=T3－T3'。比焓相对于饱和液体，有明显下降。从图中可看出制冷量增加了Δq。由于单位理论功w0相同，因此液体过冷循环的制冷系数ε'0要比无过冷循环的制冷系数ε0大。本文将对其进行详细的计算和分析。

图1 蒸气压缩式过冷循环流程图

图2 过冷循环的p－h图

2 建模与热力计算

建模和计算假设:

(1)系统在稳态条件下运行。

(2)蒸发温度和冷凝温度均为定值;冷凝温度取值范围从45～60℃，蒸发温度取值范围从－15～10℃。

(3)忽略制冷剂在管路及换热器内的流动损失和热损失。

(4)压缩机效率设为0.8;吸气过热度5℃。

3 不同过冷度下基本参数对循环性能性能的影响分析。如图3所示。

3.1 蒸发/冷凝温度对性能系数的影响分析

本节计算采用R134a为循环工质。在典型工况［7］下，当其他参数不变时，过冷度可取0～10 ℃［8］。计算过程，△t分别取为 0、2、4、6、8 ℃时，蒸发温度对循环性能的影响进行计算分析。

图3 COP和蒸发温度的关系

对于计算结果，利用插值法进行分析。随着蒸发温度的增加，循环COP明显增加。当蒸发温度在－15～－4℃时，过冷度增加1℃，COP约增加1.1% ～1.5%;而当蒸发温度在 －4～5℃时，COP约增加0.7% ～1.1%。可得出结论，在较高蒸发温度时，过冷对循环COP的提高呈增加趋势，较明显地增加了因蒸发温度提高带来的COP的提高。

对不同的过冷度，即△t分别为0、2、4、6和8℃时，冷凝器出口温度对循环性能的影响进行计算分析。

图4 COP和冷凝温度的关系

如图4所示，随着冷凝温度的增加，循环COP明显降低。当冷凝温度在45℃到60℃下，过冷度增加1℃，COP约增加1.1% ～1.3%。在较高冷凝温度时，液体的过冷明显提高了循环的性能，对冷凝温度增加带来的COP降低有一定的抵消作用。

3.2 蒸发/冷凝温度对单位质量制冷量的影响分析

在给定工况下，当其他参数不变时，对不同的过冷度下，即△t分别为0、2、4、6 和8℃时，蒸发温度对循环制冷量的影响进行计算分析。

如图5所示。随着蒸发温度的增加，循环的制冷量明显升高。当冷凝温度在45～60℃之间时，过冷度增加1℃，COP约增加0.6% ～1.2%。并且冷凝温度越高，COP增加越大。可得出结论，在较高蒸发温度时，过冷对循环COP的提高呈增加趋势［9］。

图5 单位质量制冷量和蒸发温度的关系

在给定工况下，当其他参数不变时，对不同的过冷度，即△t分别为0、2、4、6 和8 ℃时，冷凝温度对循环制冷量的影响进行计算分析。

如图6所示随着冷凝温度的增加，循环的制冷量明显降低，约为。当冷凝温度在45～60℃之间时，过冷度增加1℃，单位质量制冷量约增加0.7% ～1.1%。并且冷凝温度越高，制冷量增加越大。

图6 单位质量制冷量和冷凝温度的关系

4 过冷度对多种常用制冷剂循环性能的影响分析

在同一工况下，设定蒸发温度为－5℃，冷凝温度为30℃，对多种常用制冷剂进行建模和计算，结果如图7所示。

图7 COP＇/COP和过冷度的关系

选取常用的氟利昂类、碳氢化合物以及无机物制冷工质作为典型代表，进行了模拟计算。由图可分析得，采用过冷后的工质的循环COP＇与普通循环的COP的比值，CO2和乙烷受过冷度影响比较大;对R717影响较小。

如图8所示，CO2、R717随过冷度的提高，其制冷量增加得最快，其次是丙烷和乙烷类碳氢化合物，而氟利昂类工质趋势相似，增加趋势较小。

由于氟氯昂类工质的结果相近，对其进行绘图比较。如图9所示。

图8 制冷量变化量和过冷度的关系

图9 COP＇/COP的值和过冷度的关系

从图9中可以得出结论，COP＇/COP的值随着过冷度增大，均出现较明显的线性增长。增长率在0.31% ～0.80%之间，其中工质R142b增长率最高为0.8%。

图10 制冷量变化量和过冷度的关系

从图10中可看出，单位质量制冷量的改变值随着过冷度增大，呈现线性增长。增长率在0.28% ～0.79%之间，其中R22和R134a在过冷度不高的时候，其制冷量增加量就体现出了效率高的优势。

5 结论

(1)过冷总能提高蒸气压缩制冷循环的性能;

(2)在蒸发温度较高时，过冷对循环COP的提高呈增加趋势，较明显地增加了循环的COP;而冷凝温度较高时，液体的过冷明显提高了循环的性能，对冷凝温度增加带来的COP降低有一定的抵消作用。

(3)CO2、乙烷等工质的循环COP提高与否和循环的过冷度有很大关联;制冷量的提高方面，碳氢化合物和无机物提高较多，而氟氯昂类制冷剂提高较少。

(4)在氟氯昂类制冷剂中，性能随过冷度变化的趋势相似。R142b、R134a、R22对于受过冷度影响比较大。

下一步，将进行更广泛的调研，对如何在控制设备的使用和维护成本前提下，获得更多过冷进行探索。

过冷对蒸气压缩式制冷循环的性能有不可低估的作用。在制冷设备的设计与使用维护时，尽量利用各种装置和方法提高过冷度，保证蒸气压缩制冷系统较高效的运行，以节省能源。

［1］吴业正.制冷及低温技术原理［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［2］GB50189－2005标准.公共建筑节能设计标准［S］.

［3］Abdel-Nabi D Y，Zubair，S M，Abdelrahman，et al.Regression analysis of a residential air conditioning energy consumption in Dhahran，Saudi Arabia［J］.ASHRAE Transactions 199，96:223 －232.

［4］Qureshi B A，Zubair S M.Mechanical sub－cooling vaporcompression systems－current status and future directions.International Journal of Refrigeration［J］.2013.

［5］Bilal Ahmed Qureshi，Syed M Zubair.The effect of refrigerant combinations on performance of a vapor compression refrigeration system with dedicated mechanical sub－cooling.Internationl journal of refrigeration［J］.2012，(35):47 －57.

［6］刘春涛.R22循环性能分析及其替代工质研究［D］.保定:华北电力大学，2007.

［7］王 潇.低温地面辐射供暖系统调节的研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2006.

［8］［S］.蒸气压缩循环冷水(热泵)机组，工商业用和类似用途的冷水(热泵)机组.