冷库CO2制冷系统设计及性能测试

李 爽

（大连冰山集团工程有限公司，辽宁 大连 116630）

随着全球人口持续增加和物质生活水平的提高，世界范围内的食物需求量不断增加，这也使食品供应行业获得了持续快速的增长。在各类食品工业中，冷链食物供应占有十分重要的地位，猪牛羊、海鲜等肉类的远距离运输都涉及冷链存储问题[1]。冷库对冷链食品供应起到了非常重要的作用。为了维持冷库的正常工作，制冷系统的设计十分关键。长期以来，冷库制冷系统以氟利昂为主要制冷剂[2]。但目前氟利昂对臭氧层的破坏作用已经得到充分证实，其已经无法作为主要制冷剂继续使用。在这种情况下，CO2作为一种替代品成为制冷剂的首选[3]。一方面，CO2的制备相对比较容易。另一方面，CO2对臭氧层没有破坏作用，是相对安全和环保的制冷材料。所以，以CO2为制冷剂的制冷系统设计就成为冷库建造的未来发展趋势。该文以此为研究内容，进行冷库的CO2制冷系统设计并通过试验进行性能测试。

1 冷库CO2制冷系统设计

为了实现冷库系统的制冷功能，CO2制冷系统一般要用到刀压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀、辅助设备等。通过这些关键组件的合理配置，形成循环复用的制冷回路，进而形成稳定可靠的制冷系统。

在冷库CO2制冷系统各构成组件中，压缩机是最重要的部分之一。压缩机位是为整个制冷过程提供动力的装置，同时压缩机也决定了CO2制冷系统的工作性能优劣。压缩机制冷的工作状态可以根据温度的不同分为两大类，一类是中低温情况下的压缩制冷，一类是高温情况下的压缩制冷。在中低温情况下的压缩制冷主要以CO2气体为工作介质；在高温情况下的压缩制冷，主要以NH3气体为工作介质。对冷库这种制冷范围比较大的工作场景，压缩机的结构形式可以采用半封闭的结构，这种结构制冷体积更大，热效率也可以达到较高的水平。需要注意的是，在压缩机工作过程中，制冷介质不能和电动机放置在一起，以免引起工作故障。

蒸发器是制冷效果实现的关键组件。当气态CO2节流以后变为液态，这时的CO2流过蒸发器，形成真正意义上的制冷剂。随着CO2由液态变成气态蒸发，吸取了大量的热能，然后通过蒸发器形成对外部环境空间的制冷。从结构形式上看，蒸发器一般采用多片管状的设计，这种设计可以增大CO2的交换面积，进而得到更好的制冷效果。

制冷过程中，压缩机会产生大量的高温气体，这就需要用冷凝器进行散热处理。以水冷板式冷凝器为例，当水泵提供动力后，用于冷却的液态水就可以和高温的NH3进行热量交换。当然，冷凝器也有采用风冷结构的。但相对而言水冷式的冷凝器不仅工作原理简单，散热效果更好，也不需要占用太多的空间。

在压缩机、蒸发器、冷凝器等关键组件的支撑下，该文设计的冷库CO2制冷系统结构如图1所示。

图1 该文设计的冷库CO2制冷系统结构

2 冷库CO2制冷系统热交换计算

为了确保CO2制冷系统的制冷量和制冷效果能够满足冷库的使用需求，需要对制冷系统中的关键组件进行热交换计算。这里，主要针对压缩机和蒸发器的热交换进行计算。

2.1 压缩机的热交换计算

对压缩机的热交换计算涉及压缩机的流量、压缩机的输出功率、压缩机的排气温度等关键指标。虽然这些指标不同，但是可以采用统一的多回归系数计算法。其中，压缩机流量的热交换计算如公式（1）所示。

式中：yq为压缩机流量；Te为蒸发温度；Tc为冷凝温度；c1为常数项回归系数；c2、c3为一次项回归系数；c4、c5、c6为二次项回归系数；c7、c8、c9、c10为三次项回归系数。

压缩机输出功率的热交换计算如公式（2）所示。

式中：yp为压缩机输出功率；Te为蒸发温度；Tc为冷凝温度；c1为常数项回归系数；c2、c3为一次项回归系数；c4、c5、c6为二次项回归系数；c7、c8、c9、c10为三次项回归系数。

压缩机制冷过程中的吸气总量，按照公式（3）计算。

式中：hs为压缩机制冷过程的吸气总量；hd为压缩机制冷过程的排气总量；W为压缩机制冷过程中的功率消耗；f为压缩机制冷过程的热损耗系数；V为压缩机制冷过程中的吸气比容；η为压缩机制冷过程中的等熵效率；m为压缩机制冷过程中的质量流量。

2.2 蒸发器的热交换计算

在CO2制冷系统的制冷过程中，蒸发器发挥了重要的作用。在蒸发器的热交换过程中，制冷剂一开始以液态形式存在，逐步进入液态、气态共存的状态，最后到具有较高温度的气体状态。

为了使蒸发器热交换计算趋于合理，在计算过程中要遵循这样几个假设条件：第一，制冷系统的蒸发器传热过程自始至终保持一种稳定的状态。第二，热交换过程中，忽略蒸发器一些局部微小单元的换热，如弯管微元处的换热。第三，热交换过程中，无论是气态还是液态的制冷剂，认为其流动方向都是和管道方向一致的。第四，热交换过程中，认为空气流动的方向与片状结构的延展方向一致。第五，热交换过程中，认为环境中的风量保持稳定并且均匀分布。

