回热器与制冷工质对复叠制冷系统性能的影响

梁 政 申 江 韩思雨

(天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津 300134)

冷链是为了保障生鲜农产品的质量和降低损耗的低温供应链系统，形成的一条由采收或捕捞后迅速预冷—冷库—冷藏运输—批发站冷库—商场冷柜—消费者冰箱组合而成的“冷链系统”[1]。复叠制冷系统和双级压缩制冷系统可满足低温冷库大温差、宽温区的需要，而在蒸发温度较低时，复叠制冷系统的性能优于双级压缩制冷系统[2]。

Tripathy等[3]对NH3/CO2复叠制冷系统进行了热力学分析，确定了最佳性能系数COP以及最佳低温冷凝温度的数学关联式。Dubey等[4]对CO2/R1270的跨临界复叠制冷系统进行了理论研究，归纳出了最佳低温级冷凝温度、COP以及制冷剂质量流量比的回归方程。杨俊兰等[5]通过模拟发现R290/CO2系统的COP优于R404A/CO2。张晓儒[6]研究发现R404A/CO2系统在高温级带回热器时性能最佳。Mishra[7]通过建立热力学模型，对R1234ze/R1234yf、R1234ze/R134a和R1234yf/R134a 3种复叠系统进行了研究，随着低温级蒸发温度的降低，第一定律和第二定律效率增加，火用损率降低，并确定了3种复叠系统的最佳高温级蒸发温度。孙志利等[8]研究发现，三级复叠制冷系统最主要的火用损失部件是冷凝器，冷凝器火用损失占比随蒸发温度的升高而升高，并提出了三级复叠系统最佳制冷剂组合方案为R1150/R170/R717。郭晓颖等[9]通过EES编程，对比分析了蒸发温度、冷凝温度、冷凝蒸发传热温差对R1234yf /R744 和R134a /R744 两种复叠式制冷系统性能的影响。Sun等[10]研究发现，在高温级采用机械过冷和辅助膨胀机可以提高系统的整体性能，并对R744/R744复叠系统代替R744/R717复叠系统进行了可行性分析。Massuchetto等[11]建立了热力学模型，发现与使用纯制冷剂的复叠系统相比，使用混合制冷剂的R744/RE170复叠系统具有更好的性能。Roy等[12]研究发现，与R41/R404A系统相比，R170/R161系统的最佳COP更高，压缩机耗功更低。刘寒等[13]对自行设计的R404A/R23复叠制冷系统进行试验，分析了蒸发温度和冷凝温度与系统性能的规律。

目前，中国应用较多的复叠制冷系统主要是NH3/CO2和R404A/CO2复叠式制冷系统，NH3作为自然工质，价格低廉，臭氧破坏潜能值 (ODP) 为 0，全球变暖潜能值(GWP)为 0，性能优良，但NH3是有毒物质并会燃烧，充注量受到了一定的限制[14]。R404A由于其GWP值高达3 943，2020年后在40 t CO2当量以上新的制冷设备中(军用设备及-50 ℃冷冻设备除外)将被禁止使用。R449A作为R404A的替代制冷剂，是一款HFOs制冷剂，ODP值为0，适用于新设备安装及现有系统改造，能改善能效，减少环境破坏，GWP值为1 282，相比R404A降幅达65%。制冷剂CO2、NH3、R404A、R449A的物性参数见表1。

文章拟建立CO2复叠制冷系统数学模型，CO2作为低温级制冷剂，R449A、R404、NH3作为高温级制冷剂，采用控制变量法，对比分析低温级冷凝温度、高温级冷凝温度及回热器对以上3种系统性能的影响，旨在为复叠系统的改进升级提供依据。

1 系统概述

1.1 系统原理

复叠制冷系统原理图如图1所示，分为高温级和低温级，中间由冷凝蒸发器连接，复叠制冷系统的高、低温级工作流程如下。

(1) CO2低温级循环：由CO2气液分离器16气液分离后的CO2蒸气进入CO2压缩机17被压缩，再经CO2油分离器18进入冷凝蒸发器10冷凝放热；冷凝后的制冷剂液体进入CO2储液器11，经CO2干燥过滤器12干燥过滤后，由CO2电子膨胀阀14节流为气液两相混合物后进入CO2蒸发器15中蒸发吸热，随后从CO2蒸发器15输出的低温低压的气液混合物进入CO2气液分离器16进行气液分离后被吸入CO2压缩机17，如此循环往复。

