R404A/R23復(fù)疊式超低溫制冷系統(tǒng)試驗(yàn)

劉 寒 謝 晶 王金鋒 -

(1. 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2. 上海水產(chǎn)品加工及貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306；3. 上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評(píng)價(jià)專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，上海 201306；4. 食品科學(xué)與工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心〔上海海洋大學(xué)〕，上海 201306)

低溫環(huán)境下的科學(xué)試驗(yàn)、組織器官的保存、特殊食品的加工生產(chǎn)(冰激淋的速凍，金槍魚的保存等)等都需要-50 ℃以下的溫度。要實(shí)現(xiàn)-50～-80 ℃的大型超低溫制冷系統(tǒng)，一般采用復(fù)疊式制冷循環(huán)。目前，對(duì)于該制冷系統(tǒng)研發(fā)最受關(guān)注的是降低系統(tǒng)能耗及制冷劑的替代。沈九兵等[1]通過變蒸發(fā)溫度，冷凝溫度等參數(shù)的方法對(duì)R134a/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究得出：復(fù)疊式制冷系統(tǒng)性能的優(yōu)劣主要取決于低溫端壓縮機(jī)容積效率的高低。汪磊等[2]通過建立R404A/R23復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，研究了在某一運(yùn)行工況下，中間溫度對(duì)制冷劑流量、制冷系數(shù)與壓縮機(jī)軸功率等系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的影響。Aminyavari等[3]通過試驗(yàn)研究具體分析了NH3/CO2復(fù)疊式系統(tǒng)的高效性、節(jié)能性和環(huán)保性。王炳名等[4]通過試驗(yàn)得出：NH3/CO2復(fù)疊式系統(tǒng)不同的運(yùn)行工況對(duì)系統(tǒng)COP的影響規(guī)律。

20世紀(jì)，因氟利昂被發(fā)現(xiàn)具有良好的熱力學(xué)特性，無毒不燃且價(jià)格適中而廣泛被應(yīng)用于制冷中，但后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)氟利昂制冷劑的使用會(huì)破壞臭氧層[5]。因此新型制冷劑的探索對(duì)低溫制冷領(lǐng)域的研究也顯得更加重要[6-7]。Keumnam等[8]在復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中對(duì)R23替代R13作了研究。R404A相比R22具有良好的熱力學(xué)特性且物理特性接近于純制冷劑，是一種無氯非共沸制冷劑且溫度滑移較小，因此可以作為R22的中長期替代品[9]。王維等[10]采用R404A/R23替代R22/R13設(shè)計(jì)了復(fù)疊式機(jī)組，表明在-45～-60 ℃低溫范圍內(nèi)，使用R404A/R23的機(jī)組較R22/R13除了制冷量略有降低，其他系統(tǒng)性能明顯提升。試驗(yàn)依托自行設(shè)計(jì)的R404A/R23復(fù)疊式超低溫制冷試驗(yàn)臺(tái)，采用控制單一變量的方法，研究蒸發(fā)溫度與冷凝溫度對(duì)復(fù)疊式制冷循環(huán)中壓縮機(jī)壓縮比、排氣溫度、吸氣壓力、制冷劑流量和制冷系數(shù)的影響程度。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在自制的R404A/R23復(fù)疊式超低溫制冷試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)原理圖見圖1。復(fù)疊式制冷系統(tǒng)高溫段和低溫段的部件、附件及管路等組裝在一個(gè)公共框架上，成為一個(gè)整體。高溫端使用R404A制冷劑，低溫部分使用R23制冷劑，中間溫度按照高低溫級(jí)壓縮比大致相等的原則確定[11]。R404A/R23復(fù)疊式超低溫試驗(yàn)臺(tái)的冷庫內(nèi)裝有4個(gè)電加熱模塊，每個(gè)模塊功率1.5 kW，可進(jìn)行0～100%無級(jí)調(diào)節(jié)，4個(gè)風(fēng)機(jī)分別安裝在電加熱后面使庫內(nèi)溫度分布均勻；通過電動(dòng)水閥調(diào)節(jié)冷卻水流量以控制系統(tǒng)冷凝溫度。該系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控采用LabVIEW進(jìn)行編程，再通過OPC協(xié)議對(duì)系統(tǒng)內(nèi)PLC各類傳感器進(jìn)行綁定，從而達(dá)到機(jī)組及庫內(nèi)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，采集及控制功能。庫內(nèi)隨機(jī)分布50個(gè)WZP-205SPT100熱電偶。并且試驗(yàn)通過溫度、壓力傳感器分別對(duì)機(jī)組布置14個(gè)溫度測點(diǎn)，8個(gè)壓力測點(diǎn)，另外，通過在低溫端布置1個(gè)流量計(jì)監(jiān)測制冷劑流量，在機(jī)組布置4個(gè)電流測量計(jì)測量機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行電流。機(jī)組控制是通過電氣控制系統(tǒng)，觸摸屏及以太網(wǎng)絡(luò)等裝置實(shí)現(xiàn)。因此，該系統(tǒng)各運(yùn)行數(shù)據(jù)(如溫度、壓力、流量等)都可以通過傳感器進(jìn)行自動(dòng)采集，且R404A和R23制冷劑在復(fù)疊式壓縮制冷各個(gè)狀態(tài)下的運(yùn)行參數(shù)可以通過NIST REFPROP 8.0 軟件進(jìn)行計(jì)算。

