CO₂/低GWP工質(zhì)復疊制冷循環(huán)的性能解析

任志峰 邵長勝

摘 要：為了能將臨近城區(qū)和居民區(qū)的R22 或 NH3 冷庫系統(tǒng)取代，站在熱力學角度分析 GWP 工質(zhì)的復疊制冷循環(huán)的性能，探查到該系統(tǒng)存有最優(yōu)中間冷凝溫度，對應最大系統(tǒng)是COP。在最優(yōu)工況下對比了差異化高溫級工質(zhì)的CO2/低GWP系統(tǒng)，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)高溫級R152a 的系統(tǒng)COP抵達峰值;R32系統(tǒng)的單位容積制冷量最大，有益于減少系統(tǒng)造價。站在優(yōu)化系統(tǒng)性能的視角，建議用 CO2/R152a系統(tǒng)將R22或CO2/NH3系統(tǒng)取代;以減少早期成本為目的時，推薦選用CO2 /R32系統(tǒng)。

關鍵詞：復疊制冷;高溫級低GWP工質(zhì);低溫級CO2;性能分析

引言

氨制冷是我國制冷庫項目建設中的常見形式，但其發(fā)生事故的概率較高，增加了人們主觀上的顧慮。結合現(xiàn)有規(guī)范要求，設計低溫級CO2復疊取代氨冷庫與冷鏈車間具有很大必要性。CO2是常見的環(huán)保工質(zhì)之一，具有十分廣泛的應用空間，當下CO2冷循環(huán)及熱泵系統(tǒng)均是CO2成熟技術?；贑O2低溫循環(huán)構建的復疊制冷系統(tǒng)廣泛被用于在超市制冷與冷庫制冷領域中。而在高溫級循環(huán)內(nèi)，可以嘗試利用低 GWP 的制冷劑代替R22，這是建設CO2復疊制冷系統(tǒng)的重要基礎。本文主要站在熱力學視角，分析對比高、低溫級分別是低GWP工質(zhì)、CO2的復疊制冷循環(huán)情況，希望能對相關項目實施提供可靠依據(jù)。

1、選擇工質(zhì)對

本課題研究中共計選擇了10個工質(zhì)對，多數(shù)制冷劑的GWP低于150，R22、R134a在工程建設領域中有較廣泛應用。對于R32，其GWP是675，因為其比熱較偏大，故而經(jīng)常和其他工質(zhì)混合成為非共沸工質(zhì)。R22、R134a的GWP值偏低，當下其應用情況也得到社會的關注。故而時常會把以上3種工質(zhì)和他類低GWP工質(zhì)作對比分析。[1]

2、建設復疊系統(tǒng)及模型

CO2/R290 復疊制冷循環(huán)系統(tǒng)是選用工質(zhì)是CO2的低、高溫級制冷循環(huán)，其中高溫級制冷劑為是圖1內(nèi)列出的工質(zhì)。利用冷凝蒸發(fā)器連接以上兩個循環(huán)，維持冷凍空間的低溫狀態(tài)。

本文將CO2/NH3為例進行分析，圖1、2分別是復疊系統(tǒng)T-s、p-h圖。圖內(nèi)1-2-3-4-1實線部分是CO2低溫級循環(huán)，狀態(tài)1代表的是過熱CO2，被壓縮后轉變成過熱態(tài)2，而后朝向高溫級釋放熱量，冷凝到過冷液態(tài)3，經(jīng)降壓工序處理后呈氣液兩相態(tài)4，隨后冷凍空間的熱量被蒸發(fā)、吸收后轉變成狀態(tài)1，此時低溫級循環(huán)過程便結束。5-6-7-8-5虛線代表的是NH3高溫級循環(huán)，過熱 NH3對應的是狀態(tài)5，高溫級壓縮機能將其壓縮成過熱態(tài)6，流進冷凝器后朝向周邊環(huán)境散熱，冷凝到過冷態(tài)7，隨后降壓至氣液兩相態(tài)8，經(jīng)蒸發(fā)、吸收工序后成維狀態(tài)5，高溫級循環(huán)至此終止。[2]設定的標準工況：CO2 蒸發(fā)、中間冷凝、中間蒸發(fā)溫度分別是-40℃、-12℃、-15℃，蒸發(fā)器換熱溫差是3℃，高低溫級的過熱及過冷度都是5℃。

3、統(tǒng)計與分析結果

3.1中間冷凝溫度對CO2 /NH3系統(tǒng)性能的影響

伴隨中間冷凝溫度上升過程，系統(tǒng)COP值呈先增后減的趨勢，在TMC = -10℃周邊達到最大。這主要是由于伴隨中間冷凝溫升過程，低溫級COP逐步下降，但高溫級COP改變趨勢和其相反，系統(tǒng)存有最優(yōu)中間冷凝溫度TMC，opt。

