基于船用自復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的低溫混合制冷劑應(yīng)用研究

楊志強(qiáng),賀 波,劉鵬飛,丁 智

(1 浙江大學(xué)海洋學(xué)院,浙江 舟山 316021;2 捷勝海洋裝備股份有限公司,浙江 寧波 315806;3 中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一一研究所,上海 201203)

漁船捕撈業(yè)是中國(guó)漁業(yè)的重要組成部分。2020年末,中國(guó)有漁船56.33萬(wàn)艘,其中機(jī)動(dòng)漁船37.48萬(wàn)艘[1],大多數(shù)機(jī)動(dòng)漁船為保證漁獲物的品質(zhì)而配備冷凍及冷藏系統(tǒng),制冷溫度一般在-60 ℃～-18 ℃[2]。目前,中國(guó)漁船制冷系統(tǒng)幾乎全部使用蒸氣壓縮膨脹系統(tǒng),且制冷劑以R22(二氟一氯甲烷)為主[3]。R22作為第二代制冷劑中的優(yōu)秀代表,最早應(yīng)用于20世紀(jì)30年代,因其熱力學(xué)性能優(yōu)越,價(jià)格低廉,加之徹底改善了制冷劑可燃性和毒性的缺陷,曾在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用[4],但在70年代被確定對(duì)臭氧層具有破壞作用,其消耗臭氧潛能值(ODP)為0.05[5]。1987年,關(guān)于臭氧層消耗物質(zhì)的蒙特利爾議定書(shū)(UNEP1987)獲得通過(guò)。議定書(shū)約定,發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家最晚將分別于2020年和2030年全面禁止使用R22制冷劑[6]。

中國(guó)漁業(yè)船舶制冷行業(yè)加快淘汰第二代制冷劑,根據(jù)《國(guó)內(nèi)海洋漁船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》[7](2019)規(guī)定,在2020年1月1日或以后建造的漁船禁用含氫化氯氟烴(第二代制冷劑)制冷裝置,這比國(guó)際限定的淘汰進(jìn)度提前了10年[8]。因此尋找理想的替代制冷劑迫在眉睫,理想的制冷劑除了有較低的ODP和GWP值外,還需具備良好的安全性、經(jīng)濟(jì)性和優(yōu)良的熱物性等優(yōu)點(diǎn)[9]。根據(jù)目前的研究,從理論上有三類(lèi)制冷劑具備取代R22在漁船上應(yīng)用的潛力。1)混合制冷劑[10],R407C、R404A等;2)HFC類(lèi)純制冷劑[11],R32(二氟甲烷)等;3)自然工質(zhì)[12],R290(丙烷)、NH3(氨)、CO2(二氧化碳)等。

近些年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者[13-17]針對(duì)替代制冷劑做了大量研究,混合制冷劑以其優(yōu)秀的熱物性能,成為替代制冷劑研究的主流趨勢(shì)[18]。此外,在遠(yuǎn)洋漁船作業(yè)中,一些特殊漁獲物通常需在低溫下進(jìn)行冷凍保存[18],比如金槍魚(yú)為-50 ℃冷藏、-55 ℃凍結(jié)[19],南極磷蝦為-35 ℃冷藏、-40 ℃凍結(jié)[20]等。目前在漁船的制冷系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)該低溫環(huán)境主要通過(guò)單機(jī)雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)和復(fù)疊式制冷系統(tǒng)[21-23]。

國(guó)內(nèi)很多學(xué)者針對(duì)單機(jī)雙級(jí)活塞式壓縮制冷系統(tǒng)開(kāi)展了研究。楊富華等[24]介紹了國(guó)產(chǎn)自主開(kāi)發(fā)的超低溫金槍魚(yú)延繩釣船用制冷系統(tǒng),該制冷系統(tǒng)以R22為制冷劑,采用的是雙級(jí)壓縮制冷機(jī)組,蒸發(fā)溫度可達(dá)-70 ℃。蔡秀安[25]設(shè)計(jì)了以R22為制冷劑的-60 ℃超低溫漁船制冷系統(tǒng),該制冷系統(tǒng)采用單機(jī)雙級(jí)壓縮制冷機(jī)組,簡(jiǎn)化了系統(tǒng),確保了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。汪磊等[26]針對(duì)船用超低溫R404A單機(jī)雙級(jí)制冷系統(tǒng)開(kāi)展了模擬仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證研究,研究表明,當(dāng)蒸發(fā)溫度上升或冷凝溫度下降5 ℃時(shí),蒸發(fā)溫度對(duì)制冷系數(shù)的影響較冷凝溫度高7.8%以上。

