R507A/R744載冷系統(tǒng)與乙二醇水溶液系統(tǒng)的能效對比

王 赫

(華商國際工程有限公司，北京 100069)

0 引 言

近年來，制冷行業(yè)飛速發(fā)展，冷鏈物流已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊徊糠?。在制冷行業(yè)迅速發(fā)展的同時，安全和環(huán)保兩大問題始終伴隨著人們。冷鏈人也從未間斷過對制冷行業(yè)安全和環(huán)保問題的關(guān)注和優(yōu)化。我國作為世界上最大的發(fā)展中國家，更是有責(zé)任與義務(wù)在這方面做出表率。因此，我國制定了一系列的法律法規(guī)，同時，國際社會上也出臺了一些國際條約，制冷行業(yè)在這些條文規(guī)范中向前發(fā)展[1]。

對于安全問題方面，圖1所示為我國制冷行業(yè)的安監(jiān)政策，這些政策主要是針對制冷工程的氨制冷劑、壓力容器、壓力管道等特種設(shè)備的生產(chǎn)和使用的嚴(yán)格要求。

圖1 我國制冷行業(yè)安監(jiān)政策

對于環(huán)保問題方面，聯(lián)合國為了避免工業(yè)產(chǎn)品中的氟氯碳化物對地球臭氧層繼續(xù)造成惡化及損害，承續(xù)1985年保護(hù)臭氧層維也納公約的大原則，于1987年9月16日邀請所屬26個會員國在加拿大蒙特利爾簽署《蒙特利爾議定書》。全球目前已完成CFCs(氯氟烴)的全面淘汰，HCFCs(氫氯氟烴)在未來也會被逐步淘汰[2]。對于溫室氣體排放方面，基加利修正案劃定了R134a，R245fa，R32等18種HFCs受控制冷劑[3]。2021年4月16日，國家主席習(xí)近平在北京同法國總統(tǒng)馬克龍、德國總理默克爾舉行中法德領(lǐng)導(dǎo)人視頻峰會。在會上，習(xí)近平表示：中國已決定接受《〈蒙特利爾議定書〉基加利修正案》，加強HFCs(氫氟烴類)等非二氧化碳溫室氣體管控。2021年6月17日，我國向聯(lián)合國正式交存了《基加利修正案》接受文書，修正案于9月15日對我國生效，我國成為修正案第122個締約方。我國制冷行業(yè)環(huán)保政策如圖2。

圖2 我國制冷行業(yè)環(huán)保政策

通過以上分析可以看出，安全和環(huán)保問題始終是制冷行業(yè)面臨的最重大的兩大議題，也是全社會最關(guān)注的問題。與傳統(tǒng)制冷方式相比，間接冷卻系統(tǒng)有效地減少了氨或氟利昂制冷劑的充注量，且能夠把制冷劑限制在機房，提高了系統(tǒng)運行的安全性[4-5]。而CO2(R744)又是一種天然環(huán)保載冷劑，GDP=0，GWP=1，易于獲得，價格低廉，蒸發(fā)潛熱較大，單位容積制冷量高，具有優(yōu)良的流動、傳熱特性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，并且具有良好的安全性、無毒、不可燃。其在載冷劑循環(huán)系統(tǒng)中是通過氣液相變來實現(xiàn)熱量的傳遞過程的，在傳遞相同冷量的前提下，其循環(huán)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他液相載冷劑，所以十分適合用于載冷系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的載冷劑乙二醇相比有哪些優(yōu)勢及劣勢是間接冷卻系統(tǒng)需要重點研究的內(nèi)容。

間接制冷是載冷劑與制冷劑進(jìn)行低溫傳熱，低溫的載冷劑被泵加壓輸送到冷庫間內(nèi)循環(huán)，從而達(dá)到冷凍冷藏的目的。在直接制冷劑不易應(yīng)用的位置或者不可運用直接制冷劑的特殊環(huán)境中，常常用載冷劑替代直接制冷劑來冷卻被冷卻物體(如：中央空調(diào)系統(tǒng)、冰蓄冷系統(tǒng)等)。目前，常被用作載冷劑的物質(zhì)有水、乙二醇水溶液、鹽水、冰河冷媒等。冷庫的高溫庫(主要用于存儲水果蔬菜等)通常為0～8℃，有些控溫穿堂兼有暫存功能也會設(shè)置為0～8℃，此時，冷源選用一體化雙冷高效低溫冷水機組，機組設(shè)置在制冷機房屋面上。載冷劑采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的乙二醇水溶液。乙二醇水溶液的供液溫度為-10℃，回液溫度為-5℃。R744載冷系統(tǒng)在此工況下蒸發(fā)溫度/冷凝溫度為-7～-8℃，R507A與R744有4℃?zhèn)鳠釡夭?，蒸發(fā)溫度一般為-11～-12℃。以R507A/R744載冷劑制冷系統(tǒng)為例，與乙二醇水溶液系統(tǒng)在0～8℃庫溫工況進(jìn)行能效對比。

