冷藏/冷凍車輛用制冷機(jī)組的性能實(shí)驗(yàn)及模擬

王振環(huán) 崔然成 王珊珊

(1 濱州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 濱州 256600;2 韓國制冷空調(diào)認(rèn)證中心 華城市 18608)

近年來,隨著國內(nèi)居民收入水平的穩(wěn)步增長,消費(fèi)水平的提高,人們對于食品的多樣性、營養(yǎng)性、新鮮度、口感需求也大幅提升[1]。同時(shí),隨著國內(nèi)電商以及疫情的發(fā)展,生鮮電商、蔬果宅配等業(yè)務(wù)不斷擴(kuò)大。從2017年至2021年國內(nèi)生鮮電商市場規(guī)模已從1 097億元增長至6 861億元[2]。國內(nèi)生鮮電商市場規(guī)模的擴(kuò)大推動(dòng)國內(nèi)食品領(lǐng)域?qū)滏溛锪餍枨罅坎粩嘣黾印?shù)據(jù)顯示,2016年國內(nèi)冷藏車銷售量約為22 406輛;至2020年底增至79 865輛[3]。由于制冷機(jī)組必須將冷藏/冷凍車輛內(nèi)的溫度保持在一定范圍內(nèi),并且需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟瓤刂?冷藏車比一般車輛能耗大。因此,需要持續(xù)的技術(shù)開發(fā)來提高能源效率并減少CO2的排放。

為減少冷藏運(yùn)輸過程中的能量消耗,近年來國內(nèi)外研究人員進(jìn)行了較多的研究工作。王振環(huán)等[4-5]實(shí)驗(yàn)研究了冷藏/冷凍車輛用冷凝器和蒸發(fā)器的不同翅片形狀、翅片節(jié)距、管排數(shù)和空氣流量對空氣側(cè)傳熱和壓降性能的影響。秋雨豪等[6]對高溫環(huán)境下冷藏車用制冷機(jī)組的壓縮機(jī)吸/排氣溫度和壓力、制冷能力以及高濕環(huán)境下的蒸發(fā)器回風(fēng)溫度和結(jié)霜情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。趙娟等[7]在疫苗冷藏車在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min條件下,分別對太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)道結(jié)構(gòu)、制冷機(jī)組開關(guān)及門簾有無4個(gè)車廂熱性能影響因素進(jìn)行了實(shí)測研究。張皓月等[8]以2～8 ℃小型疫苗冷庫為研究對象,研究了無負(fù)載情況下庫內(nèi)冷風(fēng)機(jī)布置臺數(shù)、冷風(fēng)機(jī)不同布置方式和庫門開啟狀況下對冷庫溫度場的影響。王勤等[9]研究了環(huán)境溫度對空氣制冷循環(huán)的影響,并與蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)進(jìn)行了對比。Y. C. Shin等[10]對比分析了不同條件下冷凍車?yán)洳叵到y(tǒng)制冷劑R404A和R134a的性能,結(jié)果表明R134a的效率比R404A高約15.3%。H. Oh等[11]研究了R744-R404A階梯式系統(tǒng)最佳的制冷劑填充量的質(zhì)量流量比,確認(rèn)高溫循環(huán)的過冷度和過熱度越大,質(zhì)量流量比越小。孫志利等[12]分析了R404A制冷劑替代的研究進(jìn)展,指出R449A制冷劑COP(性能系數(shù),coefficient of performance)高于R404A,可直接用于現(xiàn)有R404A制冷系統(tǒng)改造。王汝金等[13]對R449A在壓縮冷凝機(jī)組中作為R404A制冷劑的直接替代可行性開展了較為系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究,名義工況下COP比R404A原型機(jī)組高2.58%且GWP(全球變暖潛值,Global Warming Potential)優(yōu)勢顯著。秋雨豪等[14]研究了制冷劑充注量對冷藏車用制冷機(jī)組性能的影響。相對于標(biāo)準(zhǔn)充注量,在制冷劑欠充20%和10%條件下,制冷能力分別降低約10%和7%;在制冷劑過充10%和20%條件下,制冷能力僅有不足3%的提升。劉杰等[15]利用新型換熱器來降低汽車空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑充注量。C. W. Myung等[16]研究發(fā)現(xiàn)采用制冷劑R744的冷藏車用制冷機(jī)性能隨工況變化較為敏感,室外溫度由25 ℃升至35 ℃,COP降低30%。H. M. Yang等[17]通過數(shù)值模擬預(yù)測了壓縮機(jī)性能隨制冷劑的變化。Liu Guanghai等[18]研究了一種新型相變蓄冷單元作為運(yùn)輸冷藏車的移動(dòng)制冷機(jī)組以提高其室溫控制性能。

