帶經(jīng)濟(jì)器補(bǔ)氣的R1234yf兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)的性能分析

王 朋 楊啟超 遲衛(wèi)凱

（青島科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院 青島 266061）

0 引言

離心式冷水機(jī)組因其制冷量大、能效高而廣泛應(yīng)用于大型中央空調(diào)、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)生產(chǎn)等各行各業(yè)?，F(xiàn)階段大型的離心式冷水機(jī)機(jī)組常用制冷劑有R22、R134a、R407C 以及R507C 等[1]。制冷劑伴隨機(jī)組每年2%左右的不可避免的損耗以及操作不當(dāng)?shù)男孤兜纫蛩嘏欧诺酱髿庵?，?duì)環(huán)境存在一定程度的破壞。隨著環(huán)境形勢(shì)的日益嚴(yán)峻和《關(guān)于耗損臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》的簽署[2]，R22的OPD（Ozone depletion potential 臭氧層破壞指數(shù)）較高，現(xiàn)在已經(jīng)逐步淘汰，而R134a、R407C 和R507C 雖然不會(huì)破壞臭氧層，但是它們的GWP（Global Warming Potential 全球溫室效應(yīng)指數(shù)）較高，長(zhǎng)期大量使用會(huì)導(dǎo)致全球溫室效應(yīng)加劇，根據(jù)基加利協(xié)議此類制冷劑也會(huì)被逐步淘汰[3,4]。因此，針對(duì)離心冷水機(jī)組制冷劑的替代工作也是其研究的熱點(diǎn)問題之一。

目前，R134a 的主流代替工質(zhì)有R1234ze、R1234zd 和R1234yf[5,6]，R1234ze 和R1234zd 常用于離心式冷水機(jī)組[7,8]，也有許多公司推出了相關(guān)產(chǎn)品，如丹佛斯、特靈、格力和三菱重工等[9,10]。R1234yf 主要用于汽車空調(diào)系統(tǒng)中替代R134a。中國(guó)、美國(guó)、日本及歐盟的新型車的空調(diào)系統(tǒng)都開始采用R1234yf 制冷劑，研究表明其能效水平僅相差2%～4%[11,12]。同時(shí)也有許多學(xué)者針對(duì)采用替代制冷劑的換熱器研究，研究成果表明：R1234yf 管內(nèi)兩相蒸發(fā)換熱系數(shù)與R134a 相當(dāng)[13,14]。從物性上看R1234yf 的分子量、沸點(diǎn)、臨界溫度、臨界壓力和飽和蒸汽密度等均與R134a 相近[15]，R1234yf 與R134a 在冷水機(jī)組中的作用與可發(fā)揮能力相近，且R1234yf 的ODP=0，GWP＜1，安全性方面，R1234yf無毒可燃性差，研究表明R1234yf 在汽車空調(diào)工況下運(yùn)行不可燃，安全性與R134a 相同[16]。由此可見R1234yf 是比較理想的R134a 替代工質(zhì)。

本文對(duì)R1234yf和R134a 在離心式冷水機(jī)組中的具體性能表現(xiàn)進(jìn)行理論對(duì)比分析。

1 系統(tǒng)介紹

本文針對(duì)板式換熱器作為經(jīng)濟(jì)器的兩級(jí)離心式冷水機(jī)組循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行研究分析，系統(tǒng)流程圖如圖1所示。壓縮機(jī)采用雙葉輪兩級(jí)壓縮離心式壓縮機(jī)，兩葉輪分別實(shí)現(xiàn)1—2 壓縮過程和4—5 壓縮過程，一般情況下稱之為壓縮機(jī)高壓級(jí)和壓縮機(jī)低壓級(jí)。

