載冷劑物性對不同冷卻器組合下冷庫間接制冷系統(tǒng)性能影響實驗研究

王冕同 高 健 孫志利 劉圣春 白欣萌 黃宏利 蘇 超

（1 天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點實驗室 天津 300134；2 朝陽光達化工有限公司 朝陽 122000）

隨著制冷技術(shù)的應(yīng)用及快速發(fā)展，“安全”和“環(huán)?！背蔀橹评湎到y(tǒng)亟需解決的熱點問題。在我國大力推行“碳達峰、碳中和”的大背景下，針對制冷工程中的“安全”和“環(huán)?！眴栴}頒布了明確的法律和行政條文，所有制冷工程行為都要在二者形成的政策框架內(nèi)進行[1]。

面對“環(huán)?！钡膯栴}，國際社會出臺了一系列政策。例如《蒙特利爾議定書》限制氟類制冷劑的使用來保護臭氧層。目前，全球已實現(xiàn)CFCs的全面淘汰，不久之后HCFCs也將被完全淘汰[2]。中國等主要發(fā)展中國家自2024年開始凍結(jié)HFCs溫室氣體的使用，于2029年削減10%，最終在2045年實現(xiàn)削減80%[3-5]。

間接制冷系統(tǒng)制冷劑充注量少，制冷設(shè)備緊湊集中，運行安全性高，受到廣泛關(guān)注[6-7]。與直接制冷系統(tǒng)相比，間接制冷系統(tǒng)將制冷系統(tǒng)集中在機房或很小的范圍內(nèi)，由于制冷劑管路較短且采用集中換熱設(shè)備，減小了制冷劑的充注量，對壓力容器和壓力管道等特種設(shè)備的要求降低。制冷系統(tǒng)的制冷量通過載冷劑輸送至用冷空間，人員作業(yè)區(qū)域無制冷劑，因此大幅提高了系統(tǒng)安全性。

間接制冷系統(tǒng)在商業(yè)制冷項目中的應(yīng)用被逐漸推廣。近年來，很多研究人員關(guān)注間接制冷系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用，雖然該系統(tǒng)具備環(huán)保和安全的特征，但由于存在二次換熱，且增加了載冷劑泵和相關(guān)輔助設(shè)備，間接制冷系統(tǒng)的能耗和初投資顯著提高[8]。D. Snchez等[9]對R134a、R152a、R1234ze（E）為制冷劑的間接制冷系統(tǒng)進行了性能測試，間接制冷系統(tǒng)可以降低62%的制冷劑充注量，但系統(tǒng)總能耗增加，R134a、R152a、R1234ze（E）系統(tǒng)平均能耗分別增加21.8%、18.7%、27.2%。如何提高間接制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟性，并提高間接制冷系統(tǒng)的能效是研究的重點[10]。