綜上所述,雖然對制冷機(jī)組的研究較多,但對于超低溫用復(fù)疊式制冷機(jī)或11 t車輛上使用的大中型制冷機(jī)組性能實(shí)驗(yàn)的研究較少。車用制冷機(jī)組的研究大多是基于理論分析方法的性能預(yù)測研究。因此,本研究設(shè)計(jì)制造了一臺使用R404A制冷劑的10 kW制冷機(jī)組,對制冷機(jī)組的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬,并進(jìn)行了對比。根據(jù)過熱度和制冷劑量充注量的不同分析了制冷機(jī)組的制冷能力、高低壓力和COP。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及數(shù)值模擬

1.1 性能測試裝置及方法

為了測試?yán)洳?冷凍車輛制冷機(jī)組的性能,本次制冷機(jī)組性能測試在韓國制冷空調(diào)認(rèn)證中心(Korea Refrigeration and Air Conditioning Assessment Center,KRAAC)完成,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,包括保持室內(nèi)溫度和濕度的空氣調(diào)節(jié)器、電力供給裝置、測量風(fēng)量、熱量測量裝置和數(shù)據(jù)采集裝置等外部設(shè)備。該實(shí)驗(yàn)裝置的熱量計(jì)最大制冷能力為70 kW,通過PID控制,將箱體的干/濕球溫度保持在設(shè)定值的允許范圍內(nèi)(±0.3 ℃)。在制冷劑方面,制冷系統(tǒng)中安裝了質(zhì)量流量計(jì)(精度為0.1%)、RTD溫度傳感器(精度為±0.1 ℃)及壓力計(jì),以分別測量制冷劑循環(huán)流量、溫度及壓力數(shù)據(jù)。空氣側(cè)風(fēng)量根據(jù)ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)41.2[19]使用噴嘴法進(jìn)行測量。噴嘴前、后端壓力采用壓力傳感器測量,壓力表誤差為±0.1%。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)使用的制冷機(jī)組如圖2所示。機(jī)組設(shè)備包括壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、電子膨脹閥、內(nèi)部換熱器等組成。制冷劑為R404A,多用于大中型制冷機(jī)組,壓縮機(jī)為渦旋式,蒸發(fā)器翅片類型為波浪翅片,冷凝器翅片類型為百葉翅片。調(diào)節(jié)電子膨脹閥開度的同時(shí)控制制冷循環(huán)的過熱度,并采用內(nèi)部換熱器提高制冷機(jī)組的性能。測量空氣側(cè)和制冷劑側(cè)數(shù)據(jù)以得到制冷能力偏差小于±5%的數(shù)據(jù)。

圖2 制冷機(jī)組

為了得到準(zhǔn)確的制冷機(jī)組各項(xiàng)數(shù)據(jù),以2 s為間隔儲存,對5 min的測量值進(jìn)行平均,并測量7次以計(jì)算總平均值。根據(jù)式(1)～式(3)計(jì)算出空氣側(cè)熱量Qa、制冷側(cè)熱量Qr、平均熱量Q。

(1)

(2)

Q=(Qa+Qr)/2

(3)

為了優(yōu)化制冷機(jī)組的制冷循環(huán),在固定壓縮機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)、室內(nèi)外溫濕度等情況下,改變制冷劑充注量和過熱度,研究了制冷循環(huán)的性能。為了確認(rèn)最佳制冷劑充注量和過熱度,對制冷劑充注量進(jìn)行了先行實(shí)驗(yàn),將制冷劑充注量定為6.6～7.8 kg,間隔為0.4 kg;各制冷劑充注量的過熱度變化為2、4、6 ℃,分析了制冷機(jī)組的制冷能力、COP和壓力等性能變化。表1所示為采用ATP[20]標(biāo)準(zhǔn)的制冷機(jī)組實(shí)驗(yàn)條件,將室內(nèi)外分開,室內(nèi)設(shè)置了入口干球溫度和露點(diǎn)溫度。表2所示為用于冷藏/冷凍車輛制冷機(jī)組的規(guī)格參數(shù)。

