帶經濟器補氣的R1234yf兩級壓縮制冷循環的性能分析

王 朋 楊啟超 遲衛凱

（青島科技大學機電學院 青島 266061）

0 引言

離心式冷水機組因其制冷量大、能效高而廣泛應用于大型中央空調、醫療衛生、工業生產等各行各業?，F階段大型的離心式冷水機機組常用制冷劑有R22、R134a、R407C 以及R507C 等[1]。制冷劑伴隨機組每年2%左右的不可避免的損耗以及操作不當的泄露等因素排放到大氣中，對環境存在一定程度的破壞。隨著環境形勢的日益嚴峻和《關于耗損臭氧層物質的蒙特利爾議定書》的簽署[2]，R22的OPD（Ozone depletion potential 臭氧層破壞指數）較高，現在已經逐步淘汰，而R134a、R407C 和R507C 雖然不會破壞臭氧層，但是它們的GWP（Global Warming Potential 全球溫室效應指數）較高，長期大量使用會導致全球溫室效應加劇，根據基加利協議此類制冷劑也會被逐步淘汰[3,4]。因此，針對離心冷水機組制冷劑的替代工作也是其研究的熱點問題之一。

目前，R134a 的主流代替工質有R1234ze、R1234zd 和R1234yf[5,6]，R1234ze 和R1234zd 常用于離心式冷水機組[7,8]，也有許多公司推出了相關產品，如丹佛斯、特靈、格力和三菱重工等[9,10]。R1234yf 主要用于汽車空調系統中替代R134a。中國、美國、日本及歐盟的新型車的空調系統都開始采用R1234yf 制冷劑，研究表明其能效水平僅相差2%～4%[11,12]。同時也有許多學者針對采用替代制冷劑的換熱器研究，研究成果表明：R1234yf 管內兩相蒸發換熱系數與R134a 相當[13,14]。從物性上看R1234yf 的分子量、沸點、臨界溫度、臨界壓力和飽和蒸汽密度等均與R134a 相近[15]，R1234yf 與R134a 在冷水機組中的作用與可發揮能力相近，且R1234yf 的ODP=0，GWP＜1，安全性方面，R1234yf無毒可燃性差，研究表明R1234yf 在汽車空調工況下運行不可燃，安全性與R134a 相同[16]。由此可見R1234yf 是比較理想的R134a 替代工質。

本文對R1234yf和R134a 在離心式冷水機組中的具體性能表現進行理論對比分析。

1 系統介紹

本文針對板式換熱器作為經濟器的兩級離心式冷水機組循環系統進行研究分析，系統流程圖如圖1所示。壓縮機采用雙葉輪兩級壓縮離心式壓縮機，兩葉輪分別實現1—2 壓縮過程和4—5 壓縮過程，一般情況下稱之為壓縮機高壓級和壓縮機低壓級。

圖1 系統流程圖Fig.1 Schematic diagram of the system

循環的基本原理為通過制冷劑在蒸發器A 的氣化吸收冷水熱量，壓縮機低壓級B 吸入蒸發器A的制冷劑蒸汽使其壓縮到中間壓力，吸收經濟器出來的制冷劑氣體通過壓縮機高壓級C 壓縮到高溫高壓的氣態并送入冷凝器D。從冷凝器D 出來的制冷劑液體一部分經過節流閥E 后進入經濟器F進行蒸發后匯入壓縮機低壓級B 出口，另一部分直接進入經濟器F，通過經濟器冷一側的制冷劑蒸發對該部分制冷劑進行降溫后通過節流閥G 后進入蒸發器。設置經濟器主要目的是使冷凝器D 出來的制冷劑液體過冷從而達到增加制冷量的作用，同時補氣也可降低壓縮機的排氣溫度。循環系統p-h圖如圖2所示。

圖2 循環系統p-h 圖Fig.2 The p-h diagram of the system

由于制冷劑R134a與R1234yf兩種制冷劑的物性存在差異以及循環系統中不可避免存在壓力損失和熱量散失，為了可以更加清晰的看到不同工況和制冷劑在相同循環下的差異性，故通過如下假設條件簡化計算：