1. 高溫級(jí)壓縮機(jī) 2. 高溫級(jí)油分 3. 冷凝器 4. 高溫級(jí)回?zé)崞?5. 高溫級(jí)節(jié)流裝置 6. 蒸發(fā)冷凝器 7. 高溫級(jí)氣液分離器 8. 低溫級(jí)壓縮機(jī) 9. 低溫級(jí)油分 10. 低溫級(jí)回?zé)崞?11. 低溫級(jí)節(jié)流裝置 12. 冷庫風(fēng)機(jī) 13. 擱架式蒸發(fā)器 14. 膨脹容器

圖1 R404A/R23復(fù)疊式超低溫制冷系統(tǒng)原理圖

Figure 1 Schematic diagram of R404A/R23 cascade ultra-low temperature refrigeration system

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 控制單一變量法 對(duì)R404A/R23復(fù)疊式超低溫制冷系統(tǒng)性能評(píng)定時(shí)取該系統(tǒng)為滿負(fù)荷(6 kW)。采用控制單一變量的方法進(jìn)行試驗(yàn)以及數(shù)據(jù)分析：① 冷凝溫度保持在32 ℃，通過電加熱0～100%無級(jí)調(diào)節(jié)，依次調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度；② 蒸發(fā)溫度保持在-55 ℃，通過設(shè)定電動(dòng)水閥參數(shù)調(diào)節(jié)冷卻水流量，依次調(diào)節(jié)冷凝溫度。

1.2.2 蒸發(fā)溫度調(diào)節(jié) 打開冷卻水總閥，開啟風(fēng)機(jī)與電加熱裝置，運(yùn)行復(fù)疊式壓縮制冷試驗(yàn)臺(tái)；設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度，待冷凝溫度穩(wěn)定在32 ℃前提下：① 調(diào)節(jié)電加熱功率，待庫內(nèi)蒸發(fā)溫度穩(wěn)定在-65 ℃時(shí)，記錄機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)；② 在控制面板上改變電加熱裝置設(shè)定值，重復(fù)以上步驟，待蒸發(fā)溫度分別穩(wěn)定在-60，-55，-50，-45 ℃時(shí)記錄機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)。

1.2.3 冷凝溫度調(diào)節(jié) 運(yùn)行復(fù)疊式壓縮制冷試驗(yàn)臺(tái)，分別設(shè)定4個(gè)電加熱開啟度為10%，此時(shí)蒸發(fā)溫度穩(wěn)定在-55 ℃時(shí)，打開電動(dòng)水閥調(diào)節(jié)冷卻水流量：① 設(shè)置冷卻水調(diào)節(jié)閥開度，檢測到冷凝溫度穩(wěn)定在28 ℃后記錄數(shù)據(jù)；② 調(diào)節(jié)電動(dòng)水閥開度，重復(fù)以上步驟，分別待冷凝溫度穩(wěn)定在30，32，34，36 ℃時(shí)記錄機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2 復(fù)疊式循環(huán)理論分析

2.1 R404A/R23復(fù)疊式系統(tǒng)制冷循環(huán)過程分析

圖2(a)為R404A/R23復(fù)疊式系統(tǒng)制冷循環(huán)流程圖，冷凝蒸發(fā)器中蒸發(fā)器與冷凝器傳熱溫差取5 ℃。在R404A/R23復(fù)疊式超低溫制冷系統(tǒng)中低溫端過熱30 ℃，高溫端過熱15 ℃。圖2(b)為該系統(tǒng)的壓焓圖。

1-2-3-4-5-6-1為低溫端循環(huán)過程，1′-2′-3′-4′-5′-6′-1′為高溫端循環(huán)過程

2.2 主要技術(shù)參數(shù)計(jì)算公式

對(duì)于制冷劑為R23的低溫端循環(huán)：

q0=h1-h5，

(1)

(2)

VS=G·v2；

(3)

對(duì)于制冷劑為R404A的高溫端循環(huán)：

q0′=h1′-h5′，

(4)

