冷庫CO2制冷系統設計及性能測試

李 爽

（大連冰山集團工程有限公司，遼寧 大連 116630）

隨著全球人口持續增加和物質生活水平的提高，世界范圍內的食物需求量不斷增加，這也使食品供應行業獲得了持續快速的增長。在各類食品工業中，冷鏈食物供應占有十分重要的地位，豬牛羊、海鮮等肉類的遠距離運輸都涉及冷鏈存儲問題[1]。冷庫對冷鏈食品供應起到了非常重要的作用。為了維持冷庫的正常工作，制冷系統的設計十分關鍵。長期以來，冷庫制冷系統以氟利昂為主要制冷劑[2]。但目前氟利昂對臭氧層的破壞作用已經得到充分證實，其已經無法作為主要制冷劑繼續使用。在這種情況下，CO2作為一種替代品成為制冷劑的首選[3]。一方面，CO2的制備相對比較容易。另一方面，CO2對臭氧層沒有破壞作用，是相對安全和環保的制冷材料。所以，以CO2為制冷劑的制冷系統設計就成為冷庫建造的未來發展趨勢。該文以此為研究內容，進行冷庫的CO2制冷系統設計并通過試驗進行性能測試。

1 冷庫CO2制冷系統設計

為了實現冷庫系統的制冷功能，CO2制冷系統一般要用到刀壓縮機、蒸發器、冷凝器、膨脹閥、輔助設備等。通過這些關鍵組件的合理配置，形成循環復用的制冷回路，進而形成穩定可靠的制冷系統。

在冷庫CO2制冷系統各構成組件中，壓縮機是最重要的部分之一。壓縮機位是為整個制冷過程提供動力的裝置，同時壓縮機也決定了CO2制冷系統的工作性能優劣。壓縮機制冷的工作狀態可以根據溫度的不同分為兩大類，一類是中低溫情況下的壓縮制冷，一類是高溫情況下的壓縮制冷。在中低溫情況下的壓縮制冷主要以CO2氣體為工作介質；在高溫情況下的壓縮制冷，主要以NH3氣體為工作介質。對冷庫這種制冷范圍比較大的工作場景，壓縮機的結構形式可以采用半封閉的結構，這種結構制冷體積更大，熱效率也可以達到較高的水平。需要注意的是，在壓縮機工作過程中，制冷介質不能和電動機放置在一起，以免引起工作故障。

蒸發器是制冷效果實現的關鍵組件。當氣態CO2節流以后變為液態，這時的CO2流過蒸發器，形成真正意義上的制冷劑。隨著CO2由液態變成氣態蒸發，吸取了大量的熱能，然后通過蒸發器形成對外部環境空間的制冷。從結構形式上看，蒸發器一般采用多片管狀的設計，這種設計可以增大CO2的交換面積，進而得到更好的制冷效果。

制冷過程中，壓縮機會產生大量的高溫氣體，這就需要用冷凝器進行散熱處理。以水冷板式冷凝器為例，當水泵提供動力后，用于冷卻的液態水就可以和高溫的NH3進行熱量交換。當然，冷凝器也有采用風冷結構的。但相對而言水冷式的冷凝器不僅工作原理簡單，散熱效果更好，也不需要占用太多的空間。

在壓縮機、蒸發器、冷凝器等關鍵組件的支撐下，該文設計的冷庫CO2制冷系統結構如圖1所示。

圖1 該文設計的冷庫CO2制冷系統結構

2 冷庫CO2制冷系統熱交換計算

為了確保CO2制冷系統的制冷量和制冷效果能夠滿足冷庫的使用需求，需要對制冷系統中的關鍵組件進行熱交換計算。這里，主要針對壓縮機和蒸發器的熱交換進行計算。

2.1 壓縮機的熱交換計算

對壓縮機的熱交換計算涉及壓縮機的流量、壓縮機的輸出功率、壓縮機的排氣溫度等關鍵指標。雖然這些指標不同，但是可以采用統一的多回歸系數計算法。其中，壓縮機流量的熱交換計算如公式（1）所示。

式中：yq為壓縮機流量；Te為蒸發溫度；Tc為冷凝溫度；c1為常數項回歸系數；c2、c3為一次項回歸系數；c4、c5、c6為二次項回歸系數；c7、c8、c9、c10為三次項回歸系數。

壓縮機輸出功率的熱交換計算如公式（2）所示。

式中：yp為壓縮機輸出功率；Te為蒸發溫度；Tc為冷凝溫度；c1為常數項回歸系數；c2、c3為一次項回歸系數；c4、c5、c6為二次項回歸系數；c7、c8、c9、c10為三次項回歸系數。

壓縮機制冷過程中的吸氣總量，按照公式（3）計算。

式中：hs為壓縮機制冷過程的吸氣總量；hd為壓縮機制冷過程的排氣總量；W為壓縮機制冷過程中的功率消耗；f為壓縮機制冷過程的熱損耗系數；V為壓縮機制冷過程中的吸氣比容；η為壓縮機制冷過程中的等熵效率；m為壓縮機制冷過程中的質量流量。

2.2 蒸發器的熱交換計算

在CO2制冷系統的制冷過程中，蒸發器發揮了重要的作用。在蒸發器的熱交換過程中，制冷劑一開始以液態形式存在，逐步進入液態、氣態共存的狀態，最后到具有較高溫度的氣體狀態。

為了使蒸發器熱交換計算趨于合理，在計算過程中要遵循這樣幾個假設條件：第一，制冷系統的蒸發器傳熱過程自始至終保持一種穩定的狀態。第二，熱交換過程中，忽略蒸發器一些局部微小單元的換熱，如彎管微元處的換熱。第三，熱交換過程中，無論是氣態還是液態的制冷劑，認為其流動方向都是和管道方向一致的。第四，熱交換過程中，認為空氣流動的方向與片狀結構的延展方向一致。第五，熱交換過程中，認為環境中的風量保持穩定并且均勻分布。