同時(shí),也有一批學(xué)者針對(duì)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)開(kāi)展研究。趙瑞昌等[27]運(yùn)用EES 軟件對(duì)復(fù)疊式循環(huán)與雙級(jí)壓縮式循環(huán)進(jìn)行了模擬對(duì)比研究,結(jié)果表明蒸發(fā)溫度對(duì)復(fù)疊循環(huán)和雙級(jí)壓縮循環(huán)系統(tǒng)的COP均有很大的影響,在蒸發(fā)溫度較低工況下,復(fù)疊式循環(huán)COP更高。劉寒等[21]對(duì)R404A/R23復(fù)疊式制冷系統(tǒng)開(kāi)展仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證研究,結(jié)果表明當(dāng)冷凝溫度為40 ℃,蒸發(fā)溫度分別為-65 ℃、-60 ℃、-55 ℃時(shí),復(fù)疊式系統(tǒng)制冷系數(shù)分別高于單機(jī)雙級(jí)系統(tǒng)21.33%、22.25%、22.18%,在-65 ℃～-55 ℃運(yùn)行工況下,復(fù)疊式系統(tǒng)制冷系數(shù)明顯高于單機(jī)雙級(jí)制冷系統(tǒng)。

隨著R22制冷劑被禁止使用,開(kāi)發(fā)基于環(huán)保型制冷劑的高效緊湊制冷系統(tǒng)迫在眉睫。自復(fù)疊制冷系統(tǒng)使用混合制冷劑并通過(guò)單臺(tái)壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)多級(jí)復(fù)疊,可獲得-65 ℃以下的低溫,極大地簡(jiǎn)化了制冷系統(tǒng)。因此基于自復(fù)疊制冷系統(tǒng)開(kāi)展-65 ℃的漁船制冷系統(tǒng)低溫混合制冷劑的應(yīng)用研究,不僅可以簡(jiǎn)化系統(tǒng),還可以替代現(xiàn)有R22制冷系統(tǒng),對(duì)漁船用低溫制冷系統(tǒng)和混合制冷劑的應(yīng)用具有重要意義。

1 循環(huán)系統(tǒng)建立及制冷劑選擇

1.1 單機(jī)單級(jí)自復(fù)疊制冷循環(huán)設(shè)計(jì)

圖1為單級(jí)自復(fù)疊制冷系統(tǒng)流程圖,區(qū)別于常規(guī)的單級(jí)制冷系統(tǒng)。

圖1 單級(jí)混合制冷劑自復(fù)疊制冷系統(tǒng)Fig.1 Single-stage self-cascading refrigeration system

所構(gòu)建的回?zé)崾较到y(tǒng)充分利用混合制冷劑相變范圍寬的特點(diǎn),利用不同組元間相變溫區(qū)的差異實(shí)現(xiàn)制冷劑的梯級(jí)冷卻,最終實(shí)現(xiàn)高、低壓制冷劑間的良好換熱溫度-負(fù)荷匹配,為此所構(gòu)建系統(tǒng)在傳統(tǒng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加回?zé)釗Q熱器。

