帶回?zé)崞鞯腞404a/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的理論分析

于韶山，王景剛，鮑玲玲

(河北工程大學(xué)　城市建設(shè)學(xué)院，河北　邯鄲056038)

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帶回?zé)崞鞯腞404a/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的理論分析

于韶山，王景剛，鮑玲玲

(河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，河北邯鄲056038)

摘要：建立低溫環(huán)境下帶回?zé)崞鞯腞404a/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的模型，為提高系統(tǒng)COP，對(duì)其進(jìn)行熱力學(xué)分析。應(yīng)用控制變量法，通過(guò)理論計(jì)算對(duì)比分析系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度、低溫循環(huán)冷凝溫度、過(guò)冷度以及冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差等因素對(duì)該系統(tǒng)COP的影響。結(jié)果顯示，在其他參數(shù)一定時(shí)，過(guò)冷度的增加對(duì)于提高系統(tǒng)COP具有顯著作用；存在低溫循環(huán)冷凝溫度的最優(yōu)值，使得系統(tǒng)COP最大；過(guò)冷度不變時(shí)，系統(tǒng)COP隨著蒸發(fā)溫度、冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差的增大而增大，隨冷凝溫度的增大而減小。

關(guān)鍵詞：R404a/CO2復(fù)疊式制冷;過(guò)冷度;COP

在空調(diào)制冷行業(yè)，氯氟烴類(lèi)制冷工質(zhì)的廣泛應(yīng)用對(duì)臭氧層的破壞和溫室效應(yīng)的影響日益嚴(yán)重，尋找可以替代氯氟烴的制冷劑日益緊迫。CO2作為自然工質(zhì)，其優(yōu)點(diǎn)是ODP=0，GWP=1，而且具有單位容積制冷量高，粘度低及化學(xué)穩(wěn)定性好等熱力學(xué)特性[1-2]。但是CO2臨界壓力較高，臨界溫度較低的特點(diǎn)，一直制約著以CO2為工質(zhì)的制冷系統(tǒng)的發(fā)展。1932年，W.R.Kitzmiller首次提出了以NH3為高溫制冷劑，CO2為低溫制冷劑的復(fù)疊式制冷系統(tǒng)。此后，針對(duì)CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究：Getu等人對(duì)R744/R717復(fù)疊式制冷循環(huán)通過(guò)數(shù)值分析得出增加系統(tǒng)過(guò)冷度和減小過(guò)熱度對(duì)提高系統(tǒng)性能具有重要作用；寧?kù)o紅等人通過(guò)對(duì)R290/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的理論研究和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得出了蒸發(fā)溫度、冷凝溫度與系統(tǒng)COP和最佳質(zhì)量流量比的關(guān)系[6-7]；賴(lài)艷華等人利用分析法及熵產(chǎn)最小法對(duì)R404a/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，為系統(tǒng)高效節(jié)能運(yùn)行提供優(yōu)化途徑[8-9]；靳光亞等人對(duì)NH3/CO2循環(huán)進(jìn)行了優(yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)蒸發(fā)-冷凝器中間溫度的最佳值，使得系統(tǒng)性能系數(shù)達(dá)到最大值ηmax[10]。通過(guò)以上研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)疊式制冷的研究主要集中在R209/CO2和NH3/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)上，而針對(duì)選取R404a和CO2作為高、低溫制冷劑的復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的研究相對(duì)較少[11]。本文通過(guò)控制變量法分析了在帶回?zé)崞鞯腞404a/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中過(guò)冷度對(duì)提高系統(tǒng)COP、低溫循環(huán)性能系數(shù)COPl及高溫循環(huán)性能系數(shù)COPh的作用，為系統(tǒng)的性能優(yōu)化提高參考。

1循環(huán)模型與熱力計(jì)算

1.1　循環(huán)模型

圖1為帶回?zé)崞鞯腞404a/CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)流程圖，由獨(dú)立的帶回?zé)崞鞯腃O2低溫制冷循環(huán)(1-2-3-4-5-6-1)和R404a高溫制冷循環(huán)(7-8-9-10)復(fù)疊而成。冷凝蒸發(fā)器把低溫循環(huán)和高溫循環(huán)連接起來(lái)，既是低溫循環(huán)的冷凝器，又是高溫循環(huán)的蒸發(fā)器，即高溫端制冷劑的蒸發(fā)吸熱量來(lái)自于低溫端制冷劑的冷凝放熱[12]。通過(guò)在冷凝蒸發(fā)器表面附著絕熱材料進(jìn)行隔熱，在熱量交換過(guò)程中能量損失可以忽略不計(jì)。低溫循環(huán)中在蒸發(fā)冷凝器出口處添加回?zé)崞鳎梢酝ㄟ^(guò)升高低溫循環(huán)的蒸發(fā)溫度來(lái)提高系統(tǒng)性能系數(shù)COP，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的[13]。