不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、載冷劑的物性以及冷庫末端均會對系統(tǒng)性能造成影響。莊友明[11]針對大型鹽水制冰的間接制冷系統(tǒng)相比于直接制冷系統(tǒng)能效過低的問題，在間接制冷系統(tǒng)中加入了過冷回路進行過冷，經(jīng)過計算分析，系統(tǒng)能效比由3.14升至3.34，但該方式會增大系統(tǒng)復(fù)雜度，提高建設(shè)成本。傳統(tǒng)的乙二醇溶液載冷劑在溫度降低時黏性增大，載冷劑泵功耗增大，系統(tǒng)性能降低，同時其腐蝕性較強，會對管材造成破壞[12-13]。Liu Qingzhao等[14]將3種新型載冷劑與傳統(tǒng)乙二醇水溶液進行對比實驗，研究表明，新型載冷劑性能優(yōu)于乙二醇，綜合成本因素，認為可以替代乙二醇使用。在冷卻器方面，研究人員也進行了許多研究，馬燕等[15]對間接冷卻系統(tǒng)與直接冷卻系統(tǒng)進行了研究，結(jié)果表明，通過改善冷卻器的傳熱面積或提高制冷劑蒸發(fā)溫度，可使間接冷卻系統(tǒng)的性能等于或超過直接冷卻系統(tǒng)。L. Pérez-Lombard等[16]研究發(fā)現(xiàn)改善冷卻器的結(jié)構(gòu)可有效提高制冷系統(tǒng)的COP，提高經(jīng)濟性。為研究冷卻器結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)性能的影響，Lin Dong等[17]建立了翅片冷卻器模型，計算了翅片間距、管間距、外管直徑、管材等對冷卻器性能的影響，結(jié)果表明，隨著管徑的增大，制冷量和沿程阻力損失均減小，有效提升冷卻器的制冷效果。R. T. Huang等[18]測定了多種布置方式的平板式翅片管的傳熱特性，結(jié)果表明，朝向下方布置的翅片管傳熱系數(shù)最低，朝向上方和側(cè)方的傳熱系數(shù)較大。王曉云[19]研究了輻射換熱對橫管自然對流效率的影響程度，并分析了影響輻射換熱強度的因素，研究表明，在某些溫度范圍內(nèi)，橫管的輻射換熱占總換熱量的一定比例。冷庫內(nèi)冷卻器分為翅片管冷卻器和光管冷卻器，李大樹等[20]總結(jié)了不同換熱工況下縱向翅片管的傳熱系數(shù)準則式，對比了翅片管和光管在相同工況下的傳熱溫差，結(jié)果表明，翅片管內(nèi)的液體比光管內(nèi)液體更易沸騰，翅片管傳熱性能優(yōu)于光管。

上述研究大多關(guān)注冷卻器的自身性能，而未考慮冷卻器在冷庫內(nèi)空間分布，對新型載冷劑在不同冷卻器內(nèi)的換熱性能研究較少。因此，本文以間接制冷系統(tǒng)為研究對象，研究新型載冷劑以及冷卻器排布對系統(tǒng)性能的綜合影響，并進行經(jīng)濟性分析。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗裝置及載冷劑

為研究LM-4/LM-8兩種載冷劑在不同冷卻器形式下的降溫時間、流動特性和傳熱性能，搭建了冷庫間接制冷系統(tǒng)實驗臺。圖1所示為冷庫間接制冷系統(tǒng)原理，該系統(tǒng)由制冷系統(tǒng)、載冷劑系統(tǒng)和冷庫3部分組成。制冷系統(tǒng)包括制冷機組和冷卻水機組；載冷劑系統(tǒng)由儲液罐、流量泵、轉(zhuǎn)子流量計、壓差表組成；冷庫內(nèi)有冷卻器和電加熱器。冷卻器分為光管和翅片管，參數(shù)如表1所示。光管冷卻器分為墻排和頂排，翅片管冷卻器為頂排。實驗裝置還包括相關(guān)閥件、電氣控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

實驗采用的兩種載冷劑分別為質(zhì)量分數(shù)為50%的LM-4溶液和LM-8溶液。部分物性參數(shù)如表2所示。

1.2 實驗方法

實驗通過改變冷卻器形式來研究兩種載冷劑在不同工況下的性能。冷庫內(nèi)冷卻器形式有3種。圖2（a）所示為翅片頂排冷卻器，傳熱面積為15.3 m2；圖2（b）所示為光管墻排+翅片頂排冷卻器，傳熱面積為7.6 m2+15.3 m2；圖2（c）所示為光管墻排+光管頂排冷卻器，傳熱面積為7.6 m2+7.6 m2。

圖1 冷庫間接制冷系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of cold storage indirect refrigeration system

表1 冷卻器參數(shù)Tab.1 Cooler parameters

冷卻器形式通過管路切換實現(xiàn)，實驗流程如圖3所示。當一組實驗數(shù)據(jù)記錄完成后改變流量及冷卻器形式重復(fù)實驗過程。由于LM-4載冷劑的黏度較大，泵功耗較大，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，使用翅片頂排冷卻器且流量達到0.9 m3/h時，載冷劑泵的電流達到電控系統(tǒng)負荷上限。因此，此時最大流量設(shè)定為0.9 m3/h。