（1）循環中節流過程為絕熱過程；（2）換熱器和管件不存在壓力損失和熱量損失；（3）循環各狀態點不隨時間的變化而變化；（4）冷凝器循環水進出口溫度不受環境溫度影響；（5）壓縮機等熵效率與壓縮機的壓比相關，用下式計算：。

2 熱力學模型

根據熱力學能量守恒定律和質量守恒定律建立系統分析模型，系統的主要性能參數根據以下方程得出。

循環制冷量：

式中，Q為系統制冷量，kW；h9和h0為蒸發器進出口焓，kJ/kg；qm為制冷劑質量流量，kg/s。

壓縮機輸入功率：

式中，WL和WH為壓縮機高低壓功耗，kW；h1、h2、h4和h5為各狀態點焓，kJ/kg；x為循環系統最佳補氣比。

經濟器采用板式換熱器，通過補氣部分3-7（狀態點）的蒸發作用使6 點降溫到8 點，實現增加過冷度的目的。能量平衡方程：

系統COP：

壓縮機低壓級、高壓級?損失：

式中，e為狀態點?，kJ/kg；h為狀態點焓，kJ/kg；T0為環境溫度，℃；S為狀態點熵，kJ/kg。

蒸發器?損失：

冷凝器?損失：

經濟器?損失：

一、二級節流?損失：

系統?效率：

本文根據上述條件利用MATLAB 建立該制冷系統的數學模型，采用REFPROP 調用各狀態點參數，圖3 為冷凝溫度變化時循環系統模型計算流程圖。

圖3 計算流程圖Fig.3 Diagram of the calculation process

3 結果分析

在環境溫度為30℃，蒸發溫度為2℃時，最佳補氣量的情況下，在制冷劑流量相同時對R134a與R1234yf 進行系統性能分析。

帶補氣的兩級壓縮制冷系統存在最佳的中間補氣溫度使得系統的COP 最大，系統的COP 會隨著補氣溫度變化而變化，當蒸發溫度2℃、冷凝溫度40℃時，R134a 系統與R1234yf 系統COP 隨著補氣溫度變化關系曲線如圖4所示。從圖可知，R134a 系統COP 大于R1234yf，系統隨著中間補氣溫度的上升先增大后減小，存在最佳補氣溫度使系統COP 最大，當系統補氣溫度為19.27℃時，R1234yf 系統COP 到最大值，當系統補氣溫度為19.75℃時，R134a 系統COP 到最大值，兩制冷劑的最佳中間溫度差別極小，下面的分析都是在最佳補氣溫度下獲得的結果。

圖4 COP 與最佳中間氣溫度的關系Fig.4 Effect of optimal vapor injection temperature on COP

圖5 為分別采用R134a 與R1234yf 制冷劑時冷凝溫度對系統制冷量的影響規律。隨著冷凝溫度的升高系統的最佳補氣量隨之提高，經過蒸發器的制冷劑量減少，從而系統制冷量隨著冷凝溫度的升到而降低，其下降幅度大致相同，約為8%，R134a系統制冷量比R1234yf 高19～21%，其主要原因是R134a 的汽化潛熱大于R1234yf。

圖5 最佳補氣量下系統制冷量與冷凝溫度關系Fig.5 Variation of system refrigeration capacity with condensing temperature under optimal vapor injection flow

圖6 為壓縮機高壓級和低壓級功耗隨著冷凝溫度變化的關系曲線，R134a 與R1234yf 的壓縮機的低壓級和高壓級的功耗均隨著冷凝溫度的升高逐漸升高，R1234yf 的壓縮機低壓級和高壓級總功耗比R134a 低17～19%，在采用R1234yf 時冷凝溫度變化壓縮機對壓縮機功耗的上升幅度小于R134a，也就是說輸入功率一定的情況下壓縮機壓縮R1234yf 時更能適應工況的變化。

圖6 最佳補氣量下功耗與冷凝溫度關系Fig.6 Variation of compressors’consumption with condensing temperature under optimal vapor

