過冷度對蒸氣壓縮式制冷循環性能的影響分析

謝英柏，朱海濤，陳 祎，單金玲

（ 華北電力大學，能源與動力工程學院，河北保定 071003）

0 引 言

長期以來，空調系統消耗能量一直占據著商業建筑能耗的很大部分，接近60%［2］，這主要是由于空冷形式中水資源短缺造成。這就導致空調制冷機組運行過程中，高低熱源的溫差較大，引起制冷效率降低［2］，并且，為了滿足制冷需求，壓縮機會經常性地處于高負荷運轉，既消耗能量，同時對整個空調制冷系統也是有損害的。因此，降低高低溫熱源間的溫差，即在冷凝器出口對制冷劑進行再次冷卻或過冷，將有效地提高制冷效率［3］。

近年來，國內外對蒸氣壓縮式制冷系統展開了很多研究，以改善制冷效率。過冷技術被廣泛地運用在中低溫域的蒸汽壓縮制冷系統里［4］，以節省能源。過冷方法大致有以下幾種:環境冷卻過冷;吸氣管道換熱設備作為熱匯以獲得過冷;增加外部熱匯以改造系統獲得過冷;使用機械過冷［5］。一些重要的成果和結論被提出來，促進了系統性能和效率的提高，達到了節約能源的效果。

文中針對以R134a為制冷工質的蒸氣壓縮式制冷循環制冷系統，引入過冷器，進行了理論分析。在此基礎上，對目前市場和設備中常見和常用的幾種制冷劑進行了計算分析，得到了過冷度的變化對制冷劑性能影響的相關數據和一些結論［6－9］。

1 蒸氣壓縮式過冷循環系統

蒸氣壓縮式過冷循環流程如圖1所示。

點0代表制冷劑由蒸發器出來的狀態，其為低溫低壓的飽和氣體;經過壓縮機吸氣管道，與周圍環境換熱，吸收環境熱量，達到過熱氣體狀態進入到壓縮機中，點1為進入壓縮機的狀態。點2表示經壓縮機壓縮后排出的制冷劑狀態，也是進入冷凝器入口處的狀態，其為過熱蒸氣狀態。過程1－2是等熵壓縮過程，即s1=s2。在冷凝器中，過熱蒸氣定壓冷卻到飽和蒸氣狀態，然后再從飽和蒸氣狀態定壓凝結到飽和液體狀態。點3為制冷劑在冷凝器出口的狀態，為飽和液體狀態，進入過冷器進行過冷過程，實現了降低高低溫熱源間的溫差的效果，此時變為過冷液體，即狀態點4，進入節流閥，進行絕熱節流，出口為低壓兩相狀態。點5表示節流閥出口，即蒸發器進口狀態。在蒸發器中制冷劑定壓蒸發。至此完成該循環。

若節流前的高壓液體處于過冷狀態，過冷對循環的影響可以由如圖2所示［6］分析得出。

上圖中，過程1－2－3－4－1是理論循環，1－2－3'－4'－1是有過冷的循環。過冷度Δt=T3－T3'。比焓相對于飽和液體，有明顯下降。從圖中可看出制冷量增加了Δq。由于單位理論功w0相同，因此液體過冷循環的制冷系數ε'0要比無過冷循環的制冷系數ε0大。本文將對其進行詳細的計算和分析。

圖1 蒸氣壓縮式過冷循環流程圖

圖2 過冷循環的p－h圖

2 建模與熱力計算

建模和計算假設:

(1)系統在穩態條件下運行。

(2)蒸發溫度和冷凝溫度均為定值;冷凝溫度取值范圍從45～60℃，蒸發溫度取值范圍從－15～10℃。

(3)忽略制冷劑在管路及換熱器內的流動損失和熱損失。

(4)壓縮機效率設為0.8;吸氣過熱度5℃。

3 不同過冷度下基本參數對循環性能性能的影響分析。如圖3所示。

3.1 蒸發/冷凝溫度對性能系數的影響分析

本節計算采用R134a為循環工質。在典型工況［7］下，當其他參數不變時，過冷度可取0～10 ℃［8］。計算過程，△t分別取為 0、2、4、6、8 ℃時，蒸發溫度對循環性能的影響進行計算分析。

圖3 COP和蒸發溫度的關系

對于計算結果，利用插值法進行分析。隨著蒸發溫度的增加，循環COP明顯增加。當蒸發溫度在－15～－4℃時，過冷度增加1℃，COP約增加1.1% ～1.5%;而當蒸發溫度在 －4～5℃時，COP約增加0.7% ～1.1%。可得出結論，在較高蒸發溫度時，過冷對循環COP的提高呈增加趨勢，較明顯地增加了因蒸發溫度提高帶來的COP的提高。