1.3 實驗數(shù)據(jù)處理

表2 載冷劑物性參數(shù)Tab.2 Physical parameters of the secondary refrigerants

圖2 冷卻器形式Fig.2 Cooler combinations

圖3 實驗流程Fig.3 Experimental process

根據(jù)文獻[21]中的規(guī)定，冷庫間接制冷系統(tǒng)的制冷量通過熱平衡法測得，為冷庫圍護結(jié)構(gòu)的漏熱量與電加熱器的加熱量之和：

Qa=Kl（T2-T1）+Qe

（1）

式中：Qa為間接制冷系統(tǒng)制冷量，W；Kl為冷庫的漏熱系數(shù)，W/℃，本實驗中，測量數(shù)據(jù)為15.11；T2為冷庫內(nèi)的干球溫度，℃；T1為外界環(huán)境的干球溫度，℃；Qe為電加熱器功率，W。

間接制冷系統(tǒng)性能包含制冷機組性能和間接制冷系統(tǒng)綜合性能，如式（2）、式（3）所示：

COPr=Qa/Wcomp

（2）

COPc=Qa/（Wcomp+Wpump）

（3）

式中：COPr為制冷機組性能；COPc為間接制冷系統(tǒng)綜合性能；Wcomp為制冷機組壓縮機功耗，W；Wpump為載冷劑泵功耗，W。

雷諾數(shù)Re作為無量綱數(shù)，反映了流體在冷卻器內(nèi)流動與傳熱的關(guān)系，計算如下：

（4）

式中：v為載冷劑流速，m/s；d為載冷劑管道直徑，m；ρ為載冷劑密度，kg/m3；μ為載冷劑動力黏度，Pa·s。

圖4 冷庫降溫曲線Fig.4 Cold storage cooling curve

2 實驗結(jié)果分析

2.1 降溫過程分析

實驗設(shè)置庫溫為-18 ℃，圖4所示為兩種載冷劑在體積流量為0.85 m3/h時測得的降溫曲線。由圖4可知，當流量一定時，降溫時間僅與冷卻器形式有關(guān)。隨著庫溫和載冷劑溫度降低，載冷劑的蒸發(fā)壓力降低，制冷能力下降，制冷機組的制冷量減小，因此降溫時間變長。當使用翅片頂排冷卻器時，系統(tǒng)的降溫時間最長，原因是在相同傳熱面積下頂排的換熱效果低于墻排和頂排冷卻器同時運行時的換熱效果。圖4（a）所示為采用LM-4載冷劑的系統(tǒng)，翅片頂排冷卻器，光管墻排+翅片頂排冷卻器以及光管墻排+光管頂排冷卻器3種冷卻器形式將庫溫降至-18 ℃的時間分別為810、500、373 min，時間上依次縮短38.75%、25.4%。LM-4載冷劑黏度大，同時翅片管的管徑小于光管，管內(nèi)的流動阻力較大，傳熱效果較差，導(dǎo)致采用LM-4載冷劑的系統(tǒng)在使用翅片管冷卻器時降溫時間大于使用光管冷卻器。圖4（b）所示為采用LM-8載冷劑的系統(tǒng)，冷庫使用翅片頂排冷卻器時降溫時間最長，為684 min，使用光管墻排+光管頂排冷卻器時的降溫時間次之，為576 min，相比于使用翅片管冷卻器縮短了15.79%。使用光管墻排+翅片頂排冷卻器時的降溫時間最短，為366 min。LM-8載冷劑黏度較小，因此流動效果受管徑影響較小。翅片頂排冷卻器與光管墻排+光管頂排冷卻器的傳熱面積相當。所以使用LM-8載冷劑的系統(tǒng)在采用翅片頂排冷卻器時與采用光管墻排+光管頂排冷卻器時的降溫時間接近。使用光管墻排+翅片頂排冷卻器時降溫時間最短，比同工況下采用LM-4載冷劑系統(tǒng)的降溫時間減小30.4%。