1 R507A/R744載冷劑制冷系統(tǒng)

圖3所示是R507A/R744載冷劑制冷系統(tǒng)的原理圖[6]，從圖中可以看出，高溫高壓的R507A通過冷凝器與外界環(huán)境換熱冷凝后經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流降壓進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器與CO2換熱，使CO2載冷劑液化，在CO2泵的驅(qū)動下，進(jìn)入冷庫為冷庫降溫，氣化后進(jìn)入下一個循環(huán)。R507A/R744載冷劑制冷系統(tǒng)的p-h圖與T-s圖如圖4與圖5所示[7]。

圖3 R507A/R744載冷劑制冷系統(tǒng)原理圖

圖4 R507A/R744載冷劑制冷系統(tǒng)p-h圖

圖5 R507A/R744載冷劑制冷系統(tǒng)T-s圖

2 乙二醇水溶液系統(tǒng)

圖6所示為乙二醇水溶液載冷劑系統(tǒng)的原理圖，從圖中可以看出，高溫高壓的氟利昂制冷劑通過冷凝器與外界環(huán)境換熱冷凝后經(jīng)過節(jié)流閥節(jié)流降壓進(jìn)入高效換熱器與乙二醇水溶液換熱，乙二醇水溶液載冷劑降溫，在泵的驅(qū)動下，進(jìn)入冷庫為冷庫降溫(無相變)，溫度升高后進(jìn)入換熱器進(jìn)入下一個循環(huán)。

圖6 乙二醇水溶液系統(tǒng)原理圖

3 性能評價指標(biāo)

在CO2載冷系統(tǒng)中，Q為系統(tǒng)制冷量，假定W1為制冷系統(tǒng)單元的能耗(主要為R507A壓縮機及蒸發(fā)冷的能耗)(kW)，W2為載冷系統(tǒng)單元的能耗(主要為CO2泵和冷風(fēng)機的能耗)(kW)，CO2載冷系統(tǒng)的COP1為：

COP1=Q/W1+W2

在乙二醇水溶液載冷系統(tǒng)中，Q為系統(tǒng)制冷量，假定W3為制冷系統(tǒng)單元的能耗(主要為氟利昂壓縮機及蒸發(fā)冷的能耗)(kW)，W4為載冷系統(tǒng)單元的能耗(主要為乙二醇水溶液泵和冷風(fēng)機的能耗)(kW)，乙二醇水溶液載冷系統(tǒng)的COP2為：

COP2=Q/W3+W4

4 影響兩種系統(tǒng)能耗的主要因素

若采用乙二醇水溶液載冷劑系統(tǒng)，乙二醇水溶液的質(zhì)量流量如式(1)[8]：

m1=Q/cpΔt

(1)

式中，Q為制冷量，kW；cp為定壓比熱容，kJ·(kg·K)-1；Δt為傳熱溫差，取5℃。假定1000 kW單位制冷量，在庫溫為0℃時，乙二醇水溶液的供液溫度為-10℃，回液溫度為-5℃。由此算得，m1為56 kg/s。

二氧化碳載冷系統(tǒng)的質(zhì)量流量如式(2)：

m2=Q/γ

(2)

式中，γ為CO2液體的汽化潛熱，J/kg。同樣假定1000 kW單位制冷量，在庫溫為0℃時，CO2的蒸發(fā)溫度取-7℃。由此算得m2為8 kg/s。(循環(huán)倍率為2)。

此外，CO2作為載冷劑與乙二醇水溶液作為載冷劑相比，在相同工作溫度下，其動力黏度小很多，如表1所示，當(dāng)同樣在-10℃工況時，其粘度是乙二醇水溶液的1/62。動力黏度越小，泵的耗功越小，既可以節(jié)省初投資，也可以節(jié)省能量消耗。同時，由上文分析可知，CO2的汽化潛熱遠(yuǎn)大于乙二醇水溶液的比熱容[9]，通過CO2的相變吸收熱量，大大減少CO2的充注量及流量，這樣在載冷系統(tǒng)中，CO2的管徑也要遠(yuǎn)小于乙二醇水溶液，節(jié)省了鋼材用量及管道占用空間。相變過程中溫度不變，冷風(fēng)機進(jìn)出口的溫度極為接近，整個載冷循環(huán)中CO2的溫差很小。

