R134a／CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)模擬研究

王 軍， 王鐵軍， 唐景春， 廖星東

（合肥工業(yè)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

隨著冷鏈物流業(yè)的快速發(fā)展和人們對食品安全的重視，商用冷凍冷藏設(shè)備制造業(yè)進入了新的高速發(fā)展階段。然而，能源消耗、臭氧耗損、溫室氣體排放等問題的日益嚴峻，對制冷設(shè)備制造商和相關(guān)研究領(lǐng)域提出了更高的節(jié)能減排目標(biāo)。應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計與制造技術(shù)，完善制冷系統(tǒng)匹配，采用環(huán)保型制冷劑以及先進的控制技術(shù)是該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的基本方向。CO2作為一種環(huán)境友好型的自然工質(zhì)，其ODP為0，GWP為1，無毒、不可燃；作為制冷劑，CO2蒸發(fā)潛熱大、單位容積制冷量高、運動黏度小、導(dǎo)熱系數(shù)高，其優(yōu)良環(huán)保性能熱物理性能和流動、傳熱性能使其作為復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的低溫級制冷工質(zhì)有著較大的優(yōu)越性［1－5］。

目前，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對 NH3／CO2、R404A／CO2、R290／CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)進行了較為廣泛和深入的研究［6－13］。文獻［6］對以 CO2為低溫級循環(huán)工質(zhì)的NH3／CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)進行理論分析和優(yōu)化研究，得到系統(tǒng)在設(shè)計和運行參數(shù)條件下的COP和火用效率，指出壓縮機等熵效率對系統(tǒng)COP及低溫級最優(yōu)冷凝溫度的影響；文獻［8］通過對NH3／CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的分析，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)定及運行參數(shù)，并根據(jù)對冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、過冷過熱溫度以及傳熱溫差的多線性回歸分析，確定了系統(tǒng)COP最大值和最優(yōu)質(zhì)量流量比；文獻［9］對NH3／CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)進行實驗研究，結(jié)果表明隨著低溫級冷凝溫度的升高，該系統(tǒng)COP先增大后降低，隨著冷凝蒸發(fā)器中換熱溫差的降低，低溫級蒸發(fā)溫度的升高，系統(tǒng)COP逐漸升高；文獻［14］搭建了R134a／CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)試驗臺研究系統(tǒng)性能的變化規(guī)律，揭示了壓縮機效率對系統(tǒng)性能的影響［14］。

本文結(jié)合研發(fā)環(huán)保型商用制冷設(shè)備的需求，應(yīng) 用 EES（engineering equation solver）對R134a／CO2循環(huán)系統(tǒng)進行變工況仿真研究，探尋制冷系統(tǒng)循環(huán)參數(shù)的變化關(guān)系及最優(yōu)匹配。

1 R134a／CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)及數(shù)學(xué)模型

1.1 系統(tǒng)流程簡介

R134a／CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)如圖1所示。其由高、低溫級2個獨立的制冷回路通過冷凝蒸發(fā)器復(fù)疊而成，高、低溫級循環(huán)工質(zhì)分別為R134a和CO2。由高溫級壓縮機排出的R134a過熱氣體經(jīng)R134a冷凝器冷卻、冷凝，進入節(jié)流裝置節(jié)流降壓后，液態(tài)R134a制冷劑與氣態(tài)CO2制冷劑在冷凝蒸發(fā)器中進行熱交換后進入高溫級壓縮機；氣態(tài)CO2制冷劑經(jīng)冷凝蒸發(fā)器放熱，經(jīng)節(jié)流裝置，并在CO2蒸發(fā)器蒸發(fā)后進入低溫級壓縮機完成循環(huán)。

圖1 R134a／CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)原理圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

R134a／CO2復(fù)疊式系統(tǒng)理論循環(huán)T－s圖如圖2所示。

圖2 R134a／CO2 復(fù)疊制冷循環(huán)T－s圖

低溫級CO2制冷劑質(zhì)量流量ml為：

低溫級壓縮機耗功Wl為：

低溫級冷凝熱（高溫級負荷）Qh為：

高溫級R134a制冷劑質(zhì)量流量mh為：

高溫級壓縮機耗功Wh為：

復(fù)疊系統(tǒng)總耗功W為：

復(fù)疊系統(tǒng)性能系數(shù)COP為：

高、低溫級質(zhì)量流量比ξ為：

其中，Q0為復(fù)疊系統(tǒng)冷量；ηh、ηl為高、低溫級壓縮機等熵效率，理想循環(huán)取ηh＝1，ηl＝1；h1、h2、h3、h4為低溫級循環(huán)狀態(tài)點焓值；h5、h6、h7、h8為高溫級循環(huán)狀態(tài)點焓值。