表1 不同制冷剂的物性参数

1. 高温级压缩机 2. 油位电磁阀 3. 油分离器 4. 高温级风冷冷凝器 5. 高温级储液器 6. 干燥过滤器 7. 供液电磁阀 8. 电子膨胀阀 9. 气液分离器 10. 冷凝蒸发器 11. CO2储液器 12. CO2干燥过滤器 13. CO2供液电磁阀 14. CO2电子膨胀阀 15. CO2蒸发器 16. CO2气液分离器 17. CO2压缩机 18. CO2油分离器 19. CO2油位电磁阀

(2) 高温级循环：从冷凝蒸发器10输出的气液两相制冷剂经气液分离器9进行分离后，进入高温级压缩机1被压缩为高温高压蒸气，经油分离器3进入高温级风冷冷凝器4冷凝放热，冷凝后的制冷剂液体进入高温级储液器5，再经干燥过滤器6干燥过滤，通过电子膨胀阀8节流降压后进入冷凝蒸发器10蒸发吸收CO2低温级的冷凝热，如此循环往复。

1.2 系统模拟

对速冻和冷冻工况下的复叠制冷系统进行模拟(如表2所示)。分析不同运行参数对复叠制冷系统性能的影响，对比R449A/CO2、R404A/CO2、NH3/CO2复叠制冷系统在不同工况下的性能表现。为提高低温工况下复叠制冷系统的性能，在系统中设置回热器是较常见的优化方式，分别在复叠制冷系统低温级和高温级设置回热器以研究回热器位置对系统性能的影响，工况参数如表3所示。图2分别为低温级带回热器和高温级带回热器的原理图。

2 热力学模型的建立

根据质量守恒和能量守恒原理建立复叠制冷系统的热力学模型，对该系统循环进行理论计算，复叠制冷系统低温级与高温级工作流程的压焓图如图3所示。6→1为CO2在低温级蒸发器中等压蒸发吸收外界热量的过程，1→2为CO2进入低温级压缩机吸气口前的过热过程，2→3为低温级压缩机理论等熵压缩过程，2→3’为低温级压缩机实际等熵压缩过程，3’ →4为CO2在冷凝蒸发器中冷却冷凝并将热量释放给高温级系统的过程，4→5为CO2节流前过冷的过程，5→6为CO2通过节流阀等焓节流过程；12→7为高温级制冷剂在冷凝蒸发器中等压蒸发吸收低温级系统冷却冷凝热量的过程，7→8为制冷剂进入高温级压缩机吸气口前的过热过程，8→9为高温级压缩机理论等熵压缩过程，8→9’为高温级压缩机实际等熵压缩过程，9’→10为制冷剂在高温级冷凝器中冷却冷凝并将热量释放给外界冷却介质的过程，10→11为高温级制冷剂节流前的过冷过程，11→12为高温级制冷剂通过节流阀等焓节流过程。利用Matlab编写模拟程序，调用Refpropm9.1中的CO2、NH3、R404A及R449A的物性参数。为简化理论分析过程，进行如下假设：① 复叠制冷系统各部件状态稳定；② 高、低温压缩机压缩过程均为等熵压缩；③ 管道及换热器内制冷剂流动的动能变化、阻力损失忽略不计；④ 节流过程焓值不变；⑤ 除蒸发器和冷凝器外，制冷剂与环境之间不发生热交换，回热器和冷凝蒸发器换热过程无能量损失。

低温系统制冷剂质量流量：

qmL=QL/(h1-h6)，

(1)

式中：

qmL——低温系统制冷剂质量流量，kg/s；

QL——低温系统制冷量，kW；

h1——低温系统蒸发器出口焓值，kJ/kg；

h6——低温系统蒸发器进口焓值，kJ/kg。

低温压缩机理论耗功WLs：

WLs=qmL(h3-h2)，

(2)

式中：

WLs——低温压缩机理论耗功，kW；

h3——低温系统压缩机出口理论焓值，kJ/kg。

低温压缩机实际耗功WL：

WL=WLs/ηL，

(3)

式中：

WL——低温压缩机实际耗功，kW；

ηL——低温系统压缩机等熵效率。

表2 不带回热器的复叠制冷系统模拟工况

表3 带回热器的复叠制冷系统模拟工况†

1. 蒸发器 2. 低温级压缩机 3. 冷凝蒸发器 4. 节流阀 5. 高温级压缩机 6. 冷凝器 7. 节流阀 8. 回热器

图3 复叠制冷系统压焓图

低温系统性能系数COPL：

COPL=QL/WL，

(4)

