CO2跨臨界制冷系統在飲料現調機中的實驗研究

葛住軍，王培文，田立強

（康富（天津）有限公司，天津 300457）

CO2是天然制冷劑，無毒、無味、不可燃，具有環境友好性和優良的熱物理特性，在空調制冷系統中有著其它制冷劑無可比擬的優勢［1］。作為最早的制冷劑之一，在19 世紀末到20 世紀30年代得到了普遍的應用，但隨著CFCs的出現，CO2逐漸退出制冷劑領域［2］，其原因是當時采用亞臨界循環，由于臨界溫度較低，當環境溫度稍高時，CO2的制冷能力急劇下降，功耗增大，經濟性受到嚴重影響。當制冷劑環保問題日益突出，并隨著跨臨界制冷循環的提出，CO2作為理想的制冷劑開始重新獲得新生［3］。

在國外，早在20 世紀以來歐、美、日等發達國家進行了關于CO2跨臨界循環的研究和開發，并在制冷、熱泵等領域得到了廣泛應用。國內也有許多科研機構和高等院校對跨臨界CO2制冷系統進行了研究，并取得了一定的成果［3-4］。但是我國和國外研究現狀相比，無論是理論研究還是實踐應用，都有很大的差距。

隨著環境問題的日益突出和大型企業積極履行企業社會責任，飲料行業需要在現調機制冷系統中應用環境友好的制冷工質。在飲料現調機中制冷系統的作用就是為飲料冷卻提供冷源，保證水箱的水溫和必須的冰板重量，本文根據現調機的特點，在40℃環境溫度下通過毛細管，冷媒量的組合實驗研究，確定了滿足冰板重量設計要求的最佳跨臨界CO2制冷系統。

1 飲料現調機工作原理

飲料現調機一般應用于快餐店，便利店，食堂，車站等場所，機器本身就可以現場調制出不同口味的碳酸和果汁飲料。考慮到飲料售賣既有高峰期又要隨時能夠售賣的特點，一般現調機使用冰蓄冷技術，即機器本身設計一定重量的冰板，通過冰的潛熱能為高峰售賣時段提供冷源。飲料的冷卻是通過獨立的封閉式冷卻盤管在低溫水浴中換熱實現。現調機工作原理如圖1所示：將飲用清水或碳酸水和糖漿通過不銹鋼盤管與水箱中的冰水進行冷熱交換，將常溫的水和糖漿冷卻至2℃左右再送至飲料閥按照一定糖水比例混合后斟出。

現調機一般都使用小容量制冷系統，通過一定時間的初次結冰過程，形成冰板。形成冰板以后，系統將由冰板控制器維持冰板重量，所以初次結冰重量和時間，是衡量現調機制冷系統的重要指標，初次結冰過程和初次結冰結束前的制冷系統參數是現調機制冷系統設計的要點。

2 跨臨界CO2 制冷系統設計

圖1 現調機工作原理及制冷循環圖

根據現調機的應用場合，考慮到周圍設備的影響，現調機設計環境溫度為40℃ ，遠大于CO2臨界溫度(31.1℃)，當熱匯溫度超過CO2的臨界溫度時，宜采用跨臨界循環方式。另外，飲料現調機在裝機后首次結冰時水箱溫度較高約為32℃，此時蒸發溫度很高，但隨著制冷系統的運行，水箱溫度逐漸下降到0℃然后開始結冰，直到冰控器檢測到冰層厚度達到設計要求，壓縮機停止工作。初次結冰以后，水箱水溫將會一直保持在0℃度左右，售賣飲料時，冰板逐漸融化以保證水箱溫度，通過冰板控制器控制制冷系統周而復始的運行。

CO2跨臨界制冷循環的流程與普通的蒸汽壓縮式制冷循環略有不同, 壓縮機的吸氣壓力低于臨界壓力, 蒸發溫度低于臨界溫度, 但壓縮機的排氣壓力高于臨界壓力，循環的吸熱過程在亞臨界條件下進行, 換熱過程主要是依靠潛熱來完成, 冷卻換熱過程依靠顯熱來完成。熱力學循環的分析表明，回熱器可以降低節流過程的熱力學損失，有助于大幅度提高跨臨界CO2循環在高溫環境下的性能，因而CO2系統一般配備回熱器，本文采用套管式回熱器。該循環由壓縮機、氣體冷卻器、內部回熱器、毛細管、蒸發器等組成，制冷系統循環如圖1所示，CO2跨臨界P-h 圖如圖2所示。

系統工作時，低溫低壓CO2氣體f在壓縮機內升壓至超臨界狀態a（fa過程），然后進入氣體冷卻器，被空氣冷卻（ab過程），冷卻后超臨界流體b流入回熱器，進一步被壓縮機回氣冷卻到狀態c（bc和ef過程），隨后被毛細管節流降壓至亞臨界兩相流狀態d（cd過程），進入蒸發器吸收水箱中的熱量而制冷（de過程），氣態的亞臨界CO2e進入回熱器吸收一部分從氣體冷卻器出來進入回熱器的超臨界CO2流體b的熱量，低溫、低壓的CO2f再進入壓縮機壓縮，如此周而復始。

圖2 CO2 跨臨界P-h 圖

CO2跨 臨界循環具有的特點：CO2的吸、放熱分別在亞臨界和跨臨界區進行，高壓側的冷卻過程中不發生相變, 換熱全部通過顯熱交換完成；CO2循環在跨臨界條件下運行, 其工作壓力雖然較高, 但壓比卻很低，壓縮機的效率相對較高，跨臨界循環的排氣壓力約12MPa左右, 這就要求系統部件選型時要考慮承壓參數。

