配置露點蒸發器的新型空氣制冷循環的熱力分析

王 鵬 王 闖 邢子文

(西安交通大學能源與動力工程學院 西安 710049)

隨著我國經濟科技水平的不斷提高，冷鏈迅速發展，近年來冷庫容量不斷擴大。目前國內的冷庫中，主要使用的制冷劑有NH3、CO2及氟利昂，其中NH3與CO2是較為熱門的制冷劑，而氟利昂制冷劑主要應用于中小型冷庫[1-2]。由于技術及經濟發展導致的諸如臭氧層破壞、全球變暖效應等環境問題，人們環保意識不斷增強，對于低碳型、低能耗的要求也越來越高，因此冷庫節能、制冷流程優化以及制冷劑的研究及替代備受關注[3-5]。

作為天然工質的空氣是最符合環境要求的制冷劑。由于其可靠性高、制冷溫度低、設備簡單可靠、流程多樣及使用方便等優點，自1844年布雷頓(Brayton)空氣制冷機發明以來，在飛機空調、工業材料的冷卻處理、低溫環境實驗模擬以及石化工業的存儲與加工等方面得到了廣泛的應用[6-8]，但空氣制冷機應用于冷庫的研究較少。趙家強等[9]針對用于-35 ℃急凍的NH3/空氣復疊循環和NH3完全中冷雙級壓縮循環進行了理論對比，指出兩種循環COP相差較小，而且與空氣的復疊循環能減少氨的充注量，但還沒有脫離以NH3制冷循環為基礎。因此需要進一步研究空氣制冷機在冷藏方面的應用。

露點間接蒸發冷卻技術是利用水的蒸發潛熱，利用空氣的干球溫度和不斷降低的濕球溫度之差進行換熱，將空氣溫度冷卻至接近露點溫度。在過去數十年中，大量不同的蒸發冷卻技術已經被提出并應用于工業冷卻、HVAC、小氣候冷卻及其他領域[10-12]。露點間接冷卻器占地面積小，安裝形式靈活，且具有節能、環保等優勢，但很容易受環境影響，使用場所有一定的限制[13-15]。將機械制冷與露點間接蒸發冷卻技術耦合，彌補單獨使用的不足，可以實現一定程度上的優勢互補。蒸發冷卻與機械制冷耦合空調技術具有良好的應用優勢和前景[16]。

若將IEC(indirect evaporative cooler，間接蒸發冷卻器)應用于空氣制冷循環中，可以進一步提高制冷循環效率，提高空氣制冷應用的溫度范圍，進而提高其在冷庫中應用的可能。

1 新型復合制冷循環

1.1 新型循環流程

本文提出一種將空氣制冷循環與IEC耦合的新型空氣制冷循環。該循環將IEC與空氣制冷循環相結合，主要實現兩者的協同運行，通過IEC對一次空氣的預冷作用，減少空氣制冷負荷，并利用二次空氣冷卻壓縮機出口工質，提高空氣制冷的性能。

新型空氣制冷循環流程圖如圖1所示。在新型空氣制冷循環中，外界環境空氣經過濾器后進入IEC，被IEC冷卻至露點溫度的一次空氣送入壓縮機，經壓縮機壓縮、換熱器冷卻后得到高壓空氣，經過除濕后進入膨脹機得到低溫空氣，膨脹得到的低溫空氣可直接送入庫內制冷送風，溫度升至制冷溫度4′的空氣可經過回風送入回冷器以冷卻高溫空氣。經IEC的二次空氣可用于初步冷卻經壓縮后的高溫高壓空氣。

圖1 新型空氣制冷循環流程圖

新型空氣制冷循環的T-s圖如圖2所示，其中Ta、Tr分別為環境溫度和制冷溫度，K。

圖2 新型空氣制冷循環T-s圖

1.2 制冷循環的熱力計算

為了更直觀的了解新型循環的性能變化，同時進行了未耦合IEC的空氣制冷循環及NH3蒸氣壓縮制冷循環的性能參數的計算。其中NH3蒸氣壓縮制冷循環的T-s圖如圖3所示。

