過(guò)冷度對(duì)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)性能的影響分析

謝英柏，朱海濤，陳 祎，單金玲

（ 華北電力大學(xué)，能源與動(dòng)力工程學(xué)院，河北保定 071003）

0 引 言

長(zhǎng)期以來(lái)，空調(diào)系統(tǒng)消耗能量一直占據(jù)著商業(yè)建筑能耗的很大部分，接近60%［2］，這主要是由于空冷形式中水資源短缺造成。這就導(dǎo)致空調(diào)制冷機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，高低熱源的溫差較大，引起制冷效率降低［2］，并且，為了滿足制冷需求，壓縮機(jī)會(huì)經(jīng)常性地處于高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，既消耗能量，同時(shí)對(duì)整個(gè)空調(diào)制冷系統(tǒng)也是有損害的。因此，降低高低溫?zé)嵩撮g的溫差，即在冷凝器出口對(duì)制冷劑進(jìn)行再次冷卻或過(guò)冷，將有效地提高制冷效率［3］。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)展開(kāi)了很多研究，以改善制冷效率。過(guò)冷技術(shù)被廣泛地運(yùn)用在中低溫域的蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)里［4］，以節(jié)省能源。過(guò)冷方法大致有以下幾種:環(huán)境冷卻過(guò)冷;吸氣管道換熱設(shè)備作為熱匯以獲得過(guò)冷;增加外部熱匯以改造系統(tǒng)獲得過(guò)冷;使用機(jī)械過(guò)冷［5］。一些重要的成果和結(jié)論被提出來(lái)，促進(jìn)了系統(tǒng)性能和效率的提高，達(dá)到了節(jié)約能源的效果。

文中針對(duì)以R134a為制冷工質(zhì)的蒸氣壓縮式制冷循環(huán)制冷系統(tǒng)，引入過(guò)冷器，進(jìn)行了理論分析。在此基礎(chǔ)上，對(duì)目前市場(chǎng)和設(shè)備中常見(jiàn)和常用的幾種制冷劑進(jìn)行了計(jì)算分析，得到了過(guò)冷度的變化對(duì)制冷劑性能影響的相關(guān)數(shù)據(jù)和一些結(jié)論［6－9］。

1 蒸氣壓縮式過(guò)冷循環(huán)系統(tǒng)

蒸氣壓縮式過(guò)冷循環(huán)流程如圖1所示。

點(diǎn)0代表制冷劑由蒸發(fā)器出來(lái)的狀態(tài)，其為低溫低壓的飽和氣體;經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)吸氣管道，與周圍環(huán)境換熱，吸收環(huán)境熱量，達(dá)到過(guò)熱氣體狀態(tài)進(jìn)入到壓縮機(jī)中，點(diǎn)1為進(jìn)入壓縮機(jī)的狀態(tài)。點(diǎn)2表示經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后排出的制冷劑狀態(tài)，也是進(jìn)入冷凝器入口處的狀態(tài)，其為過(guò)熱蒸氣狀態(tài)。過(guò)程1－2是等熵壓縮過(guò)程，即s1=s2。在冷凝器中，過(guò)熱蒸氣定壓冷卻到飽和蒸氣狀態(tài)，然后再?gòu)娘柡驼魵鉅顟B(tài)定壓凝結(jié)到飽和液體狀態(tài)。點(diǎn)3為制冷劑在冷凝器出口的狀態(tài)，為飽和液體狀態(tài)，進(jìn)入過(guò)冷器進(jìn)行過(guò)冷過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了降低高低溫?zé)嵩撮g的溫差的效果，此時(shí)變?yōu)檫^(guò)冷液體，即狀態(tài)點(diǎn)4，進(jìn)入節(jié)流閥，進(jìn)行絕熱節(jié)流，出口為低壓兩相狀態(tài)。點(diǎn)5表示節(jié)流閥出口，即蒸發(fā)器進(jìn)口狀態(tài)。在蒸發(fā)器中制冷劑定壓蒸發(fā)。至此完成該循環(huán)。