該制冷循環(huán)的lgp-h如圖2所示。由于R404a和CO2兩種制冷劑物理性質(zhì)不同，所以在同一壓焓圖中表示時(shí)，低溫循環(huán)的蒸發(fā)壓力和冷凝壓力分別高于高溫循環(huán)的蒸發(fā)壓力和冷凝壓力。如當(dāng)?shù)蜏匮h(huán)CO2的蒸發(fā)溫度t1=-40℃，相應(yīng)地蒸發(fā)壓力為1007kPa；冷凝溫度t3=-10℃，冷凝壓力為2650kPa。高溫循環(huán)中R404a的蒸發(fā)溫度為-5℃時(shí)，相應(yīng)蒸發(fā)壓力為513kPa；冷凝溫度為30℃，冷凝壓力1816kPa。

1.2　熱力計(jì)算

本文對(duì)該帶回?zé)崞鞯腞404a/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)分析時(shí)，確定其工作參數(shù)為：制冷量Q0=20kW，低溫循環(huán)的蒸發(fā)溫度t1為-40℃～-50℃，冷凝溫度t3為-14℃～-2℃，冷凝蒸發(fā)器的傳熱溫差Δt為5℃～8℃，高溫制冷循環(huán)冷凝溫度t9為30℃～40℃。為方便理論分析，作如下假設(shè)：(1)系統(tǒng)在穩(wěn)定工況下運(yùn)行，不考慮其能量損失；(2)高、低溫循環(huán)的壓縮機(jī)總效率取值為0.7；(3)各部件與環(huán)境無(wú)熱交換；(4)忽略工質(zhì)節(jié)流損失及壓力損失。

通過(guò)查詢(xún)制冷劑參數(shù)表，在確定各狀態(tài)點(diǎn)熱力學(xué)參數(shù)(包括溫度、壓力、焓值等)的基礎(chǔ)之上，可計(jì)算出該循環(huán)的低、高溫循環(huán)質(zhì)量流量，冷凝蒸發(fā)器的熱負(fù)荷，系統(tǒng)COP等指標(biāo)。具體計(jì)算過(guò)程如下：

壓縮機(jī)消耗總功率：W=Wl+WH

式中，Q0-系統(tǒng)制冷量；hi-各狀態(tài)點(diǎn)焓值；ηl、ηh-低溫循環(huán)、高溫循環(huán)壓縮機(jī)總效率。

2計(jì)算結(jié)果與分析

圖3所示為當(dāng)?shù)蜏匮h(huán)冷凝溫度t3=-10℃，冷凝蒸發(fā)器內(nèi)傳熱溫差Δt=5℃，高溫循環(huán)冷凝溫度t9=30℃時(shí)，該循環(huán)在不同蒸發(fā)溫度下，回?zé)崞鳟a(chǎn)生的過(guò)冷度對(duì)循環(huán)的性能系數(shù)COP的影響。從圖中可以看出對(duì)于同一蒸發(fā)溫度，COP隨著過(guò)冷度的增加而升高。因?yàn)檫^(guò)冷度減小了冷凝蒸發(fā)器出口溫度和蒸發(fā)器入口溫度的差值，使得在制冷量不變的情況下，壓縮機(jī)功耗減小。對(duì)于同一過(guò)冷度，提高低溫循環(huán)蒸發(fā)溫度，系統(tǒng)COP明顯增大。

圖4所示為當(dāng)?shù)蜏匮h(huán)蒸發(fā)溫度t1=-40℃，傳熱溫差Δt=5℃，t9=30℃時(shí)，該復(fù)疊式制冷循環(huán)低溫端性能系數(shù)COP1在不同過(guò)冷度下及高溫端性能系數(shù)COPh隨低溫循環(huán)冷凝溫度t3的變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，在給定過(guò)冷度下，低溫端COP1與低溫循環(huán)冷凝溫度成反比，高溫端COPh與低溫循環(huán)冷凝溫度成正比。

