氣液熱交換器對雙級壓縮制冷系統的影響

陳 矞，張普洋

（1.山西林業職業技術學院，山西 太原 030009；2.香港華藝設計顧問（深圳）有限公司，廣東 深圳 518031）

引言

在蒸汽壓縮制冷系統中布置氣液熱交換器可以增加冷凝器出口制冷劑液體的過冷度，降低壓縮機出現液擊的風險，增加系統的制冷性能，還可對系統穩定運行起到較大保障作用。在較低溫度區間的制冷中，普通的單級壓縮制冷系統較難獲得理想的制冷性能，因此通常使用兩級或三級壓縮制冷系統。

Torrella 等[1]對帶氣液熱交換器的二氧化碳跨臨界壓縮制冷系統進行了實驗研究，發現使用氣液熱交換器可以提高該系統的制冷性能系數。郭耀君等[2]對雙級壓縮制冷系統進行熱力學探究分析，認為系統效率和制冷系數會隨高壓級氣液熱交換器過熱度的提高而提高。Klein 等[3]對帶氣液熱交換器的蒸汽壓縮制冷系統進行了研究，發現使用R22、R717、R32 這三種制冷劑時，氣液熱交換器會使系統的機械性能系數下降。

Shuxue Xu 等[4]建立了雙級壓縮制冷系統的熱力學模型，分析了系統兩個壓縮機的最佳容積比，并通過實驗進行了驗證。Yang J.等[5]提出兩新型二氧化碳CO2跨臨界雙級壓縮制冷系統，并與二氧化碳CO2單級壓縮制冷系統進行了探究分析比較，兩種新系統比單級壓縮制冷系統制冷系數（COP）分別提高9.65%和0.72%。張普洋等[6]研究發現，在復疊式壓縮制冷系統中的高低溫級循環都布置氣液熱交換器可以明顯使系統的制冷性能系數和效率上升。

現有對于帶氣液熱交換器的雙級壓縮制冷系統（下文簡稱為雙壓系統）的研究多為在低壓級支路布置氣液熱交換器，且少有使用新型環保制冷工質的研究。本文以新型環保制冷劑2，3，3，3-四氟丙烯作為工質，對3 種不同氣液熱交換器布置方式的雙壓系統進行了能量及分析，探索了氣液熱交換器的布置方式對使用新型環保制冷劑的雙壓系統的影響，為新型環保制冷劑的應用與發展提供了思路。

1 氣液熱交換器雙壓系統概述

在雙壓系統中一般僅僅在低壓級支路布置氣液熱交換器，本文對僅低壓級支路布置氣液熱交換器、僅高壓級支路布置氣液熱交換器、高/低壓級支路都布置氣液熱交換器三種氣液熱交換器布置情況的雙壓系統進行對比研究，此處以高/低壓級支路都布置氣液熱交換器的系統為例給出系統流程。

圖1-1 為布置氣液熱交換器的雙壓系統的系統圖，圖1-2 為布置氣液熱交換器的雙壓系統的壓焓圖。圖1 中，h 為比焓值，kJ/kg；p 為壓力，Pa。

圖1 布置氣液熱交換器的雙壓系統

雙壓系統由蒸發/冷凝器、氣液分離器、兩級的膨脹閥、高/低壓級壓縮機與氣液熱交換器組成。在蒸發器中制冷劑蒸發、蒸發制冷之后進到低壓級壓縮機中，被壓縮后與飽和氣態制冷劑（來自氣液分離器）混合之后進到高壓級壓縮機中，再一次壓縮后排到冷凝器中釋放其熱量，冷凝后的飽和液態制冷劑經過第一級膨脹閥一次節流之后進到氣液分離器中，之后被補入高壓級壓縮機入口的是其中的飽和氣態制冷劑，并與來自低壓級壓縮機的制冷劑混合，飽和液態制冷劑再經第二級膨脹閥節流后回流到蒸發器中，完成整個制冷過程。

其中，來自氣液分離器液體出口的液態制冷劑與蒸發器出口的氣態制冷劑在氣液熱交換器1 中相互交換熱量，來自冷凝器出口的液態制冷劑與氣液分離器出口的氣態制冷劑在氣液熱交換器2 中相互交換熱量。

2 影響分析

工商業領域多要求制冷提供-50～-30℃的低蒸發溫度[7]，本文對蒸發溫度為-30 ℃、冷凝溫度為40 ℃的情形進行探究,制冷劑使用新型環保工質2，3，3，3-四氟丙烯，氣液熱交換器效率變化范圍從0～0.9，其中不布置氣液熱交換器的情況用氣液熱交換器效率為0 表示。

2.1 氣液熱交換器對系統機械性能的影響

圖2 為在雙壓系統中不同位置布置氣液熱交換器時，系統制冷量Qe與制冷系數COP 隨氣液熱交換器效率的變化。圖2-1，僅低壓級支路布置氣液熱交換器時，隨氣液熱交換器效率ε 從0 提高至0.9，Qe由3.16 kW 提高至3.27 kW，提高幅度為3.4%，COP 由2.28 提高至2.36，提高幅度為3.67%。

當氣液熱交換器布置在低壓級支路時，會使蒸發器進、出口的焓差提高，此時低壓級支路的制冷劑質量、流量微小降低，因此系統制冷量與制冷系數同時提升。

圖2-2，僅高壓級支路布置氣液熱交換器時，隨氣液熱交換器效率ε 從0 提高至0.9，Qe由3.16 kW 提高至3.25 kW，提高幅度為2.72%，COP 由2.28 提高至2.39，提高幅度為4.84%。