圖5所示為不同載冷劑系統(tǒng)降溫時間隨流量的變化。由圖5可知，采用LM-4載冷劑的系統(tǒng)降溫時間高于采用LM-8載冷劑的系統(tǒng)。使用光管墻排+翅片頂排冷卻器時，兩種載冷劑的降溫時間隨著載冷劑流量增大均逐漸減小，采用LM-8載冷劑的系統(tǒng)降溫時間比采用LM-4載冷劑的系統(tǒng)約低200 min，LM-8系統(tǒng)在使用該冷卻器下的降溫效果優(yōu)于LM-4系統(tǒng)。使用光管墻排+光管頂排冷卻器時的降溫時間在3種冷卻形式中最短，降溫時間也較為接近。綜上所述，采用LM-8載冷劑的系統(tǒng)降溫時間均小于采用LM-4載冷劑的系統(tǒng)。對于本實驗，流量為0.8 m3/h，LM-8載冷劑的系統(tǒng)使用光管墻排+翅片頂排冷卻器時，系統(tǒng)降溫時間最短，為350 min。

圖5 不同載冷劑系統(tǒng)降溫時間隨流量的變化Fig.5 Variation of cooling time of different refrigerant system with flow rate

2.2 系統(tǒng)性能分析

圖6所示為壓縮機制冷性能系數(shù)COPr隨Re的變化，圖7所示為系統(tǒng)綜合性能系數(shù)COPc隨Re的變化。由圖6、圖7可知，間接制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)隨著Re的增大存在極大值。由于光管墻排+翅片頂排冷卻器組合具有更大的傳熱面積，因此在所有工況中，此種冷卻器組合下的COPr、COPc整體均高于另外兩種冷卻器組合。

圖6 壓縮機制冷性能系數(shù)COPr隨Re的變化Fig.6 Variation of refrigeration performance coefficient COPr of compressor with Re

圖7 系統(tǒng)綜合性能系數(shù)COPc隨Re的變化Fig.7 Variation of system comprehensive performance coefficient COPc with Re

由圖6（a）、圖7（a）可知，對于采用LM-4載冷劑的系統(tǒng)，在使用翅片頂排冷卻器時，COPr、COPc在3種冷卻器中最低，其變化幅度隨Re的增加較為顯著。在該冷卻器形式下，COPr極大值出現(xiàn)在Re約為190時，COPc極大值出現(xiàn)在Re約為155時。造成極值偏移的原因是LM-4載冷劑黏度較大，隨著載冷劑流量提高翅片頂排內(nèi)流動阻力增大，載冷劑泵功耗升高較快，導(dǎo)致COPc出現(xiàn)顯著下降。除此之外，冷卻器組合形式的COPr、COPc極大值均對應(yīng)相同的Re。采用光管墻排+翅片頂排冷卻器的制冷系統(tǒng)的COPr和COPc極大值出現(xiàn)在Re約為230，對應(yīng)的流量均為0.80 m3/h。

由圖6（b）、圖7（b）可知，對于采用LM-8載冷劑的系統(tǒng)，其采用冷卻器組合時的COPr、COPc整體高于采用LM-4載冷劑的系統(tǒng)。LM-4載冷劑和LM-8載冷劑的流動狀態(tài)同屬層流，而LM-8載冷劑的Re更高，管內(nèi)的熱邊界層更薄，同時LM-8載冷劑的導(dǎo)熱系數(shù)大于LM-4載冷劑，LM-8載冷劑的換熱性能優(yōu)于LM-4載冷劑。因此采用LM-8載冷劑的系統(tǒng)制冷效果優(yōu)于采用LM-4載冷劑的系統(tǒng)。采用光管墻排+翅片頂排冷卻器的制冷系統(tǒng)的COPr和COPc極大值出現(xiàn)在Re約為710，對應(yīng)的流量均為0.85 m3/h。