對不同的過冷度，即△t分別為0、2、4、6和8℃時，冷凝器出口溫度對循環性能的影響進行計算分析。

圖4 COP和冷凝溫度的關系

如圖4所示，隨著冷凝溫度的增加，循環COP明顯降低。當冷凝溫度在45℃到60℃下，過冷度增加1℃，COP約增加1.1% ～1.3%。在較高冷凝溫度時，液體的過冷明顯提高了循環的性能，對冷凝溫度增加帶來的COP降低有一定的抵消作用。

3.2 蒸發/冷凝溫度對單位質量制冷量的影響分析

在給定工況下，當其他參數不變時，對不同的過冷度下，即△t分別為0、2、4、6 和8℃時，蒸發溫度對循環制冷量的影響進行計算分析。

如圖5所示。隨著蒸發溫度的增加，循環的制冷量明顯升高。當冷凝溫度在45～60℃之間時，過冷度增加1℃，COP約增加0.6% ～1.2%。并且冷凝溫度越高，COP增加越大。可得出結論，在較高蒸發溫度時，過冷對循環COP的提高呈增加趨勢［9］。

圖5 單位質量制冷量和蒸發溫度的關系

在給定工況下，當其他參數不變時，對不同的過冷度，即△t分別為0、2、4、6 和8 ℃時，冷凝溫度對循環制冷量的影響進行計算分析。

如圖6所示隨著冷凝溫度的增加，循環的制冷量明顯降低，約為。當冷凝溫度在45～60℃之間時，過冷度增加1℃，單位質量制冷量約增加0.7% ～1.1%。并且冷凝溫度越高，制冷量增加越大。

圖6 單位質量制冷量和冷凝溫度的關系

4 過冷度對多種常用制冷劑循環性能的影響分析

在同一工況下，設定蒸發溫度為－5℃，冷凝溫度為30℃，對多種常用制冷劑進行建模和計算，結果如圖7所示。

圖7 COP＇/COP和過冷度的關系

選取常用的氟利昂類、碳氫化合物以及無機物制冷工質作為典型代表，進行了模擬計算。由圖可分析得，采用過冷后的工質的循環COP＇與普通循環的COP的比值，CO2和乙烷受過冷度影響比較大;對R717影響較小。

如圖8所示，CO2、R717隨過冷度的提高，其制冷量增加得最快，其次是丙烷和乙烷類碳氫化合物，而氟利昂類工質趨勢相似，增加趨勢較小。

由于氟氯昂類工質的結果相近，對其進行繪圖比較。如圖9所示。

圖8 制冷量變化量和過冷度的關系

圖9 COP＇/COP的值和過冷度的關系

從圖9中可以得出結論，COP＇/COP的值隨著過冷度增大，均出現較明顯的線性增長。增長率在0.31% ～0.80%之間，其中工質R142b增長率最高為0.8%。

圖10 制冷量變化量和過冷度的關系

從圖10中可看出，單位質量制冷量的改變值隨著過冷度增大，呈現線性增長。增長率在0.28% ～0.79%之間，其中R22和R134a在過冷度不高的時候，其制冷量增加量就體現出了效率高的優勢。

5 結論

(1)過冷總能提高蒸氣壓縮制冷循環的性能;

(2)在蒸發溫度較高時，過冷對循環COP的提高呈增加趨勢，較明顯地增加了循環的COP;而冷凝溫度較高時，液體的過冷明顯提高了循環的性能，對冷凝溫度增加帶來的COP降低有一定的抵消作用。

(3)CO2、乙烷等工質的循環COP提高與否和循環的過冷度有很大關聯;制冷量的提高方面，碳氫化合物和無機物提高較多，而氟氯昂類制冷劑提高較少。

(4)在氟氯昂類制冷劑中，性能隨過冷度變化的趨勢相似。R142b、R134a、R22對于受過冷度影響比較大。

下一步，將進行更廣泛的調研，對如何在控制設備的使用和維護成本前提下，獲得更多過冷進行探索。

過冷對蒸氣壓縮式制冷循環的性能有不可低估的作用。在制冷設備的設計與使用維護時，盡量利用各種裝置和方法提高過冷度，保證蒸氣壓縮制冷系統較高效的運行，以節省能源。

［1］吳業正.制冷及低溫技術原理［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［2］GB50189－2005標準.公共建筑節能設計標準［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］劉春濤.R22循環性能分析及其替代工質研究［D］.保定:華北電力大學，2007.

［7］王 瀟.低溫地面輻射供暖系統調節的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2006.

［8］［S］.蒸氣壓縮循環冷水(熱泵)機組，工商業用和類似用途的冷水(熱泵)機組.