采用化工流程模擬軟件對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行流程模擬計(jì)算,該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的T-s圖如圖2所示。工作過(guò)程為:回?zé)釗Q熱器出口的低壓制冷劑經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)單級(jí)壓縮至高溫高壓狀態(tài)點(diǎn)2,經(jīng)過(guò)冷凝器換熱降溫至狀態(tài)點(diǎn)3,進(jìn)入回?zé)釗Q熱器后與反流低溫低壓制冷劑換熱冷卻至狀態(tài)點(diǎn)4,實(shí)現(xiàn)節(jié)流前過(guò)冷;經(jīng)過(guò)節(jié)流閥節(jié)流降溫至狀態(tài)點(diǎn)5后進(jìn)入蒸發(fā)器提供冷量,溫度升高至狀態(tài)點(diǎn)6,進(jìn)入回?zé)釗Q熱器冷卻高壓來(lái)流混合制冷劑,恢復(fù)至狀態(tài)點(diǎn)1,系統(tǒng)完成一個(gè)循環(huán)。

圖2 單級(jí)混合制冷劑自復(fù)疊制冷系統(tǒng)T-s圖Fig.2 T-s diagram of single-stage self-cascading refrigeration system

在設(shè)備方面,所構(gòu)建的單級(jí)混合制冷劑回?zé)崾街评湎到y(tǒng)相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)僅增加回?zé)釗Q熱器,大大簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)兩級(jí)壓縮制冷系統(tǒng),縮小了壓縮機(jī)尺寸大小和降低壓縮機(jī)選型難度,同時(shí)減少了與兩級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的油分器和冷凝器數(shù)量,在降低系統(tǒng)設(shè)備成本方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

1.2 新型環(huán)保型混合制冷劑篩選

船用制冷劑的篩選是一個(gè)較為復(fù)雜的問(wèn)題,需要考慮眾多因素。1)考慮環(huán)保的要求,理想制冷劑的ODP應(yīng)為0,GWP應(yīng)盡量小。2)考慮制冷溫度的需求,選擇適用于不同制冷溫度的制冷劑,要在滿足制冷溫度的前提下,制冷劑的運(yùn)行冷凝壓力不超過(guò)壓縮機(jī)安全使用條件的規(guī)定值。3)考慮制冷劑的性質(zhì),根據(jù)制冷劑的熱物性和化學(xué)性質(zhì),選擇無(wú)毒、穩(wěn)定、不可燃的制冷劑,且傳熱好、阻力小,與制冷系統(tǒng)材料相容性好。4)其他熱力性質(zhì):制冷劑的比熱容要小,以減少節(jié)流損失;絕熱指數(shù)要低,以避免壓縮機(jī)的排氣溫度過(guò)高;單位容積制冷能力要大,以使制冷機(jī)組尺寸緊湊。5)制冷劑的易得性,價(jià)格要低。潛在制冷劑的基本物理性質(zhì)如表1所示。

表1 潛在制冷劑的基本物理性質(zhì)Tab.1 Basic physical properties of the potential refrigerants

制冷劑的相變行為是制冷循環(huán)實(shí)現(xiàn)制冷的本質(zhì),對(duì)于不同的制冷系統(tǒng),制冷劑的篩選原則不同。制冷劑的基本熱力學(xué)性質(zhì)有常壓沸點(diǎn)、三相點(diǎn)、臨界數(shù)據(jù)、溫室效應(yīng)潛值(GWP)和臭氧層消耗潛值(ODP)等。常規(guī)單級(jí)制冷循環(huán)(采用純工質(zhì)或相變溫度滑移小的工質(zhì))進(jìn)行制冷劑篩選時(shí),主要取決于與制冷溫度對(duì)應(yīng)的相變溫度,篩選難度低。對(duì)于混合制冷劑回?zé)崾街评湎到y(tǒng),其利用的是混合制冷劑相變溫度滑移特性以改善制冷劑的換熱溫度匹配。為此,系統(tǒng)中制冷劑的選擇要具有與制冷溫跨相對(duì)應(yīng)的相變溫度滑移,即在大溫跨制冷時(shí),構(gòu)成混合制冷劑的高、低沸點(diǎn)制冷劑間的常壓沸點(diǎn)差要相應(yīng)大。因此,為滿足制冷要求,考慮到工質(zhì)環(huán)保性、安全性以及工質(zhì)獲取的難易,主要以工質(zhì)常壓沸點(diǎn)作為篩選標(biāo)準(zhǔn),初步篩選出以下潛在制冷工質(zhì),如表1所示。具體可以分為低于目標(biāo)制冷溫度的低溫區(qū)組元,接近目標(biāo)溫區(qū)的正常工作溫區(qū)組元,介于目標(biāo)溫區(qū)及環(huán)境溫區(qū)的中間溫區(qū)組元,以及接近環(huán)境溫區(qū)的高溫區(qū)組元。