表1 制冷機(jī)組的實(shí)驗(yàn)條件

表2 制冷機(jī)組的規(guī)格參數(shù)

1.2 數(shù)值模擬方法

(4)

(5)

由式(4)、式(5)可得:

(6)

熱傳單元數(shù)NTU:

(7)

式中:Ch為熱流體的熱容量,J/(kg·℃);thi為熱流體的進(jìn)口溫度,℃;tho為熱流體的出口溫度,℃;Cc為冷流體的熱容量,J/(kg·℃);tco為冷流體的進(jìn)口溫度,℃;tci為冷流體的進(jìn)口溫度,℃;Cmin為最小熱容量,J/(kg·℃);U為整體傳熱系數(shù),W/(m2·℃);A為傳熱面積,m2。

蒸發(fā)器出口處的制冷劑狀態(tài)是過熱蒸氣時(shí),過熱蒸氣的傳熱相關(guān)表達(dá)式為努塞爾數(shù)表達(dá)式:

(8)

冷凝器入口為過熱蒸氣狀態(tài)時(shí),關(guān)聯(lián)式采用Dittus-Boelter式。冷凝器出口為過冷條件時(shí),采用式(9)的關(guān)聯(lián)式。

(9)

輸入項(xiàng)目主要由流體選定、空氣和制冷劑輸入條件、蒸發(fā)器設(shè)計(jì)參數(shù)以及翅片類型等組成。輸出結(jié)果主要由制冷劑側(cè)、空氣側(cè)構(gòu)成。制冷劑側(cè)計(jì)算得出壓降、過熱度、區(qū)間傳熱系數(shù)、總傳熱系數(shù)。空氣側(cè)計(jì)算得出出口空氣溫度及溫差、壓降、除濕量、傳熱系數(shù)、j因子、f因子、總傳熱系數(shù)等。循環(huán)數(shù)值模擬流程圖如圖3所示。

圖3 循環(huán)模擬流程圖

2 實(shí)驗(yàn)及模型結(jié)果分析

2.1 制冷劑填充量對制冷機(jī)組影響

圖4(a)所示為過熱度4 ℃狀態(tài)下,不同制冷劑充注量的制冷循環(huán)系統(tǒng)制冷能力和COP實(shí)驗(yàn)值與模擬值對比。由圖4(a)可知,隨著制冷劑充填量的增加,制冷能力和COP也隨之增加。當(dāng)制冷劑量為7.4 kg時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果制冷能力最大為12.20 kW,數(shù)值模擬結(jié)果為12.37 kW。隨著制冷劑充注量增至7.8 kg時(shí),制冷能力下降,COP也呈現(xiàn)相同趨勢。對于制冷能力和COP,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬值變化趨勢基本一致。根據(jù)制冷劑充注量的不同,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的制冷能力和COP誤差小于1%。圖4(b)所示為過熱度4 ℃狀態(tài)下,不同制冷劑充注量的制冷循環(huán)系統(tǒng)的高壓和低壓實(shí)驗(yàn)值與模擬值對比。由圖4(b)可知,當(dāng)制冷劑充注量為6.6 kg時(shí),制冷機(jī)組的低壓和高壓最低,隨著制冷劑充注量的增加,高低壓呈上升趨勢。當(dāng)制冷劑為7.4 kg時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果高、低壓最大分別為2 061.5 kPa和304.5 kPa,數(shù)值模擬結(jié)果分別為2 091.4 kPa和314.5 kPa。當(dāng)充注量從7.4 kg增至7.8 kg時(shí),高壓增加了1 kPa,低壓降低了2 kPa。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比,總體上高壓誤差在2%以內(nèi),低壓在4%以內(nèi)。由實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果可知,制冷劑量為7.4 kg時(shí),制冷機(jī)組的制冷能力和COP最高,因此選定為最佳制冷劑量。

圖4 不同制冷劑充注量的制冷能力和壓力(實(shí)驗(yàn)-模擬)