(5)

VS′=G′·v2′，

(6)

式中：

h、h′——高低溫端各狀態(tài)點(diǎn)的焓值，kJ/kg；

q0、q0′——高低溫端單位制冷量，kJ/kg；

Q——低溫端循環(huán)制冷量，kW；

G、G′——高低溫端循環(huán)制冷劑流量，kg/s；

v2、v2′——高低溫端壓縮機(jī)吸氣點(diǎn)的比容，m3/kg；

Vs、Vs′——高低溫端壓縮機(jī)理論輸氣量，m3/h。

通過以上系統(tǒng)循環(huán)過程及計(jì)算公式對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，若保持系統(tǒng)冷凝溫度不變，隨著蒸發(fā)溫度的下降，高低溫端制冷劑流量的變化趨勢是有所不同的，但高低溫端制冷系數(shù)都會(huì)有所下降。若保持系統(tǒng)蒸發(fā)溫度不變，隨著冷凝溫度的上升，高溫端和低溫端制冷系數(shù)及系統(tǒng)制冷系數(shù)都隨冷凝溫度的升高而降低。

3 結(jié)果與分析

3.1 蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

當(dāng)冷凝溫度為32 ℃，隨著蒸發(fā)溫度的變化(-45，-50，-55，-60，-65 ℃)，系統(tǒng)壓縮比、排氣溫度、吸氣壓力、制冷劑流量的變化見圖3～7。

圖3 壓縮比隨蒸發(fā)溫度的變化曲線

圖4 排氣溫度隨蒸發(fā)溫度的變化曲線

從圖3和4可以得出：隨著蒸發(fā)溫度從-45 ℃降低至-65 ℃，高溫端及低溫端壓縮機(jī)壓縮比從4.0增加到6.4，高低溫端壓縮比的增大，會(huì)惡化壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而使高低溫端壓縮機(jī)排氣溫度升高，且當(dāng)蒸發(fā)溫度降低到-65 ℃時(shí)，低溫端壓縮機(jī)排氣溫度達(dá)到82 ℃，但是高低溫端排氣溫度升高趨勢比較平緩。

圖5 壓縮機(jī)吸氣壓力隨蒸發(fā)溫度的變化

圖6 制冷劑流量隨蒸發(fā)溫度的變化

從圖5可以看出：壓縮機(jī)高低溫端吸氣壓力都隨蒸發(fā)溫度的降低而減小，其主要原因是蒸發(fā)溫度的降低導(dǎo)致蒸發(fā)壓力下降，致使低溫端吸氣壓力減??；但在蒸發(fā)溫度為-65 ℃時(shí)，其他壓縮方式可能會(huì)出現(xiàn)吸氣壓力小于大氣壓以至負(fù)壓運(yùn)行的情況，但R404A/R23復(fù)疊式制冷系統(tǒng)吸氣壓力始終在高于大氣壓的工況下運(yùn)行，有效保證了該系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。從圖6可以看出低溫端制冷劑流量略有下降，高溫端制冷劑流量略有提升，主要原因是對(duì)于低溫端，當(dāng)蒸發(fā)溫度降低時(shí)，導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣壓力下降，制冷劑比體積隨之增大，因而低溫端制冷劑流量降低；對(duì)于高溫端，因蒸發(fā)冷凝器換熱溫度升高，所以使制冷劑流量略有提升。

由圖7可知，高溫端和低溫端制冷系數(shù)都隨蒸發(fā)溫度降低而降低，但是高溫端制冷系數(shù)明顯高于低溫端。表1是蒸發(fā)溫度每降低5 ℃時(shí)系統(tǒng)制冷系數(shù)的變化率，即當(dāng)蒸發(fā)溫度每下降1 ℃時(shí)，系統(tǒng)制冷系數(shù)平均下降1.26%～2.10%，在-50～-55 ℃區(qū)間，系統(tǒng)制冷系數(shù)下降最快，達(dá)到2.1%/℃。因此在冷庫實(shí)際運(yùn)行中，若能滿足被冷凍物的溫度要求，應(yīng)盡量提高蒸發(fā)溫度，在保證良好冷凍效果的同時(shí)盡可能地減少能耗。

圖7 制冷系數(shù)隨蒸發(fā)溫度的變化

Table 1 The variation of refrigeration coefficient of cascade system with evaporation temperature

蒸發(fā)溫度/℃蒸發(fā)溫度每降低5 ℃時(shí)COP變化率/%-656.3-605.9-5510.5-509.5-45--

3.2 冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

在R404A/R23 復(fù)疊式壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)中，設(shè)定蒸發(fā)溫度為-55 ℃，通過電動(dòng)水閥調(diào)節(jié)冷卻水流量，依次調(diào)節(jié)冷凝溫度為28，30，32，34，36 ℃，冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響見圖8～12。