2 計算結(jié)果與分析

結(jié)合商用冷凍冷藏條件，在理想循環(huán)下，對R134a／CO2復(fù)疊式系統(tǒng)做性能分析。工況參數(shù)如下：制冷量Q0為15kW；低溫級CO2蒸發(fā)溫度t0l為－35℃；低溫級CO2冷凝溫度tkl為－5℃；冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差Δt為5℃；高溫級R134a冷凝溫度tkh為45℃。

根據(jù)已建立的數(shù)學(xué)模型，通過EES模擬計算，可得R134a／CO2復(fù)疊系統(tǒng)COP，系統(tǒng)高、低溫級質(zhì)量流量比mh／ml同t0l、tkl、tkh及 Δt之間的變化關(guān)系。

圖3所示為COP值隨t0l及tkl之間的變化關(guān)系。從圖3可以看出，隨著t0l的提高（－44～－26℃），COP值也隨之增大；隨著tkl的升高（－10～8℃），COP值先增大后減小。

由圖3還可知，在不同t0l下COP達到最優(yōu)時的tkl不同。具體表現(xiàn)為，隨著t0l的增大，使COP達到最大的tkl也增大，呈近似線性關(guān)系。因此，使系統(tǒng)性能達到最優(yōu)tkl受t0l的影響。

圖3 COP與tkl、t0l之間的變化關(guān)系

圖4所示為不同tkh條件下，COP與t0l之間的變化關(guān)系。由圖4可知，t0l一定時，COP值隨著tkh的降低而增大；tkh一定時，COP隨著t0l的升高而增大；且變化曲線的斜率呈逐漸增大的趨勢。

圖4 COP與tkh、t0l之間的變化關(guān)系

系統(tǒng)COP與Δt及t0l之間的變化關(guān)系如圖5所示。結(jié)果表明，在保證制冷條件及傳熱要求的環(huán)境下，提高t0l、減小Δt能提高COP值，使系統(tǒng)性能更優(yōu)。

圖6所示為系統(tǒng)COP值在不同Δt下與tkl之間的變化關(guān)系。由圖6中可知，在相同tkl條件下，COP隨Δt的減小而增大；相同Δt條件下，COP值隨tkl的升高先增大后減小，且最大值出現(xiàn)在不同冷凝溫度下，表明Δt越小且tkl越接近最優(yōu)，COP越高，系統(tǒng)性能越好。

圖7、圖8所示為高、低溫級質(zhì)量流量比mh／ml在不同tkh、不同Δt條件下與t0l之間的變化關(guān)系。圖中顯示，相同tkh及Δt時，mh／ml隨t0l升高而降低；在相同t0l條件下，隨tkh的升高而升高，隨Δt的減小而減小。

圖5 COP與Δt、t0l之間的變化關(guān)系

圖6 COP與Δt、tkl之間的變化關(guān)系

圖7 質(zhì)量流量比與tkh、t0l之間的關(guān)系

圖8 質(zhì)量流量比與Δt、t0l之間的關(guān)系

結(jié)合性能曲線分析得知，工況參數(shù)為t0l為35℃；tkh為45℃的R134a／CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，存在最優(yōu)的tkl為0℃及Δt為3℃，使得系統(tǒng)性能達到最高；結(jié)合擬定的商用冷凍冷藏機組的設(shè)計技術(shù)要求，Δt為－5℃，COP達到最高為2.043，tkl為－3℃，mh／ml為2.2。

3 結(jié)束語

本文通過對R134a／CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)循環(huán)參數(shù)的性能分析，得出低溫級蒸發(fā)溫度、高溫級冷凝溫度、冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差、高低溫級循環(huán)質(zhì)量流量比與系統(tǒng)COP值的相互變化關(guān)系。

R134a／CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)在滿足使用要求的情況下，盡可能地降低高溫級冷凝溫度，提高低溫級蒸發(fā)溫度及適當(dāng)減小冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差，有利于增大系統(tǒng)COP值，提高系統(tǒng)性能；同時，減小高、低溫級制冷劑質(zhì)量流量比，從而減小制冷劑循環(huán)充注量，使系統(tǒng)經(jīng)濟性更高。

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