圖3 NH3制冷循環T-s圖

為了方便計算，對新型空氣制冷循環進行計算分析時，進行如下假設：

1)忽略壓縮機、膨脹機換熱的影響，即壓縮過程和膨脹過程均按等熵絕熱過程計算；

2)設備和管道中無阻力損失，即無壓力降，換熱器中均為等壓換熱；

3)考慮換熱器的傳熱溫差，本文中冷凝器傳熱溫差取10 ℃，其他傳熱溫差取5 ℃[5,17]；

4)露點間接蒸發冷卻器換熱充分，即一次空氣可冷卻逼近露點溫度；

5)認為膨脹器中進行的是干空氣的絕熱膨脹過程。

露點蒸發器能量守恒過程：

m(h1-h0)=m′(h0-h0′)

(1)

濕空氣參數計算主要參考文獻[18]，其中濕空氣的含濕量計算：

(2)

當濕空氣露點溫度溫度位于0～93 ℃，露點溫度可由式(3)得到：

(3)

式中：α=lnpv；c14=6.54；c15=14.526；c16=0.738 9；c17=0.094 86；C18=0.456 9。

濕空氣的焓值計算：

h=1.006t+(1.86t+2 501)d

(4)

壓縮機排氣溫度：

(5)

NH3循環制冷量：

qNH3=h1′-h4

(6)

空氣制冷循環制冷量：

qair=h4′-h4

(7)

NH3循環的性能系數：

(8)

空氣制冷循環的性能系數：

(9)

其中多點工質狀態參數可通過Refprop軟件查詢計算。

2 計算結果及分析

2.1 設定工況下的計算結果

由于文中提及的空氣制冷循環為開式直接冷卻流程，直接冷卻流程可以消除由熱交換器的傳熱溫差所引起的不可逆損失。而NH3蒸氣壓縮循環的蒸發器、冷凝器存在一定的傳熱溫差，因此對于流程計算的運行參數設定如表1所示。

表1 工況參數設定

當忽略壓縮機的等熵效率及膨脹機的等熵效率時，設定工況參數下的耦合IEC前后的空氣制冷循環及NH3蒸氣壓縮循環計算結果如表2所示。

由表2可知，相比NH3蒸氣壓縮制冷循環，即使耦合了IEC的新型空氣制冷循環也仍然存在容積制冷量少、制冷系數小等問題。但由于NH3蒸氣壓縮循環的壓比過高，達到10.27，一般需要采用復疊式制冷或雙級壓縮的形式，這會造成結構復雜、成本增加等問題。相比之下空氣制冷循環的流程與設備更簡單。低溫氣流在庫內直接進行換熱，省去了冷庫排管或冷風機等設備，不僅消除傳熱溫差，而且基本不需要考慮除霜問題，減少了很多因除霜造成的操作熱。相比普通空氣制冷循環，對于耦合了IEC的空氣制冷循環，由于IEC的預冷作用存在，吸氣溫度降低，從而排氣溫度降低，這有利于壓縮機的運行，并使壓縮機功耗減小。同時由于吸氣狀態變化，新型空氣循環的容積制冷量得到提高，且COP提高了15.69%，效率得到了提高。

表2 計算結果

2.2 運行參數對性能系數的影響

當其他工況參數設定不變，容積制冷量及COP隨環境溫度的變化如圖4所示。由圖4可知，當環境溫度從20 ℃升至40 ℃時，容積制冷量及COP均隨環境溫度的升高近似線性降低。耦合IEC后的空氣制冷循環的容積制冷量及COP隨著環境溫度變化而減小的速率最小，但空氣制冷循環隨環境溫度降低的速率均較小，而NH3蒸氣壓縮循環隨環境溫度的改變變化顯著。

圖4 性能參數隨環境溫度的變化

當其他工況參數設定不變，制冷循環的容積制冷量及COP隨制冷溫度的變化如圖5所示。制冷溫度改變對空氣制冷循環及NH3制冷循環的影響與環境溫度的影響恰好相反。綜合圖4、圖5可知，耦合了IEC的新型空氣制冷循環性能隨參數的改變而變化較小，具有更好的環境適應力。

圖5 性能參數隨制冷溫度的變化

當其他工況參數不變時，耦合IEC前后的空氣制冷循環的容積制冷量及COP隨工作壓比的變化如圖6所示。由于空氣的容積制冷量小，設備體積一般較大，因此需要獲得更大的容積制冷量。由圖6(a)可知，需要高壓比。但由圖6(b)可知，在高壓比時，空氣制冷循環的COP很小，且壓比過高對設備耐壓會有更高的要求。因此，最高COP的工作壓比并不是最好的工況點，壓比的選取需要綜合考慮這兩個因素。對于耦合IEC前后的空氣制冷循環，容積制冷量相對差值保持在5.21%不變，但COP相對差值隨著工作壓比的升高從34.7%降至12.66%。隨著壓比升高，COP變化幅度先突增后逐漸變小，工作壓比對COP的影響逐漸變小。