圖1 系統(tǒng)流程圖Fig.1 Schematic diagram of the system

循環(huán)的基本原理為通過制冷劑在蒸發(fā)器A 的氣化吸收冷水熱量，壓縮機(jī)低壓級(jí)B 吸入蒸發(fā)器A的制冷劑蒸汽使其壓縮到中間壓力，吸收經(jīng)濟(jì)器出來的制冷劑氣體通過壓縮機(jī)高壓級(jí)C 壓縮到高溫高壓的氣態(tài)并送入冷凝器D。從冷凝器D 出來的制冷劑液體一部分經(jīng)過節(jié)流閥E 后進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器F進(jìn)行蒸發(fā)后匯入壓縮機(jī)低壓級(jí)B 出口，另一部分直接進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器F，通過經(jīng)濟(jì)器冷一側(cè)的制冷劑蒸發(fā)對(duì)該部分制冷劑進(jìn)行降溫后通過節(jié)流閥G 后進(jìn)入蒸發(fā)器。設(shè)置經(jīng)濟(jì)器主要目的是使冷凝器D 出來的制冷劑液體過冷從而達(dá)到增加制冷量的作用，同時(shí)補(bǔ)氣也可降低壓縮機(jī)的排氣溫度。循環(huán)系統(tǒng)p-h圖如圖2所示。

圖2 循環(huán)系統(tǒng)p-h 圖Fig.2 The p-h diagram of the system

由于制冷劑R134a與R1234yf兩種制冷劑的物性存在差異以及循環(huán)系統(tǒng)中不可避免存在壓力損失和熱量散失，為了可以更加清晰的看到不同工況和制冷劑在相同循環(huán)下的差異性，故通過如下假設(shè)條件簡(jiǎn)化計(jì)算：

（1）循環(huán)中節(jié)流過程為絕熱過程；（2）換熱器和管件不存在壓力損失和熱量損失；（3）循環(huán)各狀態(tài)點(diǎn)不隨時(shí)間的變化而變化；（4）冷凝器循環(huán)水進(jìn)出口溫度不受環(huán)境溫度影響；（5）壓縮機(jī)等熵效率與壓縮機(jī)的壓比相關(guān)，用下式計(jì)算：。

2 熱力學(xué)模型

根據(jù)熱力學(xué)能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律建立系統(tǒng)分析模型，系統(tǒng)的主要性能參數(shù)根據(jù)以下方程得出。

循環(huán)制冷量：

式中，Q為系統(tǒng)制冷量，kW；h9和h0為蒸發(fā)器進(jìn)出口焓，kJ/kg；qm為制冷劑質(zhì)量流量，kg/s。

壓縮機(jī)輸入功率：

式中，WL和WH為壓縮機(jī)高低壓功耗，kW；h1、h2、h4和h5為各狀態(tài)點(diǎn)焓，kJ/kg；x為循環(huán)系統(tǒng)最佳補(bǔ)氣比。

經(jīng)濟(jì)器采用板式換熱器，通過補(bǔ)氣部分3-7（狀態(tài)點(diǎn)）的蒸發(fā)作用使6 點(diǎn)降溫到8 點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)增加過冷度的目的。能量平衡方程：

系統(tǒng)COP：

壓縮機(jī)低壓級(jí)、高壓級(jí)?損失：

式中，e為狀態(tài)點(diǎn)?，kJ/kg；h為狀態(tài)點(diǎn)焓，kJ/kg；T0為環(huán)境溫度，℃；S為狀態(tài)點(diǎn)熵，kJ/kg。

蒸發(fā)器?損失：

冷凝器?損失：

經(jīng)濟(jì)器?損失：

一、二級(jí)節(jié)流?損失：

系統(tǒng)?效率：

本文根據(jù)上述條件利用MATLAB 建立該制冷系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用REFPROP 調(diào)用各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)，圖3 為冷凝溫度變化時(shí)循環(huán)系統(tǒng)模型計(jì)算流程圖。

圖3 計(jì)算流程圖Fig.3 Diagram of the calculation process

3 結(jié)果分析

在環(huán)境溫度為30℃，蒸發(fā)溫度為2℃時(shí)，最佳補(bǔ)氣量的情況下，在制冷劑流量相同時(shí)對(duì)R134a與R1234yf 進(jìn)行系統(tǒng)性能分析。