當氣液熱交換器布置在高壓級支路時，蒸發器進出口處的焓差會上升，制冷量與制冷系數都提高了，因為進到氣液分離器里的制冷劑焓值會更小，從而使氣液分離器出口處的液體制冷劑的焓值下降了。

圖2-3，高/低壓級支路都布置氣液熱交換器時，隨氣液熱交換器效率ε 從0 提高至0.9，Qe 由3.16 kW 提高至3.29 kW，提高幅度為4.27%，COP由2.28 提高至2.41，提高幅度為5.77%。

圖2 氣液熱交換器效率對雙壓系統制冷性能的影響

據以上分析顯示，在使用2，3，3，3-四氟丙烯作為制冷劑的雙壓系統中，3 種氣液熱交換器布置形式均可提高系統的制冷量與能效系數，而在高/低壓級支路同時布置氣液熱交換器對于系統制冷量與制冷能效系數的提升最為顯著。

2.2 氣液熱交換器對系統各部件損失的影響

下頁圖3 為在雙壓系統中不同位置布置氣液熱交換器時，系統中各部件的損失隨氣液熱交換器效率的變化。圖3-1，僅低壓級支路布置氣液熱交換器時，隨氣液熱交換器效率ε 從0 提高至0.9，膨脹閥1 的損失明顯降低，冷凝器的損失則有輕微提高，氣液熱交換器1 的損失先升高后降低。

圖3-2，僅高壓級支路布置氣液熱交換器時，隨氣液熱交換器效率ε 從0 提高至0.9，膨脹閥2 的用損失明顯降低，冷凝器的損失明顯提高，氣液熱交換器2 的損失先升高后降低。

圖3-3，高/低壓級支路都布置氣液熱交換器時，隨氣液熱交換器效率ε 從0 提高至0.9，膨脹閥1、2 的損失均有明顯降低，冷凝器的損失明顯提高，兩個氣液熱交換器的損失都會先升高后降低。

圖3 氣液熱交換器效率對雙壓系統各部件損失的影響

據下頁圖3 得知，在雙壓系統中，蒸發器、冷凝器與高壓級壓縮機中產生的損失最高，其三部件的損失的和占總損失的比率為57.0%～71.23%；隨著氣液熱交換器效率的提高，膨脹閥的損失顯著降低，氣液分離器的損失始終維持在近似為0的水平，低/高壓級壓縮機的損失有微小下降，氣液熱交換器的損失會先上升后下降。

2.3 氣液熱交換器對系統效率的影響

圖4 為在雙壓系統中在不同位置布置氣液熱交換器時，系統總的損失、輸出與效率隨氣液熱交換器效率的變化。圖4-1，僅低壓級支路布置氣液熱交換器時，隨氣液熱交換器效率ε 從0 提高至0.9，系統的總損失由0.76 kW 降至0.73 kW，降低了4.71%，系統的輸出由0.625 kW 上升到0.65 kW，提高3.39%；系統的效率由45.01%上升到46.66%，提高了3.65%。

圖4-2，僅高壓級支路布置氣液熱交換器時，隨氣液熱交換器效率ε 從0 提高至0.9，系統的總損失由0.76 kW 降至0.72 kW，降低5.89%；系統的用輸出由0.625 kW 上升到0.64 kW，提高了2.71%，系統的效率由45.01%上升到47.20%，提高了4.85%。

圖4 氣液熱交換器效率對雙壓系統熱力學性能的影響

圖4-3，高/低壓級支路都布置氣液熱交換器時，隨氣液熱交換器效率ε 從0 提高至0.9，系統的總損失由0.76 kW 降低到0.71 kW，降低了6.92%；系統的輸出由0.625 kW 上升到0.65 kW，提高了4.26%；系統的效率由45.01%達到47.61%，提高了5.78%。

據以上數據顯示，在使用制冷劑2，3，3，3-四氟丙烯的雙壓系統中，三種氣液熱交換器布置方式都可提高系統的效率，其中，在高/ 低壓級支路都布置氣液熱交換器對于系統效率的提升最為顯著。

3 結論

通過編制雙壓系統的計算程序，對三種布置氣液熱交換器的情況進行了能量及用分析，探究氣液熱交換器效率對系統效率與輸出、系統的COP、各部件的損失、制冷量的影響，結論如下：

1）對于使用2，3，3，3-四氟丙烯作為制冷劑的雙壓系統，三種氣液熱交換器布置形式對系統性能均有提高，其中高/低壓級循環都布置氣液熱交換器時，系統性能提高最多，隨氣液熱交換器效率從0提高至0.9，COP 提高5.77%，制冷量提高4.27%。

2）對于使用2，3，3，3-四氟丙烯作為制冷劑的雙壓系統，僅低壓級循環布置氣液熱交換器時，系統性能提高最少，隨氣液熱交換器效率從0 提高至0.9，COP 可提高3.67%，制冷量可提高3.40%；僅高壓級循環布置氣液熱交換器時，隨氣液熱交換器效率從0 提高至0.9，COP 提高4.84%，制冷量提高2.72%。

3）對于使用2，3，3，3-四氟丙烯作為制冷劑的雙壓系統，系統中損失的主要由冷凝器、蒸發器與高壓級壓縮機貢獻的，這三個部件的損失之和占總損的比率達57.0%～71.23%；在系統中設置氣液熱交換器能夠顯著降低膨脹閥的損失，從而提高系統效率。

4）對于使用2，3，3，3-四氟丙烯作為制冷劑的雙壓系統，在三種氣液熱交換器布置情況中，高/低壓級支路都布置氣液熱交換器時，系統的效率提升最高，達5.78%；其次為僅高壓級支路布置氣液熱交換器時，系統的效率提高4.85%；僅低壓級支路布置氣液熱交換器時，系統的效率提升最低，為3.65%。