在圖4分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，圖5給出了該復(fù)疊式制冷循環(huán)在不同過(guò)冷度下，系統(tǒng)總性能系數(shù)COP隨t3的變化趨勢(shì)。從圖中可以看出在給定過(guò)冷度的條件下，COP值隨著t3的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)。計(jì)算數(shù)據(jù)表明，當(dāng)?shù)蜏匮h(huán)冷凝溫度t3=-10℃時(shí)，系統(tǒng)COP要高于其他冷凝溫度對(duì)應(yīng)的值，即為該條件下的最優(yōu)COP值。

圖6所示為當(dāng)該復(fù)疊式制冷系統(tǒng)低溫循環(huán)的蒸發(fā)溫度t1=-40℃，冷凝溫度t3=-10℃，過(guò)冷

度tsd=6℃時(shí)，該循環(huán)在不同傳熱溫差下，高溫循環(huán)中冷凝溫度對(duì)其COP的影響。結(jié)果顯示，在傳熱溫差固定不變時(shí)，COP隨著冷凝溫度的增大而近似呈直線(xiàn)急劇下降；當(dāng)冷凝溫度一定時(shí)，COP與傳熱溫差成正比。

3結(jié)論

1)對(duì)于帶回?zé)崞鞯腞404a/CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)，過(guò)冷度對(duì)其COP影響較為顯著，在不同蒸發(fā)溫度、不同低溫循環(huán)冷凝溫度條件下均可提高系統(tǒng)性能系數(shù)COP。說(shuō)明增加過(guò)冷度是提高R404a/CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)性能系數(shù)的有效路徑之一。

2)通過(guò)分析低溫循環(huán)冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)COP的影響，可以看出在蒸發(fā)溫度、高溫循環(huán)冷凝溫度、過(guò)冷度和冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差給定時(shí)，存在一個(gè)低溫循環(huán)冷凝溫度的最優(yōu)值，使得系統(tǒng)循環(huán)COP最大。

3)傳熱溫差和高溫循環(huán)冷凝溫度對(duì)于該復(fù)疊式制冷系統(tǒng)COP也起到非常重要的作用，為提高系統(tǒng)的COP，應(yīng)盡量增大冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差，降低高溫循環(huán)冷凝溫度。

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(責(zé)任編輯王利君)

TheoreticalanalysisofR404a/CO2cascadrefrigeration

systemwithheatregenerator

YUShao-shan，WANGJing-gang，BAOLing-ling

(SchoolofUrbanConstruction,HebeiUniversityofEngineering,HebeiHandan056038,China)

Abstract：ThispaperestablishesamodelofR404a/CO2cascaderefrigerationsystemwithheatregeneratorunderthelow-temperatureenvironment.Inordertoimprovecoefficientofperformance,athermodynamicanalysisarecarriedout.Throughtheoreticalcalculation,theinfluencesofevaporationtemperature,condensationtemperatureoflowtemperaturecycle，thedegreeofsupercoolingaswellasthetemperaturedifferenceinthecondenserevaporatoronCOParecontrastedandanalyzedbycontrolvariable.TheresultshowedthatthedegreeofsupercoolinghasobviouseffectinimprovingCOPwhentheotherparametersareconstant;thereexistsaoptimalvalueofcondensationtemperatureoflowtemperaturecyclemakesCOPtobemaximum;COPincreaseswiththeincreaseofevaporationtemperatureandthetemperaturedifferenceinthecondenserevaporatorwhiledecreaseswiththeincreaseofcondensationtemperaturewhenthedegreeofsupercoolingisconstant.

Keywords：R404a/CO2cascaderefrigeration;degreeofsupercooling;COP

中圖分類(lèi)號(hào)：TB61

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-9469(2015)04-0075-03doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2015.04.016

作者簡(jiǎn)介：于韶山(1991-)，男，山東臨沂人，碩士，主要研究方向?yàn)橹评渑c熱泵技術(shù)優(yōu)化。

基金項(xiàng)目：河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(E2015402139)；河北省教育廳科學(xué)技術(shù)處資助項(xiàng)目(QN2014064)

收稿日期：2015-08-03