圖8 穩(wěn)定運行時最優(yōu)COPFig.8 Optimal COP during stable operation

圖8所示為3種冷卻器形式下的冷庫間接制冷系統(tǒng)的最優(yōu)COP，當系統(tǒng)使用組合冷卻器時，由于傳熱面積增大且冷庫內(nèi)同時有兩側(cè)供冷，因此最佳制冷效果優(yōu)于單獨使用翅片頂排冷卻器。采用光管墻排+翅片頂排冷卻器時COP最高，優(yōu)于光管墻排+光管頂排冷卻器形式。其中LM-8載冷劑的系統(tǒng)的最佳COPr為0.773，最佳COPc為0.722。分別比同工況下LM-4載冷劑系統(tǒng)的最佳COPr和最佳COPc高2.6%和9%。

2.3 經(jīng)濟性分析

圖9 降溫過程耗電量Fig.9 Power consumption during cooling

系統(tǒng)經(jīng)濟性通過降溫過程的耗電量和穩(wěn)定工況下的功率來反映。圖9所示為不同工況下降溫過程的耗電量。當系統(tǒng)不發(fā)生改變時，降溫過程的耗電量與降溫時間呈正比，但在不同流量下載冷劑泵和壓縮機功耗不同，因此降溫過程的耗電量與降溫時間趨勢一致卻有所差異。圖9（a）所示為降溫過程耗電量隨流量的變化，由圖9（a）可知，采用LM-4載冷劑的系統(tǒng)在使用翅片頂排冷卻器時功耗高于其他工況。采用LM-4載冷劑的系統(tǒng)在使用光管墻排+光管頂排冷卻器時的耗電量與采用LM-8載冷劑的系統(tǒng)在使用光管墻排+翅片頂排冷卻器和光管墻排+光管頂排冷卻器的耗電量較為接近。圖9（b）、（c）所示分別為LM-4、LM-8載冷劑系統(tǒng)降溫過程耗電量隨Re的變化。由圖9（b）可知，對于采用LM-4載冷劑的系統(tǒng)，使用光管墻排+光管頂排冷卻器的系統(tǒng)在降溫過程中的耗電量低于另外兩種工況，且在最優(yōu)工況下降溫至-18 ℃的耗電量為18.5 kW·h。由圖9（c）可知，采用LM-8載冷劑的系統(tǒng)使用光管墻排+翅片頂排冷卻器的系統(tǒng)降溫過程中能耗最低，在最優(yōu)工況下降溫所需耗電量為12 kW·h，比采用LM-4載冷劑系統(tǒng)的最優(yōu)工況的耗電量減小35%。

圖10和圖11所示分別為壓縮機能耗和系統(tǒng)總能耗隨載冷劑體積流量的變化。圖10（a）所示為壓縮機能耗隨流量的變化，由圖10（a）可知，壓縮機能耗隨著流量的增大而增大。原因是載冷劑流量增大導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)制冷劑的蒸發(fā)溫度升高，蒸發(fā)器出口過熱度增大，導(dǎo)致膨脹閥開度增大，制冷劑流量增大，故壓縮機能耗增加。采用LM-4載冷劑的系統(tǒng)在使用翅片頂排冷卻器時的壓縮機能耗與采用LM-8載冷劑的系統(tǒng)在使用光管墻排+光管頂排冷卻器時的較為接近。圖10（b）、（c）所示為LM-4、LM-8載冷劑系統(tǒng)壓縮機能耗隨Re變化，由圖10（b）、（c）可知，采用LM-4載冷劑的系統(tǒng)和采用LM-8載冷劑的系統(tǒng)在最優(yōu)工況下（光管墻排+翅片頂排冷卻器，Re分別為230、270）的壓縮機能耗分別為1655、1625 W。當流量超過0.9 m3/h，Re超過900時，采用LM-8載冷劑的系統(tǒng)的壓縮機能耗上升較快。