由圖8可知，隨冷凝溫度從28 ℃升高到36 ℃，高溫端壓縮比從5升高至6，主要原因是冷凝壓力隨著冷凝溫度的升高，導(dǎo)致壓縮比增大，壓縮比的增大會(huì)使壓縮機(jī)的效率及輸氣量顯著下降，但是從圖8中可以看出高溫端與低溫端壓縮機(jī)壓縮比均小于8。由圖9可知，隨著冷凝溫度的升高，高低溫端壓縮機(jī)排氣溫度都隨之增大，且當(dāng)冷凝溫度為36 ℃時(shí)，低溫端排氣溫度升至最高(90 ℃)。由于排氣溫度的升高有可能會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)潤滑油炭化，使壓縮機(jī)運(yùn)行條件變差，從而影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，因此，有效控制壓縮機(jī)排氣溫度對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行至關(guān)重要。

由圖10可知，壓縮機(jī)吸氣壓力隨冷凝溫度的升高而增大，冷凝溫度從34 ℃升至36 ℃時(shí)，壓縮機(jī)吸氣壓力升高較緩。由圖11可知，高溫端與低溫端制冷劑流量都隨冷凝溫度升高而增加，主要因?yàn)镽404A/R23復(fù)疊式制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度較低，對(duì)應(yīng)蒸發(fā)壓力也較低，制冷劑比體積增大，最終導(dǎo)致制冷劑流量降低；從圖11中還能看出高溫端制冷劑流量明顯高于低溫端制冷劑流量，雖然較高的制冷劑流量在換熱器中能夠增加換熱效率，但是也會(huì)加大壓縮機(jī)的功耗以及增大冷凝器負(fù)荷。

從圖12可以看出，高溫端和低溫端制冷系數(shù)及系統(tǒng)制冷系數(shù)都隨冷凝溫度的升高而降低。表2為冷凝溫度每升高2 ℃系統(tǒng)制冷系數(shù)的變化率，即冷凝溫度每升高1 ℃ 系統(tǒng)制冷系數(shù)平均下降1.2%～1.7%，且當(dāng)冷凝溫度為28～30 ℃時(shí)，系統(tǒng)制冷系數(shù)下降最快為1.7%。與隨蒸發(fā)溫度變化的制冷系數(shù)變化趨勢相比，變冷凝溫度的制冷系數(shù)變化更加平緩。

圖8 壓縮比隨冷凝溫度的變化規(guī)律

圖9 排氣溫度隨冷凝溫度的變化規(guī)律

圖10 壓縮機(jī)吸氣壓力隨冷凝溫度的變化

4 結(jié)論

(1) 試驗(yàn)具體分析了當(dāng)蒸發(fā)溫度每下降1 ℃或冷凝溫度每升高1 ℃時(shí)，復(fù)疊式系統(tǒng)運(yùn)行性能的變化規(guī)律：當(dāng)蒸發(fā)溫度從-50 ℃降至-55 ℃時(shí)，系統(tǒng)制冷系數(shù)下降最快，達(dá)到2.1%；當(dāng)冷凝溫度從28 ℃升至30 ℃時(shí)，系統(tǒng)制

圖11 制冷劑流量隨冷凝溫度的變化

圖12 制冷系數(shù)隨冷凝溫度的變化

Table 2 The variation of refrigeration coefficient of cascade system with condensing temperature

冷凝溫度/℃冷凝溫度每升高2 ℃時(shí)COP變化率/%362.4343.0323.2303.428--

冷系數(shù)下降最快為1.7%。且蒸發(fā)溫度下降1 ℃比冷凝溫度上升1 ℃對(duì)系統(tǒng)性能系數(shù)影響更大。因此，在復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，有效控制蒸發(fā)溫度不僅能提高制冷系統(tǒng)效率，而且對(duì)提高制冷系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性極其重要。

(2) 因?yàn)樵撓到y(tǒng)裝有回?zé)崞?，?dāng)蒸發(fā)溫度為-55 ℃，冷凝溫度從34 ℃升至36 ℃時(shí)，壓縮機(jī)吸氣壓力升高較緩，但壓縮機(jī)排氣溫度最高達(dá)90 ℃，通過對(duì)該組重復(fù)性試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象的出現(xiàn)和制冷劑蒸氣進(jìn)入壓縮機(jī)前過熱度的變化有關(guān)，因此回?zé)崞鬟^熱度對(duì)壓縮機(jī)排氣溫度的具體影響規(guī)律，之后可進(jìn)行深入研究。