R1270/CO₂復疊式制冷系統熱力學分析與研究

任繼鵬 孫遠新 張良

摘 要： 針對R1270/CO2復疊式制冷系統，本文結合系統循環原理和制冷劑物性完成了系統熱力學分析模型的建立，通過對系統熱力學性能展開分析提出了適當降低冷凝溫度和提高蒸發溫度的優化建議，從而使系統維持良好運行性能，滿足冷鏈管理需求。

關鍵詞： R1270/CO2;復疊式制冷系統;熱力學分析

引言：

復疊式制冷系統由兩個單級制冷循環復疊而成，可以劃分為高溫級系統和低溫級系統，利用冷凝蒸發器連接。其中，高溫端制冷劑采用R1270，低溫端制冷劑采用CO2，均能在冷凝蒸發器中完成蒸發過程。而系統R1270蒸汽會進入相應壓縮機，通過冷凝器實現熱量傳遞，完成從高溫端→壓縮機→冷凝器→膨脹閥→冷凝蒸發器的循環過程。系統CO2液體將進入節流裝置，在蒸發器中對被冷卻介質的熱量進行吸收，在壓縮機中完成從低溫端→壓縮機→冷凝蒸發器→膨脹閥→蒸發器的循環過程。在理想狀態下，系統高溫端制冷循環得到的蒸發制冷量與低溫端循環得到的冷凝熱負荷相等。

1系統制冷劑的物性分析

系統高溫端制冷劑R1270屬于HCs制冷劑，ODP和GWP分別為0和20，給臭氧層帶來的破壞微乎其微，帶有環境友好性特點。R1270臨界溫度為92℃，臨界壓力為4.5MPa，汽化潛熱達439kJ/kg。然而從安全性角度來看，該物質安全系數為A3，所以需要對其熱力學性質進行分析，確定能否在制冷系統中使用。系統低溫端制冷劑CO2屬于天然工質，ODP和GWP分別為0和1，帶有環境友好性特點。在冷鏈行業應用，由于CO2擁有穩定化學性質，無毒不可燃，所以具有較好安全性，安全系數為A1，即便泄露也不會引發污染。從制冷效果來看，CO2擁有較低運動黏度和較高熱導率，具有較大潛熱和制冷能力，可以達到31℃的臨界溫度，臨界壓力為7.4MPa，汽化潛熱達573kJ/kg，能夠滿足復疊式制冷系統的要求。

2系統熱力學模型的建立

系統由兩個制冷循環復疊構成，所以具有一定復雜性，需要在不同條件下對系統熱力學性能進行分析，確定兩種制冷劑的能量數量關系，確定系統在能量轉換和傳遞過程中的品質。結合這一思路建立系統熱力學模型，需要在確定制冷量的基礎上，對系統COP、？損和制冷劑質量流量受蒸發溫度、冷凝溫度、傳熱溫差和低溫級冷凝溫度的影響，從而獲得系統最佳性能系數，實現系統合理設計和科學運行。實際建立模型時，還要假設系統始終保持穩定流態，無過熱或過冷現象，并且能夠實現絕熱壓縮，忽略系統循環壓降。根據假設條件，可以得到系統低溫級壓縮機功率PeL計算方法。如式（1），ηiL指的是低溫級壓縮機指示效率，ηmL為對應機械效率，ηmoL則是電動機效率，h1和h2為低溫級壓縮機進口和出口焓值，h5為低溫級蒸發器入口焓值。

由于冷凝蒸發器的熱負荷Qk=Q0（h2-h4）/（h1-h5），Q0為制冷量，因此可以得到高溫壓縮機實際功率PeH。式中，ηiH指的是高溫級壓縮機指示效率，ηmH和ηmoH則是對應機械效率和電動機效率，h6和h7為高溫級壓縮機進口和出口焓值，h10為高溫級蒸發器入口焓值。

