低溫工況下不同制冷系統(tǒng)對(duì)比分析

王方旭，鄒同華

（天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300134）

目前，隨著中國(guó)的經(jīng)濟(jì)和高新技術(shù)發(fā)展，包括醫(yī)學(xué)、化工、食品、軍工、生物科技等越來(lái)越多的行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)和工藝都需要在特殊的低溫環(huán)境下研究，從而對(duì)于低溫制冷的需求越來(lái)越多[1]。在需要制取較低的蒸發(fā)溫度時(shí)，只用單級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)很難制取到所需要的蒸發(fā)溫度。想要獲得較低的蒸發(fā)溫度，單級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)顯然是不合適的，最常用制取較低溫度的制冷方式有雙級(jí)（多級(jí)）壓縮制冷循環(huán)、兩級(jí)復(fù)疊式制冷循環(huán)、三級(jí)復(fù)疊式制冷循環(huán)等。本文介紹了雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)和復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，通過(guò)比較雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)和復(fù)疊式制冷系統(tǒng)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，從而分析兩者各自所適用的低溫制冷環(huán)境場(chǎng)合。和二級(jí)節(jié)流循環(huán)[3]。

1 雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)

1.1 雙級(jí)壓縮制冷原理簡(jiǎn)介

所謂雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)，一般是使用兩臺(tái)壓縮機(jī)，分別為低壓級(jí)壓縮機(jī)和高壓級(jí)壓縮機(jī)。雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)的工作原理如圖1所示，制冷劑氣體從蒸發(fā)壓力提高到冷凝壓力的過(guò)程分2個(gè)階段，第一個(gè)階段先經(jīng)低壓級(jí)壓縮機(jī)壓縮到中間壓力，第二個(gè)階段中間壓力下的氣體經(jīng)過(guò)中間冷卻后再到高壓級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)一步壓縮到冷凝壓力，往復(fù)循環(huán)完成一個(gè)制冷過(guò)程。在制取低溫時(shí)，雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)的中間冷卻器降低了高壓級(jí)壓縮機(jī)制冷劑的入口溫度，同時(shí)也降低了同一壓縮機(jī)的排氣溫度[2]。由于雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)將整個(gè)制冷過(guò)程分成2個(gè)階段，所以會(huì)導(dǎo)致每個(gè)階段的壓縮比相對(duì)于單級(jí)壓縮降低不少，對(duì)設(shè)備強(qiáng)度的要求降低，使制冷循環(huán)的效率大大提高。兩級(jí)壓縮制冷循環(huán)按照中間冷卻方式的不同分為中間完全冷卻循環(huán)和中間不完全冷卻循環(huán)；若按照節(jié)流方式又可以分為一級(jí)節(jié)流循環(huán)

圖1 雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)原理圖

1.2 雙級(jí)壓縮制冷劑種類

雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)大多選擇中低溫制冷劑，從而使系統(tǒng)可以同時(shí)滿足中溫和低溫的溫度環(huán)境。但絕大多數(shù)制冷劑都會(huì)對(duì)環(huán)境有破壞作用，由于它們被長(zhǎng)期使用和較高的GWP值[4]，所以尋找并使用環(huán)境友好型制冷劑變得尤為重要。實(shí)驗(yàn)研究表明，R448A、R455a在能效方面是R404A的良好替代品[4]。與氫氟烴替代品相比，CO2作為環(huán)境友好型工質(zhì)，是氫氟烴制冷劑的潛在替代品，具有良好的環(huán)境特性[5]。但是用CO2替代R134a會(huì)使系統(tǒng)性能惡化，特別是在較高的環(huán)境溫度下，CO2系統(tǒng)的壓力相當(dāng)高，需要對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行特殊處理，特別是壓縮機(jī)[6]。

1.3 雙級(jí)壓縮制冷的優(yōu)化研究

雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化研究是當(dāng)下的熱點(diǎn)之一，劉業(yè)鳳等[7]等通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的中間冷卻器和空氣冷卻器的管排數(shù)優(yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)增加中間冷卻器的管排數(shù)的同時(shí)，減少空氣冷卻器中的管排數(shù)，可以在增大中間冷卻器的換熱面積的同時(shí)減少由于空氣冷卻器中管排數(shù)較多導(dǎo)致空氣回到其入口，通過(guò)以上改進(jìn)可以降低2℃左右的中間冷卻器進(jìn)口溫度，同時(shí)還能保證空氣冷卻器的冷卻效果。楊永安等[8]保持低壓級(jí)壓縮機(jī)的頻率恒定，改變高壓級(jí)壓縮機(jī)的頻率，從而改變高壓級(jí)壓縮機(jī)的氣體輸氣量之比，蒸發(fā)溫度恒定為-20℃時(shí)，COP最大值為3.374，最大COP對(duì)應(yīng)的輸氣量比為1.819。劉圣春等[9]對(duì)比了幾種常見(jiàn)的CO2跨臨界雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)后得出結(jié)論，由于氣體冷卻器的出口溫度和低壓級(jí)壓縮機(jī)的效率在給定壓力時(shí)對(duì)循環(huán)的影響大，所以如果想提高系統(tǒng)效率，就要降低氣體冷卻器出口溫度和選擇運(yùn)行效率高的低壓級(jí)壓縮機(jī)。