帶補(bǔ)氣的兩級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)存在最佳的中間補(bǔ)氣溫度使得系統(tǒng)的COP 最大，系統(tǒng)的COP 會(huì)隨著補(bǔ)氣溫度變化而變化，當(dāng)蒸發(fā)溫度2℃、冷凝溫度40℃時(shí)，R134a 系統(tǒng)與R1234yf 系統(tǒng)COP 隨著補(bǔ)氣溫度變化關(guān)系曲線如圖4所示。從圖可知，R134a 系統(tǒng)COP 大于R1234yf，系統(tǒng)隨著中間補(bǔ)氣溫度的上升先增大后減小，存在最佳補(bǔ)氣溫度使系統(tǒng)COP 最大，當(dāng)系統(tǒng)補(bǔ)氣溫度為19.27℃時(shí)，R1234yf 系統(tǒng)COP 到最大值，當(dāng)系統(tǒng)補(bǔ)氣溫度為19.75℃時(shí)，R134a 系統(tǒng)COP 到最大值，兩制冷劑的最佳中間溫度差別極小，下面的分析都是在最佳補(bǔ)氣溫度下獲得的結(jié)果。

圖4 COP 與最佳中間氣溫度的關(guān)系Fig.4 Effect of optimal vapor injection temperature on COP

圖5 為分別采用R134a 與R1234yf 制冷劑時(shí)冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)制冷量的影響規(guī)律。隨著冷凝溫度的升高系統(tǒng)的最佳補(bǔ)氣量隨之提高，經(jīng)過蒸發(fā)器的制冷劑量減少，從而系統(tǒng)制冷量隨著冷凝溫度的升到而降低，其下降幅度大致相同，約為8%，R134a系統(tǒng)制冷量比R1234yf 高19～21%，其主要原因是R134a 的汽化潛熱大于R1234yf。

圖5 最佳補(bǔ)氣量下系統(tǒng)制冷量與冷凝溫度關(guān)系Fig.5 Variation of system refrigeration capacity with condensing temperature under optimal vapor injection flow

圖6 為壓縮機(jī)高壓級(jí)和低壓級(jí)功耗隨著冷凝溫度變化的關(guān)系曲線，R134a 與R1234yf 的壓縮機(jī)的低壓級(jí)和高壓級(jí)的功耗均隨著冷凝溫度的升高逐漸升高，R1234yf 的壓縮機(jī)低壓級(jí)和高壓級(jí)總功耗比R134a 低17～19%，在采用R1234yf 時(shí)冷凝溫度變化壓縮機(jī)對(duì)壓縮機(jī)功耗的上升幅度小于R134a，也就是說輸入功率一定的情況下壓縮機(jī)壓縮R1234yf 時(shí)更能適應(yīng)工況的變化。

圖6 最佳補(bǔ)氣量下功耗與冷凝溫度關(guān)系Fig.6 Variation of compressors’consumption with condensing temperature under optimal vapor

圖7 和圖8 分別為在最佳補(bǔ)氣量情況下蒸發(fā)溫度和冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)COP 的影響規(guī)律。由圖可以看出系統(tǒng)COP 隨著冷凝溫度的升高而降低，而隨著蒸發(fā)溫度的升高而升高，在蒸發(fā)溫度和冷凝溫度變化時(shí)兩系統(tǒng)COP 變化幅度大致相同，R1234yf系統(tǒng)COP 始終低于R134a 系統(tǒng)。在蒸發(fā)溫度5.5℃，冷凝溫度40℃時(shí)，R134a 的COP 為6.75，R1234yf的COP 為6.61，相比于R134a，采用R1234yf 的COP 下降了約2.11%，可以看出在同一系統(tǒng)中R134a 與R1234yf 在能效水平上大致相近。

圖7 最佳補(bǔ)氣量下系統(tǒng)COP 與冷凝溫度關(guān)系Fig.7 Variation of COP with condensing temperature under optimal vapor injection flow

圖8 最佳補(bǔ)氣量下系統(tǒng)COP 與蒸發(fā)溫度關(guān)系Fig.8 Variation of COP with evaporation temperature under optimal vapor injection flow