式中：

COPL——低温系统性能系数。

低温系统热负荷QL,cond:

QL,cond=qmL(h3′-h4)，

(5)

式中：

h3′——低温系统压缩机出口焓值，kJ/kg；

h4——冷凝蒸发器低温级出口焓值，kJ/kg。

高温系统制冷剂质量流量：

qmH=QL,cond/(h7-h12)，

(6)

式中：

qmH——高温系统制冷剂质量流量，kg/s；

h7——高温系统蒸发器出口焓值，kJ/kg；

h12——高温系统蒸发器进口焓值，kJ/kg。

高温压缩机理论耗功WHs：

WHs=qmH(h9-h8)，

(7)

式中：

WHs——高温压缩机理论耗功，kW；

h9——高温系统压缩机出口理论焓值，kJ/kg。

高温系统压缩机实际耗功WH：

WH=WHs/ηH，

(8)

式中：

WH——高温系统实际耗功，kW；

ηH——高温系统压缩机等熵效率。

高温系统性能系数COPH：

COPH=QL,cond/WH，

(9)

式中：

COPH——高温系统性能系数。

复叠制冷系统性能系数COP:

COP=QL/(WH+WL)，

(10)

式中：

COP——复叠制冷系统性能系数。

3 结果与讨论

3.1 低温级冷凝温度对不带回热器的复叠制冷系统性能的影响

由图4可知，一定蒸发温度和冷凝温度下，随着低温级冷凝温度的增大，复叠系统的COP先增大后减小，是因为随着低温级冷凝温度的增大，系统低温级蒸发温度不变，低温级压缩机压比增大，所以CO2低温级压缩机耗功增大；同理，高温级蒸发温度随低温级冷凝温度的增大而增大，而系统高温级冷凝温度不变，高温级压缩机压比减小，所以高温级压缩机耗功减小，因系统制冷量保持不变，当压缩机总耗功在某一点到达最小值时系统性能最优。当低温级蒸发温度-45 ℃时，NH3/CO2、R449A/CO2、R404A/CO2的最佳低温级冷凝温度分别为-21，-20，-14 ℃；当低温级蒸发温度-25 ℃时，NH3/CO2、R449A/CO2、R404A/CO2的最佳低温级冷凝温度分别为-11，-10，-5 ℃。NH3/CO2系统的最佳低温级冷凝温度小于R449A/CO2和R404A/CO2系统。对比3种系统的性能系数，NH3/CO2系统的COP优于R449A/CO2和R404A/CO2系统；当低温级蒸发温度-45 ℃时， NH3/CO2系统的最佳COP分别比R449A/CO2和R404A/CO2系统高1.82%，7.34%；当低温级蒸发温度-25 ℃时，NH3/CO2系统的最佳COP分别比R449A/CO2和R404A/CO2系统高2.09%，7.19%。

3.2 高温级冷凝温度对不带回热器的复叠制冷系统性能的影响

由图5可知，不同高温级制冷剂复叠系统的COP随高温级冷凝温度的增大而下降，是因为在低温级蒸发温度不变时，复叠系统低温级制冷量不变，高温级冷凝温度升高，高温级压缩机排气压力增大，压比增大，使得高温级压缩机耗功增加，系统总耗功增加。NH3/CO2与R449A/CO2系统的性能接近，当蒸发温度为-45 ℃时，差距为0.98%～4.49%；当蒸发温度为-25 ℃时，差距为1.35%～4.99%。-25 ℃时3种复叠系统的COP相比-45 ℃ 时均大幅提升，是因为实际运行中蒸发温度提高，复叠系统制冷量和低温级压缩机耗功均减小，但制冷量的减小程度远小于压缩机耗功的减小程度，所以系统COP提高。当高温级冷凝温度从30 ℃变化到40 ℃，低温级蒸发温度为-45 ℃时，R449A/CO2、R404A/CO2、NH3/CO2系统的COP分别下降了16.47%，16.39%，13.56%；当低温级蒸发温度为-25 ℃时，R449A/CO2、R404A/CO2、NH3/CO2系统的COP分别下降了19.66%，19.35%，16.77%。实际应用中，应尽量降低复叠系统的高温级冷凝温度。