結(jié)合表1可知,除較低溫區(qū)的Ne、N2和Ar外,不可燃工質(zhì)的可選范圍以各類(lèi)鹵代烴(氟利昂)為主,混合制冷劑內(nèi)部的每一組元均有有效工作溫區(qū),因此選配混合制冷劑時(shí)應(yīng)基于單工質(zhì)的有效溫區(qū),考慮不同組元在制冷工作壓力內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)有效的接力匹配,提升制冷系數(shù)。針對(duì)本研究所需制冷溫區(qū),選取R14/R23/R134a/R245fa作為較為理想的組合。圖3為當(dāng)節(jié)流閥前后壓力分別為2 MPa與0.1 MPa時(shí),所選4種純組元工質(zhì)及其混合物(以比例為0.35/0.36/0.1/0.19為例)的等溫節(jié)流效應(yīng)ΔhT,由圖3可以看出,混合制冷劑不僅實(shí)現(xiàn)了等溫節(jié)流效應(yīng)的接力匹配還滿足所需制冷溫度需求,因此所選各純組元滿足制冷需求且通過(guò)調(diào)節(jié)各組元間的比例可實(shí)現(xiàn)高效制冷。

圖3 混合物與純組元在全溫區(qū)的等溫節(jié)流效應(yīng)Fig.3 Isothermal throttling effect of mixtures and pure components in the full temperature region

2 熱力循環(huán)計(jì)算與分析

2.1 熱力學(xué)模型

氣液相平衡數(shù)據(jù)是獲得混合物熱力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ),Peng-Robinson狀態(tài)方程(簡(jiǎn)稱P-R方程)廣泛應(yīng)用于熱力參數(shù)計(jì)算[28]:

(1)

(2)

(3)

kPR=0.374 64+1.542 26ω-0.269 92ω2

(4)

(5)

式中:R為氣體常數(shù),R=8.314 J/(mol·K);v是摩爾體積,m3/mol;ω為偏心因子;Tc是臨界溫度,K;pc是臨界壓力,Pa。

混合物計(jì)算時(shí)有[29]:

(6)

(7)

(8)

式中:kij=kji,為二元相互作用參數(shù)。

結(jié)合圖2自復(fù)疊制冷系統(tǒng)的T-s圖,該系統(tǒng)熱力參數(shù)計(jì)算如下[30]:

單位制冷量:

q0=h5-h6

(9)

理論比功:

wc=h2-h1

(10)

制冷系數(shù)COP:

(11)

2.2 混合制冷劑自復(fù)疊制冷循環(huán)熱力計(jì)算分析

制冷劑的組元濃度配比對(duì)于系統(tǒng)效率具有較大影響,針對(duì)圖1所示的自復(fù)疊制冷系統(tǒng),蒸發(fā)溫度設(shè)置為-65 ℃,額定制冷量為35 kW[25],以不同制冷劑組元配比進(jìn)行制冷系統(tǒng)熱力分析。分別選取二元組分R14/R134a、R14/R245fa,三元組分R14/R23/R134a、R14/R23/R245fa,四元組分R14/R23/R134a/R245fa作為混合制冷劑進(jìn)行系統(tǒng)循環(huán)分析。

當(dāng)選擇二元組分R14/R134a和R14/R245fa作為混合制冷劑進(jìn)行制冷循環(huán)時(shí),分別調(diào)整二元組分占比,尋找滿足系統(tǒng)需求及運(yùn)行工況的最佳組分配比,表2為R14/R134a組合系統(tǒng)參數(shù)比較,不同的制冷劑濃度配比對(duì)于系統(tǒng)性能及壓力、溫度工況都具有明顯的影響。二元混合制冷劑體系中,組元濃度過(guò)高或過(guò)低都對(duì)系統(tǒng)效率造成不利影響。低沸點(diǎn)組元含量高時(shí),系統(tǒng)運(yùn)行壓力高,排氣溫度與節(jié)流前溫度都高。