若節(jié)流前的高壓液體處于過(guò)冷狀態(tài)，過(guò)冷對(duì)循環(huán)的影響可以由如圖2所示［6］分析得出。

上圖中，過(guò)程1－2－3－4－1是理論循環(huán)，1－2－3'－4'－1是有過(guò)冷的循環(huán)。過(guò)冷度Δt=T3－T3'。比焓相對(duì)于飽和液體，有明顯下降。從圖中可看出制冷量增加了Δq。由于單位理論功w0相同，因此液體過(guò)冷循環(huán)的制冷系數(shù)ε'0要比無(wú)過(guò)冷循環(huán)的制冷系數(shù)ε0大。本文將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算和分析。

圖1 蒸氣壓縮式過(guò)冷循環(huán)流程圖

圖2 過(guò)冷循環(huán)的p－h(huán)圖

2 建模與熱力計(jì)算

建模和計(jì)算假設(shè):

(1)系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)條件下運(yùn)行。

(2)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度均為定值;冷凝溫度取值范圍從45～60℃，蒸發(fā)溫度取值范圍從－15～10℃。

(3)忽略制冷劑在管路及換熱器內(nèi)的流動(dòng)損失和熱損失。

(4)壓縮機(jī)效率設(shè)為0.8;吸氣過(guò)熱度5℃。

3 不同過(guò)冷度下基本參數(shù)對(duì)循環(huán)性能性能的影響分析。如圖3所示。

3.1 蒸發(fā)/冷凝溫度對(duì)性能系數(shù)的影響分析

本節(jié)計(jì)算采用R134a為循環(huán)工質(zhì)。在典型工況［7］下，當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，過(guò)冷度可取0～10 ℃［8］。計(jì)算過(guò)程，△t分別取為 0、2、4、6、8 ℃時(shí)，蒸發(fā)溫度對(duì)循環(huán)性能的影響進(jìn)行計(jì)算分析。

圖3 COP和蒸發(fā)溫度的關(guān)系

對(duì)于計(jì)算結(jié)果，利用插值法進(jìn)行分析。隨著蒸發(fā)溫度的增加，循環(huán)COP明顯增加。當(dāng)蒸發(fā)溫度在－15～－4℃時(shí)，過(guò)冷度增加1℃，COP約增加1.1% ～1.5%;而當(dāng)蒸發(fā)溫度在 －4～5℃時(shí)，COP約增加0.7% ～1.1%。可得出結(jié)論，在較高蒸發(fā)溫度時(shí)，過(guò)冷對(duì)循環(huán)COP的提高呈增加趨勢(shì)，較明顯地增加了因蒸發(fā)溫度提高帶來(lái)的COP的提高。

對(duì)不同的過(guò)冷度，即△t分別為0、2、4、6和8℃時(shí)，冷凝器出口溫度對(duì)循環(huán)性能的影響進(jìn)行計(jì)算分析。

圖4 COP和冷凝溫度的關(guān)系

如圖4所示，隨著冷凝溫度的增加，循環(huán)COP明顯降低。當(dāng)冷凝溫度在45℃到60℃下，過(guò)冷度增加1℃，COP約增加1.1% ～1.3%。在較高冷凝溫度時(shí)，液體的過(guò)冷明顯提高了循環(huán)的性能，對(duì)冷凝溫度增加帶來(lái)的COP降低有一定的抵消作用。

3.2 蒸發(fā)/冷凝溫度對(duì)單位質(zhì)量制冷量的影響分析

在給定工況下，當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，對(duì)不同的過(guò)冷度下，即△t分別為0、2、4、6 和8℃時(shí)，蒸發(fā)溫度對(duì)循環(huán)制冷量的影響進(jìn)行計(jì)算分析。

如圖5所示。隨著蒸發(fā)溫度的增加，循環(huán)的制冷量明顯升高。當(dāng)冷凝溫度在45～60℃之間時(shí)，過(guò)冷度增加1℃，COP約增加0.6% ～1.2%。并且冷凝溫度越高，COP增加越大?？傻贸鼋Y(jié)論，在較高蒸發(fā)溫度時(shí)，過(guò)冷對(duì)循環(huán)COP的提高呈增加趨勢(shì)［9］。

圖5 單位質(zhì)量制冷量和蒸發(fā)溫度的關(guān)系

在給定工況下，當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，對(duì)不同的過(guò)冷度，即△t分別為0、2、4、6 和8 ℃時(shí)，冷凝溫度對(duì)循環(huán)制冷量的影響進(jìn)行計(jì)算分析。