帶補(bǔ)氣的兩級(jí)壓縮冷水機(jī)組循環(huán)系統(tǒng)各狀態(tài)點(diǎn)輸入?、輸出?、?損失及所占比例如圖9 和表1所示，在相同質(zhì)量流量下采用R134a 的系統(tǒng)壓縮機(jī)高低壓級(jí)、冷凝器高于R1234yf 系統(tǒng)，而蒸發(fā)器、經(jīng)濟(jì)器和一、二級(jí)節(jié)流閥低于R1234yf 系統(tǒng)，采用R134a 系統(tǒng)和R1234yf 系統(tǒng)中各部件?損失中冷凝器?損失最高，分別占總損失的36.56%和23.29%，蒸發(fā)器次之，分別占總損失的17.71%和20.42%，總?損失R134a 系統(tǒng)比R1234yf 系統(tǒng)高約13.27%，其差異來源主要是冷凝器和壓縮機(jī)高低壓級(jí)的?損失，由此可見在相同工況下的同一系統(tǒng)中采用R1234yf，冷凝器和壓縮機(jī)性能要優(yōu)于R134a 系統(tǒng)，蒸發(fā)器?損失略高于R134a 系統(tǒng)。

圖9 循環(huán)各部件?損失Fig.9 Exergy loss of system components

表1 循環(huán)各狀態(tài)點(diǎn)?參數(shù)Table 1 Parameters of each status point of the cycle

系統(tǒng)?效率隨冷凝溫度變化規(guī)律如圖10所示。在質(zhì)量流量相同的情況下，?效率隨著冷凝溫度的升高而降低，兩種工質(zhì)降低程度大致保持一致。在上述工況條件下采用R134a 的?效率為0.64；R1234yf 為0.62，差異僅有2～3%。圖11 為系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下的?效率，由圖可知在冷凝溫度不變的情況下環(huán)境溫度升高系統(tǒng)?效率均有所升高，采用兩種工種不同工質(zhì)的系統(tǒng)?效率差異也只有2～3%。由此可見兩種制冷劑在不可逆損失的相關(guān)性質(zhì)上大致相同。

圖10 最佳補(bǔ)氣量下系統(tǒng)?效率與冷凝溫度關(guān)系Fig.10 Variation of exergy efficiency with condensing temperature under optimal vapor injection flow

圖11 最佳補(bǔ)氣量下系統(tǒng)?效率與環(huán)境溫度關(guān)系Fig.11 Variation of exergy efficiency with the ambient temperature under optimal vapor injection flow

4 結(jié)論

本文對(duì)用于兩級(jí)離心式冷水機(jī)組中的帶補(bǔ)氣的制冷循環(huán)系統(tǒng)，建立了理論分析模型并編制計(jì)算程序，采用R1234yf 和R134a 兩種制冷劑，在相同質(zhì)量流量下對(duì)系統(tǒng)的制冷量、壓縮機(jī)功耗、COP、各部件不可逆損失和?效率進(jìn)行性能分析對(duì)比，得出如下主要結(jié)論：

（1）R134a 和R1234yf 系統(tǒng)制冷量隨著蒸發(fā)溫度的升高而升高，隨著冷凝溫度的升高而略有下降，壓縮機(jī)功耗隨蒸發(fā)溫度的升高而降低，隨著冷凝溫度的升高而升高，R134a 系統(tǒng)制冷量較R1234yf 系統(tǒng)制冷量高19～21%，壓縮機(jī)總功耗高約17～19%，R1234yf 系統(tǒng)COP 僅比R134a 系統(tǒng)低2～3%，故在系統(tǒng)性能方面考慮R1234yf 可以作為R134a 代替工質(zhì)用于離心式冷水機(jī)組。

（2）R134a 和R1234yf 系統(tǒng)?損失隨著冷凝溫度的升高而升高，系統(tǒng)?效率隨著冷凝溫度的升高而降低，系統(tǒng)?效率隨著在冷凝溫度不變的情況下隨環(huán)境溫度的升高而降升高，R134a 系統(tǒng)總?損失比R1234yf 系統(tǒng)高約13.27%，由于R1234yf 系統(tǒng)蒸發(fā)器和冷凝器?損失相對(duì)較高，所以R1234yf系統(tǒng)?效率略低于R134a 系統(tǒng)，相差約2.79%。從系統(tǒng)?效率情況看R1234yf可以作為R134a 的代替工質(zhì)用于離心式冷水機(jī)組。

綜上所述，R1234yf 從環(huán)保方面來說均優(yōu)于R134a，從系統(tǒng)能效和?效率方面來說略低于R134a，R1234yf 是代替R134a 用于兩級(jí)離心式冷水機(jī)組的比較理想的工質(zhì)。