圖7 和圖8 分別為在最佳補氣量情況下蒸發溫度和冷凝溫度對系統COP 的影響規律。由圖可以看出系統COP 隨著冷凝溫度的升高而降低，而隨著蒸發溫度的升高而升高，在蒸發溫度和冷凝溫度變化時兩系統COP 變化幅度大致相同，R1234yf系統COP 始終低于R134a 系統。在蒸發溫度5.5℃，冷凝溫度40℃時，R134a 的COP 為6.75，R1234yf的COP 為6.61，相比于R134a，采用R1234yf 的COP 下降了約2.11%，可以看出在同一系統中R134a 與R1234yf 在能效水平上大致相近。

圖7 最佳補氣量下系統COP 與冷凝溫度關系Fig.7 Variation of COP with condensing temperature under optimal vapor injection flow

圖8 最佳補氣量下系統COP 與蒸發溫度關系Fig.8 Variation of COP with evaporation temperature under optimal vapor injection flow

帶補氣的兩級壓縮冷水機組循環系統各狀態點輸入?、輸出?、?損失及所占比例如圖9 和表1所示，在相同質量流量下采用R134a 的系統壓縮機高低壓級、冷凝器高于R1234yf 系統，而蒸發器、經濟器和一、二級節流閥低于R1234yf 系統，采用R134a 系統和R1234yf 系統中各部件?損失中冷凝器?損失最高，分別占總損失的36.56%和23.29%，蒸發器次之，分別占總損失的17.71%和20.42%，總?損失R134a 系統比R1234yf 系統高約13.27%，其差異來源主要是冷凝器和壓縮機高低壓級的?損失，由此可見在相同工況下的同一系統中采用R1234yf，冷凝器和壓縮機性能要優于R134a 系統，蒸發器?損失略高于R134a 系統。

圖9 循環各部件?損失Fig.9 Exergy loss of system components

表1 循環各狀態點?參數Table 1 Parameters of each status point of the cycle

系統?效率隨冷凝溫度變化規律如圖10所示。在質量流量相同的情況下，?效率隨著冷凝溫度的升高而降低，兩種工質降低程度大致保持一致。在上述工況條件下采用R134a 的?效率為0.64；R1234yf 為0.62，差異僅有2～3%。圖11 為系統在不同環境溫度下的?效率，由圖可知在冷凝溫度不變的情況下環境溫度升高系統?效率均有所升高，采用兩種工種不同工質的系統?效率差異也只有2～3%。由此可見兩種制冷劑在不可逆損失的相關性質上大致相同。

圖10 最佳補氣量下系統?效率與冷凝溫度關系Fig.10 Variation of exergy efficiency with condensing temperature under optimal vapor injection flow

圖11 最佳補氣量下系統?效率與環境溫度關系Fig.11 Variation of exergy efficiency with the ambient temperature under optimal vapor injection flow

4 結論

本文對用于兩級離心式冷水機組中的帶補氣的制冷循環系統，建立了理論分析模型并編制計算程序，采用R1234yf 和R134a 兩種制冷劑，在相同質量流量下對系統的制冷量、壓縮機功耗、COP、各部件不可逆損失和?效率進行性能分析對比，得出如下主要結論：

（1）R134a 和R1234yf 系統制冷量隨著蒸發溫度的升高而升高，隨著冷凝溫度的升高而略有下降，壓縮機功耗隨蒸發溫度的升高而降低，隨著冷凝溫度的升高而升高，R134a 系統制冷量較R1234yf 系統制冷量高19～21%，壓縮機總功耗高約17～19%，R1234yf 系統COP 僅比R134a 系統低2～3%，故在系統性能方面考慮R1234yf 可以作為R134a 代替工質用于離心式冷水機組。

（2）R134a 和R1234yf 系統?損失隨著冷凝溫度的升高而升高，系統?效率隨著冷凝溫度的升高而降低，系統?效率隨著在冷凝溫度不變的情況下隨環境溫度的升高而降升高，R134a 系統總?損失比R1234yf 系統高約13.27%，由于R1234yf 系統蒸發器和冷凝器?損失相對較高，所以R1234yf系統?效率略低于R134a 系統，相差約2.79%。從系統?效率情況看R1234yf可以作為R134a 的代替工質用于離心式冷水機組。

綜上所述，R1234yf 從環保方面來說均優于R134a，從系統能效和?效率方面來說略低于R134a，R1234yf 是代替R134a 用于兩級離心式冷水機組的比較理想的工質。