图4 复叠制冷系统COP随低温级冷凝温度的变化

3.3 回热过冷度对低温级带回热器的复叠制冷系统性能和回热过热度的影响

由图6可知，低温级带回热器的复叠制冷系统的COP随回热过冷度的增大而降低。制冷系统的回热过冷度增大会使单位制冷量增加，但回热过热度同样也会增大，使得压缩机吸气比体积增大，系统制冷剂流量减少，压缩机单位耗功增加，当采用不同制冷剂时，系统COP表现出不同的变化趋势，制冷系统性能系数可能增大，也可能减小。对于低温级采用CO2的复叠系统，低温级回热过冷度增大，使得低温级回热过热度增大，并且由于液体的比热始终大于气体的比热，回热过热度始终大于回热过冷度。根据能量守恒定律，低温级压缩机耗功增加，高温级系统制冷量增加，高温级压缩机耗功增加，但复叠系统的制冷量增加值小于压缩机耗功的增加值，因此低温级采用CO2作为制冷剂的复叠系统性能下降。经计算，回热过冷度每提高1 ℃，当低温级蒸发温度-45 ℃时，R449A/CO2、R404A/CO2、NH3/CO2系统的COP分别下降约0.22%，0.26%，0.21%；当低温级蒸发温度-25 ℃ 时，R449A/CO2、R404A/CO2、NH3/CO2系统的COP分别下降约0.17%，0.21%，0.14%。而采用CO2作为低温级制冷剂的复叠系统，在低温级设置回热器对其性能不利，但影响不大。

3.4 回热过冷度对高温级带回热器的复叠制冷系统性能和回热过热度的影响

由图7可知，当采用不同高温级制冷剂时，复叠制冷系统的COP随回热过冷度增加的变化趋势不同，一定低温级蒸发温度下，低温级系统制冷量不变，高温级系统性能是影响复叠制冷系统性能的主要因素，而高温级采用的制冷剂不同，回热器对其系统性能的影响也不同。经计算，回热过冷度每提高1 ℃，当低温级蒸发温度为-45 ℃ 时，R449A/CO2、NH3/CO2系统的COP分别下降约1.96%，0.33%，R404A/CO2系统的COP增加约0.23%；当低温级蒸发温度为-25 ℃时，R449A/CO2、NH3/CO2系统的COP分别下降约2.65%，0.35%，R404A/CO2系统的COP增加约0.21%。低温级蒸发温度-45 ℃下，当高温级回热过冷度>3 ℃时，R449A/CO2系统性能低于R404A/CO2系统；低温级蒸发温度-25 ℃下，当高温级回热过冷度>2 ℃时，R449A/CO2系统性能低于R404A/CO2系统。说明高温级设置回热器对R449A/CO2系统的性能有很大损害，实际中应避免在R449A系统中设置回热器，R404A/CO2系统性能小幅提升，NH3/CO2系统性能小幅降低。

图5 复叠制冷系统COP随高温级冷凝温度的变化

图6 复叠制冷系统COP随低温级回热过冷度的变化

图7 复叠制冷系统COP随高温级回热过冷度的变化

4 结论

对比分析了R449A/CO2、R404A/CO2、NH3/CO2复叠制冷系统在不同工况下的性能表现，并模拟了回热器对3种复叠制冷系统性能的影响，得出以下结论。

(1) 复叠制冷系统存在最佳的低温级冷凝温度，且NH3/CO2系统的最佳低温级冷凝温度小于R449A/CO2和R404A/CO2系统。当低温级蒸发温度为-45 ℃时，NH3/CO2系统的最佳性能系数COP分别比R449A/CO2和R404A/CO2系统高1.82%，7.34%；当低温级蒸发温度为-25 ℃时，NH3/CO2系统的最佳COP分别比R449A/CO2和R404A/CO2系统高2.09%，7.19%。

(2) 高温级冷凝温度增大，3种复叠系统COP都有很大幅度的下降；NH3/CO2与R449A/CO2系统的性能相近，当蒸发温度为-45 ℃时，差距为0.98%～4.49%；当蒸发温度为-25 ℃时，差距为1.35%～4.99%。

(3) 在CO2低温级设置回热器，复叠系统的COP小幅降低，对复叠系统性能影响不大。在复叠系统高温级设置回热器，R449A/CO2系统的COP大幅下降，R404A/CO2系统的COP增加，NH3/CO2系统的COP小幅降低。后续可在热力学模型中研究回热效率对复叠系统性能的影响。

(4) 相比于R404A，采用R449A作为高温级制冷剂的系统性能更优越，对环境也更友好。与NH3/CO2系统的性能相近，R449A/CO2可在安全等级要求更高的场所替代NH3/CO2系统，具有良好的应用前景。