表2 混合制冷劑R14/R134a系統(tǒng)性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of mixed refrigerants R14 and R134a

表3為R14/R245fa制冷系統(tǒng)性能參數(shù)對(duì)比,由于制冷劑R245fa的常壓沸點(diǎn)高,受回?zé)釡囟鹊偷挠绊?導(dǎo)致低壓側(cè)制冷劑壓縮前不能實(shí)現(xiàn)過(guò)熱,存在吸氣帶液?jiǎn)栴},不能滿足制冷系統(tǒng)的限制要求。隨著混合制冷劑中高沸點(diǎn)組元R245fa含量減少,系統(tǒng)的吸氣帶液?jiǎn)栴}得以解決。但是,從計(jì)算結(jié)果看,應(yīng)用混合制冷劑R14/R245fa時(shí),系統(tǒng)的制冷系數(shù)并未得到提升。

表3 混合制冷劑R14/R245fa系統(tǒng)性能參數(shù)Tab.3 Performance parameters of mixed refrigerants R14 and R245fa

表4為選擇R14/R23/R134a作為混合制冷劑時(shí)相關(guān)性能參數(shù),相對(duì)于二元體系R14/R134a系統(tǒng),加入R23組元并未使系統(tǒng)性能提升,這是因?yàn)槠湎嘧儨囟然谱冃?使得制冷劑高壓、低壓側(cè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)較好的溫度-熱量匹配。

表4 混合制冷劑R14/R23/R134a系統(tǒng)性能參數(shù)Tab.4 Performance parameters of mixed refrigerants R14,R23 and R134a

當(dāng)在R14/R245fa系統(tǒng)中加入R23進(jìn)行系統(tǒng)循環(huán)計(jì)算,結(jié)果如表5所示,該系統(tǒng)制冷系數(shù)相較于前述混合制冷劑體系而言,有了較大幅度的提升。所研究的混合制冷劑體系的制冷系統(tǒng)COP可達(dá)0.9以上,并且由于高沸點(diǎn)組元R245fa的引入,使得系統(tǒng)運(yùn)行溫度及壓力更為合理,排氣壓力為1 600 kPa左右,并且壓比都在4以下,排氣溫度也低于80 ℃。

表5 混合制冷劑R14/R23/R245fa系統(tǒng)性能參數(shù)Tab.5 Performance parameters of mixed refrigerants R14 ,R23 and R245fa

當(dāng)選取四元制冷劑組合作為制冷工質(zhì)時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)組元濃度配比得出不同工況下熱力參數(shù)及回?zé)釗Q熱器內(nèi)部換熱曲線,計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 混合制冷劑R14/R23/R134a/R245fa系統(tǒng)性能參數(shù)Tab.6 Performance parameters of mixed refrigerants R14 ,R23,R134a and R245fa

當(dāng)高沸點(diǎn)組元含量較高時(shí),系統(tǒng)COP較低,如Mix 1 和Mix 2,這是因?yàn)橹评鋭┰诨責(zé)崞髦休^高溫度區(qū)間內(nèi)的換熱溫差大,換熱匹配差,如圖4所示。

圖4 高沸點(diǎn)組分占比大的換熱曲線Fig.4 Heat transfer curves with large proportion of high boiling point components

圖5為Mix 3、Mix 4、Mix 5 與Mix 6四種組元配比下回?zé)崞鲹Q熱曲線。根據(jù)得到的換熱曲線判斷所需的制冷劑組元,調(diào)節(jié)制冷劑中工質(zhì)的濃度配比,在效率較好的算例中,中間組元的加入使得系統(tǒng)的性能得到了一定程度的改善,如當(dāng)制冷劑組元配比為R14/R23/R134a/R245fa(0.35/0.36/0.1/0.19)時(shí),系統(tǒng)的制冷COP可達(dá)1.037,相應(yīng)的排氣壓力與吸氣壓力分別為1 590 kPa與740 kPa,壓比小于3,并且排氣溫度僅為61 ℃,工況參數(shù)良好。