2.2 過熱度對制冷機(jī)組影響

圖5(a)所示為制冷劑充注量為7.4 kg狀態(tài)下,不同過熱度的制冷循環(huán)系統(tǒng)制冷能力和COP實(shí)驗(yàn)值與模擬值對比。由圖5(a)可知,實(shí)驗(yàn)值和模擬值當(dāng)過熱度由2 ℃升至4 ℃時(shí),制冷能力分別上升約0.8%和0.7%;由4 ℃升至6 ℃時(shí),制冷能力分別下降約5.9%和2.1%;當(dāng)過熱度由2 ℃升至4 ℃時(shí),制冷機(jī)組的COP分別上升約1.1%和0.6%;由4 ℃升至6 ℃時(shí),制冷機(jī)組的COP分別下降約6.3%和1.7%。模擬值比實(shí)驗(yàn)值制冷能力高約6.8%,COP低約6.1%。隨著過熱度增至6 ℃時(shí),制冷能力下降,COP也呈現(xiàn)相同趨勢。圖5(b)所示為制冷劑充注量為7.4 kg狀態(tài)下,不同過熱度的制冷循環(huán)系統(tǒng)的高壓和低壓實(shí)驗(yàn)值與模擬值對比。由圖5(b)可知,實(shí)驗(yàn)值與模擬值隨著過熱度的增加,高低壓有上升的趨勢。當(dāng)過熱度由2 ℃升至6 ℃時(shí),高壓分別增加約1.6%和1.3%,低壓分別增加約4.1%和2.7%。模擬值與實(shí)驗(yàn)值相比,高壓和低壓分別高約1.9%和2.5%。為了控制過熱度,對電子膨脹閥開度進(jìn)行了調(diào)節(jié)。在低過熱度區(qū)域2～4 ℃,由于適量的制冷劑進(jìn)行熱交換后制冷能力上升。但當(dāng)過熱度大于4 ℃時(shí),由于制冷劑的比體積將大幅增加,制冷機(jī)組的壓力也增大,而制冷能力和COP大幅減少。由實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果可知,制冷機(jī)組的制冷循環(huán)在過熱度為4 ℃時(shí),制冷能力和COP性能最佳,因此選定為最適合過熱度。

圖5 不同過熱度的制冷能力和壓力(實(shí)驗(yàn)-模擬)

由圖4和圖5可知,模擬值和實(shí)驗(yàn)值顯示,制冷能力和COP的誤差分別為6.4%和8.5%。所有誤差均在10%以內(nèi)。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合良好,誤差均在合理范圍之內(nèi),故可用數(shù)值模擬的方法檢驗(yàn)制冷機(jī)組性能研究的可靠性。由實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果可知,在制冷循環(huán)過熱度為4 ℃,制冷劑充注量為7.4 kg時(shí),制冷能力和COP最佳,因此被選為最佳工況。

2.3 制冷劑R449A和R404A對制冷機(jī)組影響

通過該數(shù)值模擬程序應(yīng)用制冷劑R449A進(jìn)行分析,并與R404A進(jìn)行對比。圖6(a)所示為過熱度4 ℃狀態(tài)下,不同制冷劑充注量和制冷劑種類的制冷循環(huán)系統(tǒng)制冷能力和COP的變化。制冷劑R404A的制冷能力略高于R449A。當(dāng)R449A充注量為6.6～7.8 kg時(shí),比R404A制冷能力下降了1.6%～4.2%;當(dāng)充注量為7.4 kg時(shí),R449A和R404A制冷能力最大比充注量為6.6 kg時(shí)分別上升了1.2%和3.3%;當(dāng)充注量為7.8 kg時(shí),比充注量為7.4 kg時(shí)分別下降了1.1%和0.4%。隨著制冷劑充注量的增加制冷能力略有減小。當(dāng)R404A充注量為6.6～7.4 kg時(shí),COP逐漸增大,但充注量增至7.8 kg時(shí),相比于7.4 kg時(shí)COP反而減少了4%。當(dāng)R449A充注量為6.6～7.0 kg時(shí),COP逐漸增大,但充注量增至7.4～7.8 kg時(shí),比7.0 kg時(shí)COP反而減少了3%～4%。當(dāng)充注量為7 kg時(shí),R449A的COP最佳,比R404A高約3.2%。綜合來看,制冷劑R404A的COP比R449A略低,是由于功耗下降的比例大于能力下降的比例,因此COP上升。圖6(b)所示為過熱度4 ℃狀態(tài)下,不同制冷劑充注量和制冷劑種類的制冷循環(huán)系統(tǒng)高壓和低壓性能的變化。由圖6(b)可知,制冷劑R404A的高低壓比R449A略高。當(dāng)R404A充注量為6.6～7.8 kg時(shí),與R449A相比,高壓增加了7.5%～7.8%;低壓增加了29.1%～30.5%。隨著R449A和R404A充注量的增加,制冷機(jī)組的高低壓變化較小。由圖6可知,R449A充注量為7.4 kg時(shí),最大制冷能力為11.8 kW,充注量為7.0 kg時(shí),最大COP為1.91。當(dāng)制冷劑充注量為7.4 kg時(shí),COP為1.90,相比于充注量為7.0 kg時(shí)COP低0.01。綜合考慮,制冷劑充注量為7.4 kg時(shí)最為合適。

