過冷度對(duì)梯級(jí)吸排氣制冷循環(huán)的影響研究

何煜，曹祥，張春路*

（1-湖南金隼軟件科技有限公司，湖南邵陽(yáng) 422000；2-同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

0 引言

提高制冷熱泵裝置的能效對(duì)于我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳中和”的節(jié)能減排目標(biāo)具有重大意義[1-3]。梯級(jí)吸排氣制冷循環(huán)是一種通過改善冷凝器和蒸發(fā)器換熱溫差場(chǎng)均勻性，提高制冷熱泵裝置能效的新型復(fù)合制冷循環(huán)[4-5]。它的特征在于，循環(huán)內(nèi)具有數(shù)個(gè)一定梯度的吸排氣壓力，通過對(duì)換熱流體進(jìn)行多級(jí)冷卻或加熱，實(shí)現(xiàn)制冷劑相變溫度對(duì)熱源溫度的梯形逼近（圖1）。目前，梯級(jí)吸排氣技術(shù)已在熱泵熱水[6]，熱泵烘干[7]以及新風(fēng)熱濕處理[8]等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)示范應(yīng)用，節(jié)能效果顯著。

圖1 梯級(jí)吸排氣壓力循環(huán)原理

梯級(jí)吸排氣制冷循環(huán)作為一種復(fù)合循環(huán)，其系統(tǒng)特性與簡(jiǎn)單循環(huán)相比既有相似性又有特殊性。相似性是因?yàn)槠涿總€(gè)子循環(huán)都是簡(jiǎn)單循環(huán)，因此會(huì)在一定程度上繼承簡(jiǎn)單循環(huán)的特性。但是，梯級(jí)吸排氣循環(huán)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)也決定了其特殊性，即各個(gè)子循環(huán)的兩器通過換熱流體串聯(lián)而相互影響。本文將側(cè)重于揭示過冷度對(duì)梯級(jí)吸排氣循環(huán)特性的影響。

在蒸氣壓縮式制冷循環(huán)中，節(jié)流前制冷劑液體溫度與其飽和溫度的差值稱為過冷度，它是制冷循環(huán)中一個(gè)重要的優(yōu)化參數(shù)。如果僅從熱力學(xué)循環(huán)角度，過冷度的增大有助于提高單位循環(huán)流量的制冷量，從而改善能效。因此有研究者通過設(shè)置輔助過冷器[9-10]或余冷回收[11-13]增加循環(huán)過冷度，顯著提升了制冷效率。但是，對(duì)于冷凝器結(jié)構(gòu)確定的制冷設(shè)備，過冷度并非越大越好。KIM等[14]在空氣源熱泵實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)冷凝器出口過冷度隨充注量增加而加大，同時(shí)系統(tǒng)性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）也隨之先升后降，即對(duì)于確定結(jié)構(gòu)的制冷裝置過冷度和充注量存在最優(yōu)值。上述趨勢(shì)在水源熱泵[15]、汽車空調(diào)[16]和家用空調(diào)[17]的實(shí)驗(yàn)中同樣存在。理論層面，基于有限面積的制冷循環(huán)計(jì)算[18]和制冷系統(tǒng)仿真模擬[19]同樣發(fā)現(xiàn)了最優(yōu)過冷度的存在。這是由于，雖然過冷度增加會(huì)提高單位流量制冷量帶來的積極影響，但是過冷度太大會(huì)顯著提高冷凝壓力、造成壓縮機(jī)功耗上升[15]，因而循環(huán)過冷度存在最優(yōu)值使循環(huán)COP最高。

本文從熱力學(xué)循環(huán)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩個(gè)層面，研究過冷度對(duì)梯級(jí)吸排氣制冷循環(huán)的影響。首先建立基于有限傳熱面積的制冷劑循環(huán)計(jì)算模型，通過數(shù)值計(jì)算確定過冷度對(duì)梯級(jí)吸排氣循環(huán)影響的定性結(jié)論，并從理論上分析其可能的原因。再通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證循環(huán)計(jì)算和理論分析的結(jié)論。通過上述研究，一方面可以確定過冷度對(duì)梯級(jí)吸排氣制冷循環(huán)的影響，另一方面充分理解其循環(huán)特性，使梯級(jí)吸排氣制冷循環(huán)在工程應(yīng)用中更好地發(fā)揮其節(jié)能潛力。

1 循環(huán)計(jì)算

1.1 基于有限換熱面積的循環(huán)計(jì)算模型

簡(jiǎn)單蒸氣壓縮制冷循環(huán)由非等熵壓縮，冷凝放熱，等焓節(jié)流和蒸發(fā)吸熱4個(gè)過程構(gòu)成，梯級(jí)吸排氣制冷循環(huán)是由多個(gè)簡(jiǎn)單循環(huán)通過換熱流體依次串聯(lián)蒸發(fā)器和冷凝器構(gòu)成。為了反映過冷度對(duì)循環(huán)效率的影響，兩類循環(huán)在計(jì)算中除了使用相同的壓縮機(jī)和節(jié)流模型，還應(yīng)保持相同的總傳熱面積。