圖10 穩(wěn)定運行時的壓縮機能耗Fig.10 Compressor energy consumption during stable operation

圖11（a）所示為系統(tǒng)總能耗隨體積流量的變化，由圖11（a）可知，LM-4載冷劑的系統(tǒng)在使用翅片頂排冷卻器時總能耗的上升速度最快且與光管墻排+翅片頂排冷卻器的工況曲線存在交叉重疊。LM-4載冷劑黏度大于LM-8載冷劑，流動阻力更大，導(dǎo)致載冷劑泵能耗較大。LM-4載冷劑系統(tǒng)使用光管墻排+光管頂排冷卻器的能耗與LM-8載冷劑系統(tǒng)使用光管墻排+翅片頂排冷卻器較為接近。LM-8載冷劑的系統(tǒng)在載冷劑流量為0.55～0.85 m3范圍內(nèi)，使用翅片頂排冷卻器時與使用光管墻排+光管頂排冷卻器的能耗較低，且二者較為接近。

圖11（b）、（c）所示為LM-4、LM-8載冷劑系統(tǒng)總能耗隨Re的變化，由圖11（b）、（c）可知，LM-4載冷劑系統(tǒng)的整體能耗大于LM-8載冷劑系統(tǒng)。采用LM-4載冷劑的系統(tǒng)與采用LM-8載冷劑的系統(tǒng)在最優(yōu)工況下（光管墻排+翅片頂排冷卻器，Re分別為230、270）的系統(tǒng)總能耗分別為1 855、1 745 W。在實驗的3種冷卻器形式范圍內(nèi)，采用LM-8載冷劑的系統(tǒng)總能耗比采用LM-4載冷劑的系統(tǒng)總能耗分別低5.8%～13.6%、2.2%～9.1%、3.3%～7.2%。

圖11 穩(wěn)定運行時的系統(tǒng)總能耗Fig.11 System energy consumption during stable operation

3 結(jié)論

本文搭建了冷庫間接制冷系統(tǒng)實驗臺，通過改變冷庫內(nèi)冷卻器形式和載冷劑類型，以Re作為參考指標，得到結(jié)論如下：

1）載冷劑的熱物性對間接制冷系統(tǒng)的降溫時間影響顯著。采用LM-8載冷劑的系統(tǒng)在使用光管墻排+翅片頂排冷卻器時的降溫時間最短，比采用LM-4載冷劑的系統(tǒng)降溫時間減小30.4%。

2）壓縮機制冷性能系數(shù)COPr和系統(tǒng)綜合性能系數(shù)COPc存在極大值。當冷卻器使用光管墻排+翅片頂排冷卻器時的COPr、COPc整體最高。采用LM-8載冷劑的系統(tǒng)最佳COPr和最佳COPc分別為0.773和0.722，對應(yīng)的Re約為710。

3）采用LM-8載冷劑的系統(tǒng)在降溫過程中的總能耗顯著低于LM-4載冷劑系統(tǒng)，3種冷卻器組合形式下的系統(tǒng)總能耗比采用LM-4載冷劑的系統(tǒng)分別低了5.8%～13.6%、2.2%～9.1%、3.3%～7.2%。

4）采用LM-8載冷劑的系統(tǒng)性能優(yōu)于采用LM-4載冷劑的系統(tǒng)。光管墻排+翅片頂排冷卻器的冷卻器組合形式最優(yōu)。

本文受天津市科學(xué)技術(shù)局科技幫扶提升重大工程項目（20ZYCGSN00310）和遼寧省中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項項目（2021JH6/10500081）資助。（The project was supported by the Science and Technology Assistance and Promotion Major Project of Tianjin Science and Technology Bureau（No. 20ZYCGSN00310）, and the Central Guidance on Local Science and Technology Development Fund of Liaoning Province（No. 2021JH6/10500081）.）