圖6 不同制冷劑充注量的制冷能力和壓力 (R404A-R449A)

圖7(a)所示為制冷劑充注量為7.4 kg狀態(tài)下,不同過熱度和制冷劑種類的制冷循環(huán)系統(tǒng)制冷能力和COP性能的變化。制冷劑R404A的制冷能力比R449A略高,但R404A的COP比R449A略低。R449A各過熱度變化區(qū)間的平均制冷能力比R404A低0.8%,COP高4.3%。當(dāng)過熱度由2 ℃增至4 ℃時(shí),制冷能力和COP分別增加了約1.3%和1.1%;由4 ℃增至6 ℃時(shí),制冷能力和COP分別減少了約3.9%和1.6%。圖7(b)所示為在制冷劑充注量為7.4 kg狀態(tài)下,不同過熱度和制冷劑種類的制冷循環(huán)系統(tǒng)高壓和低壓性能的變化。由圖7(b)可知,制冷劑R404A的高低壓比R449A略高。與R404A相比,R449A的整體高壓降低了7%,低壓降低了26.7%。制冷劑為R449A,當(dāng)過熱度由2 ℃增至4 ℃ 時(shí),高壓增加了16 kPa,低壓增加了1.5 kPa;當(dāng)過熱度由4 ℃增至6 ℃ 時(shí),高壓增加了2.5 kPa,低壓增加了6.5 kPa。由圖7可知,R449A在過熱度為4 ℃時(shí),最高制冷能力為12.82 kW,COP為1.82,比R404A的制冷能力和COP高,綜合考慮下較R404A整體表現(xiàn)突出,且GWP優(yōu)勢顯著,R449A的GWP比R404A低67%,在本實(shí)驗(yàn)中制冷劑R449A可以替代R404A使用。

圖7 不同過熱度的制冷能力和壓力 (R404A-R449A)

3 結(jié)論

本文對冷藏/冷凍車輛用制冷機(jī)組的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及模擬研究。根據(jù)制冷劑充注量、過熱度和制冷劑種類的變化,對制冷循環(huán)系統(tǒng)的制冷能力、COP等性能進(jìn)行了分析,得到如下結(jié)論:

1)制冷循環(huán)系統(tǒng)性能變化在很大程度上取決于過熱程度的變化,而非制冷劑充注量的變化。當(dāng)制冷劑為R404A時(shí),制冷能力和COP的模擬值和實(shí)驗(yàn)值誤差分別為6.4%和8.5%,所有誤差均在10%以內(nèi)。隨著過熱度和制冷劑充注量的變化,制冷機(jī)組的制冷循環(huán)在過熱度為4 ℃和制冷劑充注量為7.4 kg時(shí),制冷能力和COP最佳。

2)使用制冷劑R449A時(shí),當(dāng)制冷劑充注量為7.4 kg時(shí),制冷能力和COP分別為11.88 kW和1.90,過熱度為4 ℃時(shí)性能最佳。與制冷劑R404A相比,R449A的循環(huán)系統(tǒng)制冷能力最大減少了3%,COP最大上升了4%。綜合考慮下,R449A較R404A整體表現(xiàn)突出,且GWP優(yōu)勢顯著,確認(rèn)了制冷劑R449A可替代R404A使用。

本文受山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018GNC112003)和博士科研啟動(dòng)基金(2019Y39)項(xiàng)目資助。(The project was supported by Key R&D Projects in Shandong Province(No. 2018GNC112003)& Doctoral Research Startup Fund (No. 2019Y39).)