因此，本文的循環(huán)計(jì)算假設(shè)條件如下：1）壓縮機(jī)定等熵效率；2）等焓節(jié)流；3）不同系統(tǒng)總換熱面積不變；4）冷熱源換熱流體比熱容不隨溫度發(fā)生變化。

在有限傳熱面積條件下，本文選用基于對(duì)數(shù)平均溫差法的分區(qū)換熱器模型。冷凝器被分為過熱區(qū)、兩相區(qū)和過冷區(qū)，其模型方程為：

式中，Q為換熱量，W；U為傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為傳熱面積，m2；ΔT為對(duì)數(shù)平均換熱溫差，K；下標(biāo)DESH、COND、SC為冷凝器的過熱區(qū)、兩相區(qū)和過冷區(qū)；mr為制冷劑的質(zhì)量流量，kg/s；hr,c,in和hr,c,out分別為冷凝器進(jìn)出口的制冷劑焓值，kJ/kg。

壓縮機(jī)采用定等熵效率（ηs）模型：

式中，Wcomp為壓縮機(jī)的功率，W。

壓縮機(jī)考慮腔體散熱，定義壓縮機(jī)散熱系數(shù)為ε，壓縮機(jī)散熱量為：

壓縮機(jī)的排氣狀態(tài)的焓為：

節(jié)流過程采用等焓節(jié)流：

由于兩級(jí)排氣循環(huán)具備較強(qiáng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和可實(shí)施性，因此本文聚焦于單級(jí)吸氣、雙級(jí)排氣循環(huán)（簡(jiǎn)稱單吸雙排循環(huán)）與簡(jiǎn)單循環(huán)的對(duì)比。在計(jì)算中，單吸雙排循環(huán)兩個(gè)冷凝器面積相等，均為簡(jiǎn)單循環(huán)冷凝器的一半，且兩個(gè)冷凝器換熱量為簡(jiǎn)單循環(huán)冷凝器的一半，即：

式中，1和2分別為單吸雙排循環(huán)的低壓冷凝器和高壓冷凝器，0為簡(jiǎn)單循環(huán)。

循環(huán)的制冷性能系數(shù)（COP）定義為：

1.2 循環(huán)計(jì)算結(jié)果分析

本文的循環(huán)計(jì)算是基于下文被試空調(diào)機(jī)組的測(cè)試工況建立的，循環(huán)計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 R410A循環(huán)計(jì)算參數(shù)設(shè)定

本文比較了當(dāng)過冷度從0～15 K時(shí)，簡(jiǎn)單循環(huán)和單吸雙排循環(huán)的循環(huán)COP變化趨勢(shì)，計(jì)算結(jié)果如圖2所示，由圖2可知：

圖2 過冷度對(duì)系統(tǒng)COP的影響（循環(huán)計(jì)算）

1）隨著過冷度增加，梯級(jí)吸排氣循環(huán)COP先增大后減小，其變化趨勢(shì)與簡(jiǎn)單循環(huán)相似，這是因?yàn)樘菁?jí)吸排氣循環(huán)的子循環(huán)構(gòu)型仍然是簡(jiǎn)單蒸氣壓縮制冷循環(huán)，因此會(huì)繼承其特性；

2）簡(jiǎn)單循環(huán)的最優(yōu)過冷度大于單吸雙排和雙吸雙排循環(huán)，在本例中，單吸雙排循環(huán)的最優(yōu)過冷度為6 K，簡(jiǎn)單循環(huán)的最優(yōu)過冷度為12 K；

3）過冷度過大會(huì)損害梯級(jí)吸排氣循環(huán)的節(jié)能性。在本例中，當(dāng)過冷度小于8 K時(shí)，相同過冷度的單吸雙排循環(huán)COP更具備優(yōu)勢(shì)，但是如果過冷度進(jìn)一步增大，簡(jiǎn)單循環(huán)能效將超過單吸雙排循環(huán)。

雙級(jí)排氣循環(huán)COP對(duì)過冷度更加敏感原因在于，其單個(gè)冷凝器換熱流體的溫度變化被減半，尤其是冷凝器制冷劑出口的端部溫差明顯小于簡(jiǎn)單循環(huán)，從而影響了其冷凝溫度。圖3所示為當(dāng)過冷度較大時(shí)，低壓冷凝器的冷凝溫度甚至接近于相同過冷度條件下簡(jiǎn)單循環(huán)的冷凝溫度，導(dǎo)致梯級(jí)排氣循環(huán)的節(jié)能性下降。

