CO₂/低GWP工質復疊制冷循環的性能解析

任志峰 邵長勝

摘 要：為了能將臨近城區和居民區的R22 或 NH3 冷庫系統取代，站在熱力學角度分析 GWP 工質的復疊制冷循環的性能，探查到該系統存有最優中間冷凝溫度，對應最大系統是COP。在最優工況下對比了差異化高溫級工質的CO2/低GWP系統，統計發現高溫級R152a 的系統COP抵達峰值;R32系統的單位容積制冷量最大，有益于減少系統造價。站在優化系統性能的視角，建議用 CO2/R152a系統將R22或CO2/NH3系統取代;以減少早期成本為目的時，推薦選用CO2 /R32系統。

關鍵詞：復疊制冷;高溫級低GWP工質;低溫級CO2;性能分析

引言

氨制冷是我國制冷庫項目建設中的常見形式，但其發生事故的概率較高，增加了人們主觀上的顧慮。結合現有規范要求，設計低溫級CO2復疊取代氨冷庫與冷鏈車間具有很大必要性。CO2是常見的環保工質之一，具有十分廣泛的應用空間，當下CO2冷循環及熱泵系統均是CO2成熟技術。基于CO2低溫循環構建的復疊制冷系統廣泛被用于在超市制冷與冷庫制冷領域中。而在高溫級循環內，可以嘗試利用低 GWP 的制冷劑代替R22，這是建設CO2復疊制冷系統的重要基礎。本文主要站在熱力學視角，分析對比高、低溫級分別是低GWP工質、CO2的復疊制冷循環情況，希望能對相關項目實施提供可靠依據。

1、選擇工質對

本課題研究中共計選擇了10個工質對，多數制冷劑的GWP低于150，R22、R134a在工程建設領域中有較廣泛應用。對于R32，其GWP是675，因為其比熱較偏大，故而經常和其他工質混合成為非共沸工質。R22、R134a的GWP值偏低，當下其應用情況也得到社會的關注。故而時常會把以上3種工質和他類低GWP工質作對比分析。[1]

2、建設復疊系統及模型

CO2/R290 復疊制冷循環系統是選用工質是CO2的低、高溫級制冷循環，其中高溫級制冷劑為是圖1內列出的工質。利用冷凝蒸發器連接以上兩個循環，維持冷凍空間的低溫狀態。

本文將CO2/NH3為例進行分析，圖1、2分別是復疊系統T-s、p-h圖。圖內1-2-3-4-1實線部分是CO2低溫級循環，狀態1代表的是過熱CO2，被壓縮后轉變成過熱態2，而后朝向高溫級釋放熱量，冷凝到過冷液態3，經降壓工序處理后呈氣液兩相態4，隨后冷凍空間的熱量被蒸發、吸收后轉變成狀態1，此時低溫級循環過程便結束。5-6-7-8-5虛線代表的是NH3高溫級循環，過熱 NH3對應的是狀態5，高溫級壓縮機能將其壓縮成過熱態6，流進冷凝器后朝向周邊環境散熱，冷凝到過冷態7，隨后降壓至氣液兩相態8，經蒸發、吸收工序后成維狀態5，高溫級循環至此終止。[2]設定的標準工況：CO2 蒸發、中間冷凝、中間蒸發溫度分別是-40℃、-12℃、-15℃，蒸發器換熱溫差是3℃，高低溫級的過熱及過冷度都是5℃。

3、統計與分析結果

3.1中間冷凝溫度對CO2 /NH3系統性能的影響

伴隨中間冷凝溫度上升過程，系統COP值呈先增后減的趨勢，在TMC = -10℃周邊達到最大。這主要是由于伴隨中間冷凝溫升過程，低溫級COP逐步下降，但高溫級COP改變趨勢和其相反，系統存有最優中間冷凝溫度TMC，opt。

3.2中間冷凝溫度對系統熱力學完善程度的影響

標準工況下標準工況下 COPCarnot是定值時，與COP值之間呈正比關系。[3]

綜合分析，現復疊系統存有和最大系統COP相對應的最優中間冷凝溫度，其被認定成最優工況，為了能在標準工況下對比不同高溫級工質的CO2復疊系統的效能，均以最優工況為基礎展開分析。

經比較后發現，伴隨蒸發溫升過程，不同復疊系統對應的最優中間冷凝溫度都呈現出增大趨勢，最優溫度最高、最低分別是R1234yf、R152a，和不同工質相對應的最優冷凝溫度的有一定差異。伴隨最優中間冷凝溫度上升，和其相對應的CO2低溫級的冷凝壓力、壓縮 比與排氣溫度均有增加的趨勢。

對比分析最優工況下差異化工質對的最大系統COP，發現COP值大小和蒸發器溫度升降過程表現出正相關性，不同介質的COP值大小存在著一定差異。當蒸發器溫度-40℃時，各類工質對應的COP最大，高溫級R152a系統的性能最優良，-40℃工況下COP值是1.27，其次是R161與NH3;COP最低是R32，對應值1.20，和R152a系統相比較減小了4.7%左右。分析以上現象的成因，主要是由于R32臨界溫度偏低，而臨界壓力相對較高。

對比不同工質的高壓級排氣溫度情況。即便是蒸發溫度改變時，R1234yf、R1234ze的排氣溫度也不會出現顯著改變，在這樣的工況下，過熱度（T6 - TC）都在5℃以下，在T-s圖上上以上這兩種工質的飽和氣線的斜率均陡峭，這是壓縮機排氣過熱度偏低，排氣溫度下降的主要原因。NH3、R32等工質的排氣溫度顯著提升，且伴隨蒸發升溫過程而逐漸下降。當排氣溫度過高時，潤滑油的黏度會降低，潤滑效果下降，影響壓縮機自身的性能。

伴隨蒸發溫度的改變，不同高溫級工質形成單位質量制冷量并沒有出現顯著改變。和其他工質相比較，NH3單位質量制冷量相對較高，主要是因其有較多的潛熱。

相比之下，R32 的單位容積制冷量最多，且伴隨蒸發溫度改變過程，其出現顯著改變，這主要是由于 R32 的臨界溫度偏低，排氣狀態和臨界點更為靠近，過熱氣密明顯高于遠離臨界點的狀態。如果工程實踐中能使用大的單 容積制冷量，則有助于提升復疊系統結構的緊湊型，并且會減少早期建設成本。

結束語：

本課題研究中，在在最優工況下對比了差異化高溫級工質的CO2/低GWP系統，統計發現高溫級R152a的系統COP抵達峰值;R32系統的單位容積制冷量最大，有益于減少系統造價。站在優化系統性能的視角，建議用CO2/R152a系統將R22或CO2/NH3系統取代;以減少早期成本為目的時，推薦選用CO2/R32系統。

參考文獻：

[1]梁政、申江、韓思雨.回熱器與制冷工質對復疊制冷系統性能的影響[J].食品與機械，2020，v.36;No.228（10）：71-76+92.

[2]孔德霞.NH3和CO2制冷劑及其復疊式制冷系統[J].農村經濟與科技，2020，031（008）：345-346.

[3]任繼鵬，孫遠新，張良.R1270/CO2復疊式制冷系統熱力學分析與研究[J].科學與財富，2019，000（006）：258.