3.2中間冷凝溫度對系統(tǒng)熱力學完善程度的影響

標準工況下標準工況下 COPCarnot是定值時，與COP值之間呈正比關系。[3]

綜合分析，現(xiàn)復疊系統(tǒng)存有和最大系統(tǒng)COP相對應的最優(yōu)中間冷凝溫度，其被認定成最優(yōu)工況，為了能在標準工況下對比不同高溫級工質(zhì)的CO2復疊系統(tǒng)的效能，均以最優(yōu)工況為基礎展開分析。

經(jīng)比較后發(fā)現(xiàn)，伴隨蒸發(fā)溫升過程，不同復疊系統(tǒng)對應的最優(yōu)中間冷凝溫度都呈現(xiàn)出增大趨勢，最優(yōu)溫度最高、最低分別是R1234yf、R152a，和不同工質(zhì)相對應的最優(yōu)冷凝溫度的有一定差異。伴隨最優(yōu)中間冷凝溫度上升，和其相對應的CO2低溫級的冷凝壓力、壓縮 比與排氣溫度均有增加的趨勢。

對比分析最優(yōu)工況下差異化工質(zhì)對的最大系統(tǒng)COP，發(fā)現(xiàn)COP值大小和蒸發(fā)器溫度升降過程表現(xiàn)出正相關性，不同介質(zhì)的COP值大小存在著一定差異。當蒸發(fā)器溫度-40℃時，各類工質(zhì)對應的COP最大，高溫級R152a系統(tǒng)的性能最優(yōu)良，-40℃工況下COP值是1.27，其次是R161與NH3;COP最低是R32，對應值1.20，和R152a系統(tǒng)相比較減小了4.7%左右。分析以上現(xiàn)象的成因，主要是由于R32臨界溫度偏低，而臨界壓力相對較高。

對比不同工質(zhì)的高壓級排氣溫度情況。即便是蒸發(fā)溫度改變時，R1234yf、R1234ze的排氣溫度也不會出現(xiàn)顯著改變，在這樣的工況下，過熱度（T6 - TC）都在5℃以下，在T-s圖上上以上這兩種工質(zhì)的飽和氣線的斜率均陡峭，這是壓縮機排氣過熱度偏低，排氣溫度下降的主要原因。NH3、R32等工質(zhì)的排氣溫度顯著提升，且伴隨蒸發(fā)升溫過程而逐漸下降。當排氣溫度過高時，潤滑油的黏度會降低，潤滑效果下降，影響壓縮機自身的性能。

伴隨蒸發(fā)溫度的改變，不同高溫級工質(zhì)形成單位質(zhì)量制冷量并沒有出現(xiàn)顯著改變。和其他工質(zhì)相比較，NH3單位質(zhì)量制冷量相對較高，主要是因其有較多的潛熱。

相比之下，R32 的單位容積制冷量最多，且伴隨蒸發(fā)溫度改變過程，其出現(xiàn)顯著改變，這主要是由于 R32 的臨界溫度偏低，排氣狀態(tài)和臨界點更為靠近，過熱氣密明顯高于遠離臨界點的狀態(tài)。如果工程實踐中能使用大的單 容積制冷量，則有助于提升復疊系統(tǒng)結構的緊湊型，并且會減少早期建設成本。

結束語：

本課題研究中，在在最優(yōu)工況下對比了差異化高溫級工質(zhì)的CO2/低GWP系統(tǒng)，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)高溫級R152a的系統(tǒng)COP抵達峰值;R32系統(tǒng)的單位容積制冷量最大，有益于減少系統(tǒng)造價。站在優(yōu)化系統(tǒng)性能的視角，建議用CO2/R152a系統(tǒng)將R22或CO2/NH3系統(tǒng)取代;以減少早期成本為目的時，推薦選用CO2/R32系統(tǒng)。

參考文獻：

[1]梁政、申江、韓思雨.回熱器與制冷工質(zhì)對復疊制冷系統(tǒng)性能的影響[J].食品與機械，2020，v.36;No.228（10）：71-76+92.

[2]孔德霞.NH3和CO2制冷劑及其復疊式制冷系統(tǒng)[J].農(nóng)村經(jīng)濟與科技，2020，031（008）：345-346.

[3]任繼鵬，孫遠新，張良.R1270/CO2復疊式制冷系統(tǒng)熱力學分析與研究[J].科學與財富，2019，000（006）：258.