根據質量流比，可以得到系統COP=Q0/（PeL+PeH）。系統? ? ?損I由低溫級和高溫級的壓縮? ? ?損、節流? ? ?損、蒸發? ? ?損構成，還要根據系統環境溫度T0，冷卻介質溫度Tr和蒸發溫度Te確定。結合系統運行工況可知，系統制冷量達2kW，低溫級蒸發溫度在[-45℃，-25℃]范圍內，冷凝溫度在[-15℃，5℃]范圍內，高溫級蒸發溫度在[-20℃，0℃]范圍內，冷凝溫度在[35℃，50℃]范圍內，蒸發器傳熱溫差在[3℃，7℃]范圍內。而系統壓縮機總效率達0.7，環境溫度為32℃，冷卻介質溫度與蒸發溫度的差值達5℃。

3系統熱力學性能的分析

3.1系統COP分析

從系統COP變化情況來看，在冷凝溫度、蒸發溫度等條件不變的情況下，伴隨著低溫級冷凝溫度的升高，系統COP先上升后下降，但總體變化并不顯著，最優值可達1.17，此時低溫級冷凝溫度達到-8℃。在低溫級冷凝溫度和蒸發溫度不變條件下，提高系統冷凝溫度同樣會使系統COP上升，最高能夠達到1.57。只提高蒸發溫度，則會導致系統COP下降，最低能夠達到0.99。只對高溫級蒸發溫度進行提高，高溫級COP會隨之上升，低溫級則無變化。同樣的，只改變低溫級蒸發溫度高溫級無變化，低溫級COP會有所提升。在系統? ? ?損增加的情況下，系統COP會減小。因此在滿足換熱要求的基礎上，還應適當將系統冷凝溫度和蒸發溫度減小，繼而通過減小系統? ? ? 損獲得更大COP。

3.2系統? ? ?損分析

從系統? ? ?損情況分析結果來看，? ? ?損主要產生在壓縮和節流階段，會引發較大壓力損失。傳熱溫差的存在，將導致蒸發器產生熱量損失，使得制冷劑蒸汽過熱。在蒸發溫度、冷凝溫度分別為-40℃和40℃的條件下，傳熱溫差達到5℃，伴隨著低溫級冷凝溫度的升高，高溫級各部分? ? ?損逐漸減小，低溫級除蒸發器? ? ?損不變以外，各部分? ? ?損則有所增加，系統總? ? ?損先減小后增加，最小能夠達到0.68kW。從總體來看，高溫級節流? ? ?損最大，達0.16kW，占總體的23.6%左右，其次則為冷凝蒸發，達0.14kW，約占20.5%，高溫級壓縮機? ? ?損達0.11kW，占總體的15.9%左右。想要使系統? ? ?損得到降低，還要減少節流損失，并使蒸發器換熱效率和壓縮機的效率得到提高。

3.3質量流量分析

在蒸發溫度、冷凝溫度分別為-40℃和40℃的條件下，傳熱溫差達到5℃，伴隨著低溫級冷凝溫度的升高，低溫級質量流量有所上升，最高能夠達到0.0090kg/g。與此同時，高溫級質量流量也有所提高，但是增長幅度不大，最高能夠達到0.0097kg/g。相較于低溫級，高溫級質量流量一直較高，因此高低溫級質量比隨著低溫級冷凝溫度的升高而降低，最低達到了1.07。除了低溫級冷凝溫度，系統高溫級質量流量也受系統冷凝溫度影響，會隨著冷凝溫度升高而增加，促使高低溫級質量流量比增加。因此想要減少R1270使用量，可以適當降低冷凝溫度。

結論：

通過研究可以發現，采用R1270/CO2復疊式制冷系統，調整低溫級或高溫級的蒸發溫度只會引起各自GOP變化。但是對低溫級冷凝溫度進行調整，系統COP會呈現上上升后下降趨勢，系統？損會發生相反的變化，高溫級和低溫級質量流量都將有所提升。結合系統熱力學性能，通過適當降低系統冷凝溫度，可以減小系統？損，促使系統COP得到提高。適當提高系統蒸發溫度，則能使R1270添加量得到減少，使系統安全性得到增加，繼而為系統推廣應用奠定良好基礎。

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作者簡介：任繼鵬（1982年4月-），女，漢族，遼寧省大連市人，本科學歷，工程師，研究方向：制冷設備研發設計。