現調機在首次拉低溫結冰過程中，水溫度變化很大（初始水溫32℃），從而氣冷器出口制冷劑溫度的變化也很大，為提高系統COP，需要控制系統運行的高壓壓力。現調機的初次結冰時間，冰板重量是考核的指標之一，所以通過提高壓力、犧牲COP來獲得較大的制冷量，這是傳統制冷系統所不具有的特征。高壓值的控制需要綜合考慮以下3個因素：氣冷器出口的CO2溫度；系統COP；系統運行時的壓力和溫度要低于允許的最高運行壓力（14 MPa）和壓縮機最高排氣溫度 （140℃）。壓縮機安全運行范圍［5］如圖3所示并且規定正常運行范圍為區域B（最大排氣溫度140℃，最大吸氣溫度40 ℃），異常運行范圍為區域A（最大排氣溫度140-150 ℃，最大吸氣溫度40-45 ℃）。

圖3 壓縮機運行范圍圖

3 實驗測試和結果

本文研究的現調機對制冷系統的設計要求和主要部件如下：

設計工況：40C環境溫度，75% 相對濕度，冰板重量10.5±0.5kg，初次結冰時間不超過10小時，水箱容積42升，使用制冷劑為CO2。

根據負荷計算，制冷壓縮機選擇了某品牌CO2壓縮機，制冷量：660W。

氣體冷卻器為5管翅式換熱器，銅管壁厚1.0mm，節流裝置為毛細管，蒸發器為7.92不銹鋼管。本機器高壓設計壓力為14MPa, 低壓側設計壓力為6MPa, 并且安裝14MPa 的高壓壓力開關以確保系統安全可靠。

3.1 實驗方法

在已選定氣體冷卻器，冷卻電機扇葉，壓縮機，回熱器和蒸發器的前提下，先不考慮冰控器的控制，每次實驗初次結冰時間控制在9小時，通過實驗對比不同毛細管規格和充注量組合實驗結果，以消耗單位電量可形成冰板來衡量現調機制冷效率和系統高低壓是否滿足壓縮機安全運行范圍作為確定毛細管和CO2充注量的依據。

3.2 毛細和充注量確定

高壓側壓力的高低主要由高壓側容納的實際制冷劑質量來決定，蒸發溫度主要由毛細管長度來調整.因而在實驗過程中，當換熱器的空氣進口條件確定以后，通過制冷劑充注量和毛細管長度這兩個量的調整來使系統性能達到最優。根據初步估算毛細管初始設定為2.5m，CO2充注量初始設定為230g，根據實驗結果進行調整，四次實驗結果如表1所示，四次實驗的高低壓點在壓縮機運行范圍的位置如圖4所示。實驗1和2 在初始拉低溫階段，系統排氣壓力已經長時間超過正常運行范圍，所以不再繼續進行后續實驗，最終選定實驗3和實驗4的配置進行詳細的系統參數確認。

表1 各配置和實驗結果對比

圖4 制冷系統壓力運行范圍

3.3 制冷系統參數測試結果

在確定了系統毛細管和充注量后，需要詳細進行系統溫度和運行電流的測試，為了保證CO2系統運行的可靠性，實驗3的配置在初次結冰冰9小時能夠結冰12.2kg，可以滿足設計要求，因為考慮不同環境溫度下冰板形狀和72小時冰板穩定性，當環境溫度下降時，氣體冷卻器冷凝壓力下降，進入蒸發器的制冷劑流量減少，所以繼續追加30g冷媒進行測試，為后續實驗改進提供儲備數據。當冷媒增加時，系統高壓明顯上升，經過內部回熱器后的壓縮機吸氣溫度下降，系統冷媒過量。實驗3和4系統各溫度點測試結果如圖5，圖6和圖7所示。實驗4在拉溫時因冷媒量偏多，系統最大輸入功率較實驗3高出約100W，在停機前系統主要參數如表2所示。實驗4在拉溫過程中，最大電流高出實驗3約0.8A，結合壓縮機OLP溫度點，存在壓縮機熱保護風險，并且最大排氣壓力有90min時間超出壓縮機安全運行范圍，但在結冰結束前各參數相差不大。

表2 結冰結束制冷系統主要參數

圖5 溫度曲線對比

圖6 功率電流曲線

3.4 確定冰控器控制的冰板厚度

通過系統高低壓，功率電流對比及停機前各主要參數，選定實驗3配置作為系統定型配置，再通過蒸發器形狀和冰板重量的設計要求計算出冰控器控制的冰層厚度，重新進行初次結冰，測試冰控器實際控制的冰板重量和初次結冰時間，滿足設計要求，再進行其他工況的測試，以保證該系統在全工況下運行可靠。

圖7 壓縮機吸排氣壓力曲線

4 結束語

跨臨界CO2制冷系統應用于飲料現調機，我司已經實現批量商業化生產，本文只涉及到關鍵的制冷系統設計，實驗的方法和系統參數的確定，除此之外，要實現商業化生產還需解決以下問題：

1）針對跨臨界單循環CO2制冷系統高壓側和低壓側壓力，制冷循環系統換熱器，連接管路，壓力開關的選型要保證系統的高壓設計壓力；

2）針對CO2跨臨界制冷系統的高壓工作特點，制冷系統的真空度和焊接工藝是保證系統安全可靠的前提；

3）現調機通常在室內使用，噪音和振動也是一個關鍵的考核指標，系統匹配時確保CO2壓縮機運行的壓力范圍，并在結構設計時防止共振發生。