圖6 性能參數隨工作壓比的變化

圖7所示為耦合了IEC的空氣循環的制冷系數隨壓縮機、膨脹機的等熵效率的變化。由圖7可知，在一定的壓力比和工作溫度下，耦合IEC后新型空氣制冷循環COP隨著壓縮機效率和膨脹機效率的減小而迅速減小。其中壓縮機效率影響更大，因此要提高新型空氣制冷循環的制冷系數，提高壓縮機的效率是最有效的途徑。

圖7 COP隨等熵效率的變化

2.3 吸氣參數對壓縮機性能的影響

前文的計算分析均建立在壓縮機等熵絕熱運行的條件下，而實際壓縮過程都帶有冷卻裝置且與外界有熱量交換，空壓機的實際工作過程應為多變壓縮過程，壓縮機效率是不可忽視的參數。而吸氣參數對空壓機的運行狀態的影響很大[19-20]。因此，本節主要討論由于吸氣溫度的不同而導致的配置IEC前后性能差異。

秦莉等[19]通過實測數據表明：對于螺桿空壓機，溫度每增加1 ℃，變頻螺桿式空壓機多變效率降低約0.898%。因此，在一定范圍內可近似認為空壓機吸氣溫度變化與多變效率變化的關系為：

Δη=-0.898%Δt

(10)

選取計算工況為文獻實測數據[19]，未耦合IEC的空氣制冷循環的空壓機吸氣溫度為31 ℃，含濕量13.1 g/(kg干空氣)，空壓機效率為81.2%，配置IEC前后的空壓機含濕量不變。計算結果如表3所示。

表3 空壓機計算結果

由表3可知，由于IEC的存在使得空壓機吸氣溫度降低，含濕量保持不變，其多變效率更高，為93.1%。即考慮壓縮機效率造成的功耗增幅也就更小，表2中空壓機功耗相對降幅由5.0%升至16.6%。同時因為吸氣溫度與空壓機多變效率的雙重影響，配置IEC后空氣制冷循環的COP提升達到了37.8%。

3 結論

本文通過對提出的配置IEC的新型空氣制冷循環的熱力計算與分析，并將其與未耦合IEC的空氣循環、NH3蒸氣壓縮制冷循環進行了對比，得到如下結論：

1)耦合IEC前后的空氣制冷循環相比蒸氣壓縮循環，均存在容積制冷量少，制冷系數小等問題。但空氣制冷循環的流程與設備更簡單，且可以基本解決傳熱溫差及除霜問題。

2)相比普通空氣制冷循環，耦合了IEC的新型空氣制冷循環的吸排氣溫度更低，容積制冷量提高，設定工況下COP可提高15.69%。

3)制冷循環性能系數均隨制冷溫度的升高而升高，隨環境溫度的升高而減小。NH3制冷循環受參數變化的影響較大，而空氣制冷循環具有更好的環境適應力。

4)最佳壓比要綜合考慮容積制冷量及COP等因素，隨著壓比升高，壓比對性能參數的影響逐漸減小。

5)壓縮機和膨脹機的等熵效率對空氣制冷循環的性能影響較大，在本文中的新型制冷循環，壓縮機的效率影響更大。

6)配置了IEC的空氣制冷循環，由于吸氣參數對空壓機的影響，其效率得到了更大的提升，性能優勢更顯著，COP提升達到37.8%。

符號說明

m——一次空氣質量，kg

m′——二次空氣質量，kg

h——焓值，kJ/kg

d——含濕量，g/(kg干空氣)

p——壓力，kPa

t——溫度，℃

t1——吸氣溫度，℃

t2——排氣溫度，℃

k——絕熱指數

q——單位質量制冷量，kJ/kg

qv——單位容積制冷量，kJ/m3

w——單位質量壓縮機功耗，kJ/kg

w′——單位質量膨脹功，kJ/kg

COP——性能系數

η——多變效率，%

下標

0′——進口溫度下飽和狀態

v——濕空氣中的水蒸氣

d——露點

NH3——NH3循環

air——空氣制冷循環