由此得到蒸发器热交换过程中制冷剂的动量守恒方程，如公式（4）所示。

式中：∆pr为蒸发器热交换过程中的压降；Gr为蒸发器换热管界面上的各种状态的制冷剂的流量；vro为蒸发器流出制冷剂的体积；vri为蒸发器流入制冷剂的体积；fr为热交换过程中的摩擦系数；L为参与热交换计算的微元长度；di为第i个换热管的直径大小。

3 冷库CO2制冷系统性能测试试验

3.1 五种制冷剂的选择

为了验证该文构建的冷库CO2制冷系统的设计效果，进一步进行性能测试试验。这里选择了五种制冷剂：第一种制冷剂是NH3，也称R717；第二种制冷剂是CO2，也称R744；第三种制冷剂是R404A，第四种制冷剂是R410A，第五种制冷剂是R134a。上述制冷剂的性能参数对比见表1。

表1 五种制冷剂的参数对比

从表1的主要参数看，五种制冷剂对臭氧层的破坏程度均为0，要明显强于氟利昂型制冷剂。从全球变暖指数看，R717即NH3的影响为0；R744即CO2的影响为1；其余三种制冷剂的影响则较大。

接下来分别选择高温环境、中温环境、低温环境三种不同工作条件下物种制冷剂制冷性能的变化。

3.2 高温环境对CO2制冷系统性能的影响

因为制冷系统的设计同时使用了高温回路和低温回路，这两种回路下又采用不同的制冷剂。因此，在高温环境下对制冷系统性能进行考察，将五种制冷剂分成四组进行配置，分别是：R717/R744，即NH3/CO2；R404A/R744，即R404A/CO2；R410A/R744，即R410/ACO2；R134a/R744，即R134a/CO2。四组配置下随着温度的变化，制冷系统制冷性能的变化如图2所示。

图2中，横坐标代表了温度的变化，从35℃一直升高到45℃；纵坐标代表了制冷性能参数，用COP表示。从图2可以看出，R717/R744，即NH3/CO2的制冷性能最好；其次是R410A/R744，即R410/ACO2；再次是R404A/R744，即R404A/CO2；最后是R134a/R744，即R134a/CO2。随着温度从35℃增加到45℃，R717/R744，即NH3/CO2的制冷性能也从1.8下降到了1.5。可见，温度升高对CO2制冷系统确实有一定程度的负面影响。

3.3 中温环境对CO2制冷系统性能的影响

在中温环境下对制冷系统性能进行考察，仍将五种制冷剂分成四组进行配置，分别是：R717/R744，即NH3/CO2；R404A/R744，即R404A/CO2；R410A/R744，即R410/ACO2；R134a/R744，即R134a/CO2。四组配置下随着温度的变化，制冷系统制冷性能的变化如图3所示。

图3中，横坐标代表了温度的变化，从2℃一直升高到10℃；纵坐标代表了制冷性能参数，用COP表示。从图2可以看出，R717/R744，即NH3/CO2的制冷性能最好；其次是R410A/R744，即R410/ACO2；再次是R404A/R744，即R404A/CO2；最后是R134a/R744，即R134a/CO2。随着温度从2℃增加到10℃，R717/R744，即NH3/CO2的制冷性能也从1.75下降到了1.5。可见，中温情况下，温度升高对CO2制冷系统也产生了一定程度的负面影响。

图2 高温情况下制冷系统制冷性能的变化曲线

图3 中温情况下制冷系统制冷性能的变化曲线

3.4 低温环境对CO2制冷系统性能的影响

在低温环境下对制冷系统性能的考察，仍将五种制冷剂分成四组进行配置，分别是：R717/R744，即NH3/CO2；R404A/R744，即R404A/CO2；R410A/R744，即R410/ACO2；R134a/R744，即R134a/CO2。四组配置下随着温度的变化，制冷系统制冷性能的变化如图4所示。

图4 低温情况下制冷系统制冷性能的变化曲线

图4中，横坐标代表了温度的变化，从-30℃一直升高到-20℃；纵坐标代表了制冷性能参数，用COP表示。从图2可以看出，R717/R744，即NH3/CO2的制冷性能最好；其次是R410A/R744，即R410/ACO2；再次是R404A/R744，即R404A/CO2；最后是R134a/R744，即R134a/CO2。随着温度从-30℃增加到-20℃，R717/R744，即NH3/CO2的制冷性能也从1.5增加到了1.85。可见，低温情况下，温度升高对CO2制冷系统也产生了一定程度的正面影响。这一点与高温和中温情况是有所区别的。

4 结论

随着冷链食品供应需求的不断增加，冷库及制冷系统的设计成为当前的热点研究之一。为了避免对臭氧层的持续破坏，CO2成为取代氟利昂的主要制冷剂。该文就是以冷库为对象，进行了CO2制冷系统设计。首先对压缩机、蒸发器、冷凝器等关键部件进行了分析，并由此进行了CO2制冷系统的结构设计。其次，以回归系数法对压缩机和蒸发器进行了热交换计算。最后，以五种制冷剂、四组制冷剂配置分别在高温、中温、低温环境下对CO2制冷系统进行了制冷性能的测试试验，试验结果表明：NH3/CO2组合制冷剂的制冷性能最好，高温和中温环境下的温度增加对制冷性能有抑制作用，但低温环境下的温度升高对制冷性能有增强作用。