如圖6所示隨著冷凝溫度的增加，循環(huán)的制冷量明顯降低，約為。當(dāng)冷凝溫度在45～60℃之間時(shí)，過(guò)冷度增加1℃，單位質(zhì)量制冷量約增加0.7% ～1.1%。并且冷凝溫度越高，制冷量增加越大。

圖6 單位質(zhì)量制冷量和冷凝溫度的關(guān)系

4 過(guò)冷度對(duì)多種常用制冷劑循環(huán)性能的影響分析

在同一工況下，設(shè)定蒸發(fā)溫度為－5℃，冷凝溫度為30℃，對(duì)多種常用制冷劑進(jìn)行建模和計(jì)算，結(jié)果如圖7所示。

圖7 COP＇/COP和過(guò)冷度的關(guān)系

選取常用的氟利昂類、碳?xì)浠衔镆约盁o(wú)機(jī)物制冷工質(zhì)作為典型代表，進(jìn)行了模擬計(jì)算。由圖可分析得，采用過(guò)冷后的工質(zhì)的循環(huán)COP＇與普通循環(huán)的COP的比值，CO2和乙烷受過(guò)冷度影響比較大;對(duì)R717影響較小。

如圖8所示，CO2、R717隨過(guò)冷度的提高，其制冷量增加得最快，其次是丙烷和乙烷類碳?xì)浠衔?，而氟利昂類工質(zhì)趨勢(shì)相似，增加趨勢(shì)較小。

由于氟氯昂類工質(zhì)的結(jié)果相近，對(duì)其進(jìn)行繪圖比較。如圖9所示。

圖8 制冷量變化量和過(guò)冷度的關(guān)系

圖9 COP＇/COP的值和過(guò)冷度的關(guān)系

從圖9中可以得出結(jié)論，COP＇/COP的值隨著過(guò)冷度增大，均出現(xiàn)較明顯的線性增長(zhǎng)。增長(zhǎng)率在0.31% ～0.80%之間，其中工質(zhì)R142b增長(zhǎng)率最高為0.8%。

圖10 制冷量變化量和過(guò)冷度的關(guān)系

從圖10中可看出，單位質(zhì)量制冷量的改變值隨著過(guò)冷度增大，呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)。增長(zhǎng)率在0.28% ～0.79%之間，其中R22和R134a在過(guò)冷度不高的時(shí)候，其制冷量增加量就體現(xiàn)出了效率高的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

(1)過(guò)冷總能提高蒸氣壓縮制冷循環(huán)的性能;

(2)在蒸發(fā)溫度較高時(shí)，過(guò)冷對(duì)循環(huán)COP的提高呈增加趨勢(shì)，較明顯地增加了循環(huán)的COP;而冷凝溫度較高時(shí)，液體的過(guò)冷明顯提高了循環(huán)的性能，對(duì)冷凝溫度增加帶來(lái)的COP降低有一定的抵消作用。

(3)CO2、乙烷等工質(zhì)的循環(huán)COP提高與否和循環(huán)的過(guò)冷度有很大關(guān)聯(lián);制冷量的提高方面，碳?xì)浠衔锖蜔o(wú)機(jī)物提高較多，而氟氯昂類制冷劑提高較少。

(4)在氟氯昂類制冷劑中，性能隨過(guò)冷度變化的趨勢(shì)相似。R142b、R134a、R22對(duì)于受過(guò)冷度影響比較大。

下一步，將進(jìn)行更廣泛的調(diào)研，對(duì)如何在控制設(shè)備的使用和維護(hù)成本前提下，獲得更多過(guò)冷進(jìn)行探索。

過(guò)冷對(duì)蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的性能有不可低估的作用。在制冷設(shè)備的設(shè)計(jì)與使用維護(hù)時(shí)，盡量利用各種裝置和方法提高過(guò)冷度，保證蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)較高效的運(yùn)行，以節(jié)省能源。

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［8］［S］.蒸氣壓縮循環(huán)冷水(熱泵)機(jī)組，工商業(yè)用和類似用途的冷水(熱泵)機(jī)組.