圖5 不同組元占比換熱曲線對(duì)比Fig.5 Comparison of heat transfer curves of different components

此外,從對(duì)應(yīng)的回?zé)釗Q熱器內(nèi)的換熱曲線可以看出,中間組元的加入,使得中間溫區(qū)的換熱匹配情況得到了改善,混合制冷機(jī)Mix4與Mix 6對(duì)應(yīng)的LMTD分別為4.89 ℃、4.43 ℃,有利于降低系統(tǒng)回?zé)徇^(guò)程的不可逆損失,提升系統(tǒng)COP。

2.3 傳統(tǒng)兩級(jí)制冷循環(huán)熱力計(jì)算分析

圖6為配有中間冷卻的傳統(tǒng)兩級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)。

圖6 傳統(tǒng)兩級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)Fig.6 Conventional two stage compression refrigeration system

采用兩級(jí)壓縮形式,海水為中間冷卻器的冷卻水,兩級(jí)壓縮系統(tǒng)相較于單級(jí)壓縮系統(tǒng)在設(shè)備上更復(fù)雜,需增加壓縮機(jī)及中間冷卻器等設(shè)備。本研究為與兩級(jí)壓縮系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析,使用化工流程模擬軟件針對(duì)R22兩級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算,采用P-R方程求解,蒸發(fā)溫度設(shè)置為-65 ℃,額定制冷量為35 kW,以不同排氣壓力及中間壓力對(duì)系統(tǒng)的影響作為研究目標(biāo)開(kāi)展對(duì)比分析研究。

表7為兩級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)在不同冷凝壓力下系統(tǒng)熱力參數(shù)表,由表7可知,對(duì)于R22制冷系統(tǒng)而言,在不同的壓力工況下,制冷系統(tǒng)的COP在1～1.12之間變化,在滿足最小冷凝壓力前提下,隨著冷凝壓力提升,COP下降。由于所需制冷溫度低于R22的常壓沸點(diǎn),使得R22系統(tǒng)中的蒸發(fā)壓力低,僅為28.7 kPa,為保證二級(jí)壓縮過(guò)程排氣溫度不超允許值,則一級(jí)壓縮過(guò)程的壓比也高達(dá)10以上,并且由于蒸發(fā)壓力低,會(huì)導(dǎo)致一級(jí)吸氣口制冷劑密度降低,吸氣流量大,可達(dá)667 m3/h以上。

表7 R22制冷系統(tǒng)性能參數(shù)分析Tab.7 R22 system performance parameter analysis

當(dāng)冷凝壓力一定時(shí),中間壓力的選取對(duì)系統(tǒng)的效率及工況都產(chǎn)生較大影響。如圖7所示。

圖7 R22制冷系統(tǒng)中間壓力對(duì)系統(tǒng)效率影響Fig.7 Impact of intermediate pressure on system efficiency

當(dāng)冷凝壓力為1 350 kPa和蒸發(fā)壓力為28.7 kPa時(shí),隨著中間壓力升高,系統(tǒng)的COP先增加后減小,即中間壓力處于600 kPa～700 kPa時(shí),系統(tǒng)具有最高COP,約為1.119。為進(jìn)一步得到不同冷凝壓力下對(duì)應(yīng)的最優(yōu)中間壓力,采用box優(yōu)化算法對(duì)中間壓力進(jìn)行優(yōu)化。

2.4 對(duì)比分析

通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù),獲得R14/R23/R134a/R245fa(0.35/0.36/0.1/0.19)自復(fù)疊制冷系統(tǒng)與傳統(tǒng)R22系統(tǒng)的最佳運(yùn)行參數(shù)如表8所示,從制冷系數(shù)上,混合制冷劑系統(tǒng)的COP僅比R22系統(tǒng)低約7.32%,而R404A作為替代R22的主流制冷劑,蒸發(fā)溫度為-50 ℃時(shí),COP僅為0.92,當(dāng)蒸發(fā)溫度為-65 ℃時(shí),COP比混合制冷劑自復(fù)疊制冷系統(tǒng)低11.28%以上[31]。在容積制冷效率VCC方面,混合制冷劑系統(tǒng)因吸氣壓力高,吸氣密度大,對(duì)應(yīng)的吸氣流量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)兩級(jí)壓縮系統(tǒng)的一級(jí)吸氣流量,為R22系統(tǒng)一級(jí)吸氣流量的26.56%,這會(huì)大大降低混合制冷劑系統(tǒng)中的壓縮機(jī)尺寸。