由此得到蒸發器熱交換過程中制冷劑的動量守恒方程，如公式（4）所示。

式中：?pr為蒸發器熱交換過程中的壓降；Gr為蒸發器換熱管界面上的各種狀態的制冷劑的流量；vro為蒸發器流出制冷劑的體積；vri為蒸發器流入制冷劑的體積；fr為熱交換過程中的摩擦系數；L為參與熱交換計算的微元長度；di為第i個換熱管的直徑大小。

3 冷庫CO2制冷系統性能測試試驗

3.1 五種制冷劑的選擇

為了驗證該文構建的冷庫CO2制冷系統的設計效果，進一步進行性能測試試驗。這里選擇了五種制冷劑：第一種制冷劑是NH3，也稱R717；第二種制冷劑是CO2，也稱R744；第三種制冷劑是R404A，第四種制冷劑是R410A，第五種制冷劑是R134a。上述制冷劑的性能參數對比見表1。

表1 五種制冷劑的參數對比

從表1的主要參數看，五種制冷劑對臭氧層的破壞程度均為0，要明顯強于氟利昂型制冷劑。從全球變暖指數看，R717即NH3的影響為0；R744即CO2的影響為1；其余三種制冷劑的影響則較大。

接下來分別選擇高溫環境、中溫環境、低溫環境三種不同工作條件下物種制冷劑制冷性能的變化。

3.2 高溫環境對CO2制冷系統性能的影響

因為制冷系統的設計同時使用了高溫回路和低溫回路，這兩種回路下又采用不同的制冷劑。因此，在高溫環境下對制冷系統性能進行考察，將五種制冷劑分成四組進行配置，分別是：R717/R744，即NH3/CO2；R404A/R744，即R404A/CO2；R410A/R744，即R410/ACO2；R134a/R744，即R134a/CO2。四組配置下隨著溫度的變化，制冷系統制冷性能的變化如圖2所示。

圖2中，橫坐標代表了溫度的變化，從35℃一直升高到45℃；縱坐標代表了制冷性能參數，用COP表示。從圖2可以看出，R717/R744，即NH3/CO2的制冷性能最好；其次是R410A/R744，即R410/ACO2；再次是R404A/R744，即R404A/CO2；最后是R134a/R744，即R134a/CO2。隨著溫度從35℃增加到45℃，R717/R744，即NH3/CO2的制冷性能也從1.8下降到了1.5。可見，溫度升高對CO2制冷系統確實有一定程度的負面影響。

3.3 中溫環境對CO2制冷系統性能的影響

在中溫環境下對制冷系統性能進行考察，仍將五種制冷劑分成四組進行配置，分別是：R717/R744，即NH3/CO2；R404A/R744，即R404A/CO2；R410A/R744，即R410/ACO2；R134a/R744，即R134a/CO2。四組配置下隨著溫度的變化，制冷系統制冷性能的變化如圖3所示。

圖3中，橫坐標代表了溫度的變化，從2℃一直升高到10℃；縱坐標代表了制冷性能參數，用COP表示。從圖2可以看出，R717/R744，即NH3/CO2的制冷性能最好；其次是R410A/R744，即R410/ACO2；再次是R404A/R744，即R404A/CO2；最后是R134a/R744，即R134a/CO2。隨著溫度從2℃增加到10℃，R717/R744，即NH3/CO2的制冷性能也從1.75下降到了1.5。可見，中溫情況下，溫度升高對CO2制冷系統也產生了一定程度的負面影響。

圖2 高溫情況下制冷系統制冷性能的變化曲線

圖3 中溫情況下制冷系統制冷性能的變化曲線

3.4 低溫環境對CO2制冷系統性能的影響

在低溫環境下對制冷系統性能的考察，仍將五種制冷劑分成四組進行配置，分別是：R717/R744，即NH3/CO2；R404A/R744，即R404A/CO2；R410A/R744，即R410/ACO2；R134a/R744，即R134a/CO2。四組配置下隨著溫度的變化，制冷系統制冷性能的變化如圖4所示。

圖4 低溫情況下制冷系統制冷性能的變化曲線

圖4中，橫坐標代表了溫度的變化，從-30℃一直升高到-20℃；縱坐標代表了制冷性能參數，用COP表示。從圖2可以看出，R717/R744，即NH3/CO2的制冷性能最好；其次是R410A/R744，即R410/ACO2；再次是R404A/R744，即R404A/CO2；最后是R134a/R744，即R134a/CO2。隨著溫度從-30℃增加到-20℃，R717/R744，即NH3/CO2的制冷性能也從1.5增加到了1.85。可見，低溫情況下，溫度升高對CO2制冷系統也產生了一定程度的正面影響。這一點與高溫和中溫情況是有所區別的。

4 結論

隨著冷鏈食品供應需求的不斷增加，冷庫及制冷系統的設計成為當前的熱點研究之一。為了避免對臭氧層的持續破壞，CO2成為取代氟利昂的主要制冷劑。該文就是以冷庫為對象，進行了CO2制冷系統設計。首先對壓縮機、蒸發器、冷凝器等關鍵部件進行了分析，并由此進行了CO2制冷系統的結構設計。其次，以回歸系數法對壓縮機和蒸發器進行了熱交換計算。最后，以五種制冷劑、四組制冷劑配置分別在高溫、中溫、低溫環境下對CO2制冷系統進行了制冷性能的測試試驗，試驗結果表明：NH3/CO2組合制冷劑的制冷性能最好，高溫和中溫環境下的溫度增加對制冷性能有抑制作用，但低溫環境下的溫度升高對制冷性能有增強作用。