表1 兩種載冷劑物理性質(zhì)

圖7所示為乙二醇水溶液系統(tǒng)在0～8℃庫溫，1000 kW單位制冷量下使用某品牌水泵的選型結(jié)果，該型號水泵單臺耗電量為45 kW(一用一備)。由于CO2的汽化潛熱比乙二醇水溶液的比熱容高很多，同樣溫度下CO2的動力粘度比乙二醇水溶液小很多，所以，同樣工況下，CO2水泵的耗電量大概僅為17 kW左右(兩用一備)。

圖7 某品牌乙二醇水溶液系統(tǒng)水泵選型結(jié)果

表2所示為某品牌冷風(fēng)機以100 kW為單位制冷量，在庫溫為0～8℃時分別將乙二醇水溶液和CO2作為載冷劑時的選型結(jié)果。從表中可以看出，由于乙二醇水溶液的比熱容遠(yuǎn)小于CO2的汽化潛熱，所以在給冷庫降溫時，乙二醇水溶液與環(huán)境的換熱溫差要比CO2大，在同一庫溫、同一制冷量下，乙二醇冷風(fēng)機的面積及風(fēng)量比CO2冷風(fēng)機大，面積越大，冷風(fēng)機占用的空間也會越大，初投資也會越多。兩種冷風(fēng)機單臺用電量基本一致，但乙二醇冷風(fēng)機用電量稍大，如果冷風(fēng)機數(shù)量增多，這部分用電量的浪費也很明顯。

表2 100 kW制冷量某品牌冷風(fēng)機選型結(jié)果

5 能效比較

表3所示是在1000 kW左右單位制冷量下R507A/R744載冷系統(tǒng)與乙二醇水溶液系統(tǒng)能效比較情況，從表格中可以看出，無論從壓縮機COP，還是系統(tǒng)總COP方面，R507A/R744載冷系統(tǒng)都是優(yōu)于乙二醇水溶液系統(tǒng)的。壓縮機的電機功率及液泵總功率是導(dǎo)致能效差異的主要原因。雖然CO2載冷系統(tǒng)的初投資高于乙二醇水溶液系統(tǒng)，但是在一定的時間內(nèi)，CO2載冷系統(tǒng)節(jié)省的用電費用是可以抵消其初投資的超出部分的。

表3 R507A/R744載冷系統(tǒng)與乙二醇水溶液系統(tǒng)能效比較

6 結(jié) 論

1.由于相同溫度下，乙二醇水溶液的動力黏度遠(yuǎn)大于液態(tài)CO2，在常用的高溫庫工況下(0～8℃)，乙二醇水溶液的比熱容遠(yuǎn)小于液態(tài)CO2的汽化潛熱，導(dǎo)致乙二醇水溶液的流量遠(yuǎn)大于CO2，增大了泵的耗能，所以從能效角度來看，R507A/R744載冷系統(tǒng)的能效是優(yōu)于乙二醇水溶液系統(tǒng)的。

2.乙二醇水溶液的流量遠(yuǎn)大于CO2的流量也導(dǎo)致了乙二醇水溶液系統(tǒng)管道的管徑大于CO2載冷系統(tǒng)，增大了鋼材用量及管道占用空間。

3.乙二醇水溶液系統(tǒng)的冷風(fēng)面積也大于CO2載冷系統(tǒng)，不僅會增加末端設(shè)備的初投資，也會占用更多的存貨空間。

4.乙二醇水溶液雖然性質(zhì)穩(wěn)定，熱力學(xué)性能較好，但其對設(shè)備及管道也有一定的腐蝕性。乙二醇水溶液黏度受溫度影響較大，隨著溫度降低，黏度會逐漸增大，泵耗功增加，系統(tǒng)性能逐漸降低。與乙二醇水溶液系統(tǒng)相比，CO2載冷系統(tǒng)更適用于低溫工況。

5.CO2作為載冷劑使用時，也存在一定缺點，CO2載冷系統(tǒng)的管道壓力較乙二醇水溶液系統(tǒng)高，載冷循環(huán)與制冷循環(huán)單元的換熱設(shè)計難度較大等。當(dāng)冬季高溫庫室外溫度低于庫內(nèi)溫度，有加熱需求時，乙二醇水溶液系統(tǒng)更具優(yōu)勢。