圖3 過冷度對(duì)冷凝溫度的影響（循環(huán)計(jì)算）

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)介紹

為了驗(yàn)證循環(huán)計(jì)算結(jié)論，搭建了基于單吸雙排循環(huán)（圖4）和簡(jiǎn)單循環(huán)的風(fēng)冷冷風(fēng)空調(diào)機(jī)組，并在標(biāo)準(zhǔn)焓差法實(shí)驗(yàn)臺(tái)上開展性能實(shí)驗(yàn)，所用實(shí)驗(yàn)儀表滿足焓差法實(shí)驗(yàn)國(guó)標(biāo)的要求[20]。為了保證單吸雙排循環(huán)兩級(jí)冷凝器的換熱能力為簡(jiǎn)單循環(huán)冷凝器的一半，單吸雙排循環(huán)所使用的冷凝盤管1與簡(jiǎn)單循環(huán)使用的冷凝盤管2相比，排數(shù)減半的同時(shí)制冷劑的分路數(shù)減半，使冷凝盤管1和2的換熱管內(nèi)制冷劑流速和對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在循環(huán)冷凝散熱量相同時(shí)基本保持一致。此外，為了降低壓縮機(jī)效率和管路壓降對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，兩組實(shí)驗(yàn)使用兩臺(tái)相同型號(hào)的R410A變頻壓縮機(jī)、電子膨脹閥以及相同規(guī)格的吸排氣管路，其中簡(jiǎn)單循環(huán)采用并聯(lián)壓縮機(jī)和并聯(lián)吸排氣管路的形式。

圖4 單吸雙排實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理

為了減少冷凝器出口制冷劑溫度測(cè)量誤差，提高制冷循環(huán)過冷度測(cè)量精度，在實(shí)驗(yàn)機(jī)組上設(shè)計(jì)并安裝了一套制冷循環(huán)過冷度測(cè)量與調(diào)節(jié)組件（圖5），它由一個(gè)儲(chǔ)液罐（包含進(jìn)出口視鏡和液位視鏡）和一個(gè)過冷度調(diào)節(jié)閥組成，在過冷度調(diào)節(jié)閥前后各安裝了一只壓力傳感器。在制冷系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，只要通過觀察視鏡確認(rèn)儲(chǔ)液罐沒有被充滿或缺液狀態(tài)，就可以將過冷度調(diào)節(jié)閥前后壓降所產(chǎn)生的飽和溫降作為液管過冷度的測(cè)量值。該組件有效提高過冷度測(cè)量精度，同時(shí)減少了制冷劑充放的次數(shù)，提高了測(cè)試效率。

圖5 制冷循環(huán)過冷度測(cè)量與調(diào)節(jié)組件實(shí)物

受實(shí)驗(yàn)條件限制和被試機(jī)組安全運(yùn)行要求，實(shí)驗(yàn)在如下工況條件下進(jìn)行：蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)狀態(tài)干球溫度為27 ℃，濕球溫度為20 ℃，風(fēng)量為2 500 m3/h，冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度為27 ℃，機(jī)組制冷量為22 kW。測(cè)試過程中，蒸發(fā)風(fēng)機(jī)和冷凝風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。同時(shí)，單吸雙排循環(huán)通過控制兩臺(tái)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速比例，保持兩片冷凝器散熱量相同。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6所示為冷凝器過冷度對(duì)循環(huán)性能影響的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果?？紤]到換熱器制造和測(cè)試的不確定性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果具有較好的一致性，充分驗(yàn)證了循環(huán)計(jì)算結(jié)論，即梯級(jí)排氣相比于簡(jiǎn)單循環(huán)對(duì)過冷度更加敏感，過大的過冷度會(huì)影響梯級(jí)排氣的節(jié)能效果。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)單吸雙排循環(huán)在過冷度為5.7 K時(shí)測(cè)得的COP最高，則簡(jiǎn)單循環(huán)的最優(yōu)過冷度為12 K，是單吸雙排循環(huán)的2.1倍。當(dāng)過冷度大于8 K后，單吸雙排循環(huán)冷凝溫度上升較為顯著，壓縮機(jī)功耗大幅提高，導(dǎo)致單吸雙排循環(huán)COP低于簡(jiǎn)單循環(huán)。

圖6 過冷度對(duì)循環(huán)性能的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

本文通過熱力學(xué)循環(huán)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，研究了過冷度對(duì)梯級(jí)吸排氣制冷循環(huán)的影響，并深入討論了其原因，得出如下結(jié)論：

1）與簡(jiǎn)單循環(huán)相似，存在一個(gè)最優(yōu)的過冷度使梯級(jí)吸排氣循環(huán)制冷COP最優(yōu)；

2）梯級(jí)吸排氣循環(huán)對(duì)過冷度更加敏感，其最優(yōu)過冷度數(shù)值較小，簡(jiǎn)單循環(huán)的最優(yōu)過冷度約是單吸雙排循環(huán)最優(yōu)過冷度的2倍；

3）過大的過冷度會(huì)損害梯級(jí)吸排氣循環(huán)的節(jié)能性，當(dāng)過冷度大于8 K時(shí)，單吸雙排循環(huán)的制冷效率反而劣于簡(jiǎn)單循環(huán)。