表8 兩制冷系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比Tab.8 Comparison of two refrigeration systems

在系統(tǒng)運(yùn)行工況參數(shù)方面,混合制冷劑系統(tǒng)的吸氣壓力與排氣壓力為常規(guī)的制冷空調(diào)工況,壓縮機(jī)壓比小于3,可采用常規(guī)制冷空調(diào)領(lǐng)域的中高背壓壓縮機(jī)的貨架產(chǎn)品,來(lái)源廣、成本低,會(huì)顯著降低系統(tǒng)中的壓縮機(jī)成本。而傳統(tǒng)兩級(jí)壓縮系統(tǒng)中,一級(jí)壓縮過(guò)程的壓比高達(dá)10以上,實(shí)際壓縮過(guò)程壓縮效率會(huì)因大壓比而降低。另外,在排氣溫度方面,混合制冷劑系統(tǒng)的排氣溫度為61.17 ℃,低于R22系統(tǒng)的排氣溫度,可見(jiàn)無(wú)論是壓力工況還是排溫工況,混合制冷劑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行工況更加優(yōu)異。

綜上,從制冷劑環(huán)保性、制冷系統(tǒng)效率、制冷系統(tǒng)工況參數(shù)以及制冷系統(tǒng)設(shè)備成本等綜合多方面因素考慮,混合制冷劑自復(fù)疊制冷系統(tǒng)不僅具有較好的制冷表現(xiàn),而且運(yùn)行工況好,能夠?qū)崿F(xiàn)單級(jí)制冷系統(tǒng)的高效、低成本制冷,是替代漁船中傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的非常具有潛力的選擇。

3 結(jié)論

基于單級(jí)自復(fù)疊制冷系統(tǒng),開(kāi)展了二元R14/R134a、R14/R245fa,三元R14/R23/R134a、R14/R23/R245fa,四元R14/R23/R134a/R245fa混合制冷劑制冷循環(huán)熱力分析。結(jié)果顯示,蒸發(fā)溫度為-65 ℃,制冷量為35 kW時(shí),二元混合制冷劑的制冷系統(tǒng)效率普遍偏低,但是在二元混合制冷劑中加入高沸點(diǎn)工質(zhì)后,系統(tǒng)效率得到一定提升,COP可達(dá)0.95。當(dāng)采用四元混合制冷劑R14/R23/R134a/R245fa(0.35/0.36/0.1/0.19)時(shí),其制冷系數(shù)顯著高于采用二元和三元混合制冷劑的系統(tǒng),最佳COP可達(dá)1.037,排氣壓力與吸氣壓力分別為1 590 kPa與740 kPa,且排氣溫度僅為61 ℃,工況良好。開(kāi)展了傳統(tǒng)R22兩級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)的熱力計(jì)算分析并與混合工質(zhì)自復(fù)疊制冷系統(tǒng)開(kāi)展對(duì)比研究。當(dāng)蒸發(fā)溫度為-65 ℃,制冷量為35 kW時(shí),混合制冷劑自復(fù)疊制冷系統(tǒng)的COP接近于傳統(tǒng)R22制冷系統(tǒng),容積制冷效率高,吸氣量為R22制冷系統(tǒng)的26.56%,工質(zhì)壓比低,制冷系統(tǒng)所選的壓縮機(jī)尺寸更小、排氣溫度低,制冷劑環(huán)保性能更好,采用四元混合制冷劑的自復(fù)疊制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行工況更加優(yōu)異。綜上,新型的低溫四元混合制冷劑(R14/R23/R134a/R245fa)具備替代船用傳統(tǒng)R22制冷劑的潛力。