2 復(fù)疊制冷循環(huán)

2.1 兩級(jí)復(fù)疊制冷原理簡(jiǎn)介

兩級(jí)復(fù)疊制冷循環(huán)的工作原理如圖2所示，冷凝蒸發(fā)器作為高溫級(jí)制冷循環(huán)的蒸發(fā)器同時(shí)也負(fù)擔(dān)著低溫級(jí)制冷循環(huán)的冷凝器的作用。復(fù)疊制冷系統(tǒng)采用了幾個(gè)單獨(dú)的制冷系統(tǒng)，它們使用不同的制冷劑，通過(guò)冷凝蒸發(fā)器換熱，以實(shí)現(xiàn)較低的工作溫度和合理的冷凝壓力。但是如果考慮到經(jīng)濟(jì)性，使用復(fù)疊制冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性是較差的，因?yàn)椴煌闹评湎到y(tǒng)必須同時(shí)運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)或多臺(tái)壓縮機(jī)的功率很高。所以只有在使用復(fù)疊制冷系統(tǒng)制取較低蒸發(fā)溫度時(shí)比較有效。

圖2 兩級(jí)復(fù)疊制冷循環(huán)系統(tǒng)原理圖

2.2 三級(jí)復(fù)疊制冷原理簡(jiǎn)介

三級(jí)復(fù)疊制冷循環(huán)的工作原理如圖3所示，它由3個(gè)單級(jí)制冷壓縮循環(huán)疊加組成，其中第一級(jí)冷凝蒸發(fā)器作為高溫級(jí)制冷循環(huán)蒸發(fā)器的同時(shí)也負(fù)擔(dān)著中溫級(jí)制冷循環(huán)中冷凝器的作用，第二級(jí)冷凝蒸發(fā)器作為中溫級(jí)制冷循環(huán)蒸發(fā)器的同時(shí)也負(fù)擔(dān)著低溫級(jí)制冷循環(huán)中冷凝器的作用。

圖3 三級(jí)復(fù)疊制冷循環(huán)系統(tǒng)原理圖

2.3 復(fù)疊制冷劑種類

在復(fù)疊制冷系統(tǒng)中，對(duì)于兩級(jí)復(fù)疊系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，高溫級(jí)使用的是中溫制冷工質(zhì)，低溫級(jí)使用的是低溫制冷工質(zhì)；對(duì)于三級(jí)復(fù)疊系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，高溫級(jí)使用的是高溫制冷工質(zhì)，中溫級(jí)使用的是中溫制冷工質(zhì)，低溫級(jí)使用的是低溫制冷工質(zhì)。系統(tǒng)所使用的制冷工質(zhì)應(yīng)與制冷系統(tǒng)中的設(shè)備和管路等材質(zhì)兼容，不腐蝕、不氧化，有較穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，且與潤(rùn)滑油不互溶。

R404A既不破壞臭氧層，又有較高的單位容積制冷量，所以R404A可暫時(shí)作為替代R22和R502的中長(zhǎng)期替代物[10]。低溫級(jí)的制冷循環(huán)中通常采用R23和R508B作為制冷劑，但R23的GWP較高，是強(qiáng)溫室氣體；R23在實(shí)際制冷系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，最大的缺點(diǎn)是損壞壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)部件，且會(huì)分解潤(rùn)滑油，導(dǎo)致電機(jī)短路等危險(xiǎn)[11]。雖然R508B的GWP也較高，但其ODP為0，且在單位容積制冷量上有明顯優(yōu)勢(shì)[12]，所以應(yīng)優(yōu)先考慮R508B作為復(fù)疊制冷系統(tǒng)低溫級(jí)制冷劑。由于臭氧層的破壞和溫室效應(yīng)的加劇，對(duì)自然環(huán)保型的制冷劑研究變得更加重要，尤其對(duì)以R717/R744為復(fù)疊制冷系統(tǒng)工質(zhì)的研究越來(lái)越多。從國(guó)內(nèi)外對(duì)于復(fù)疊制冷系統(tǒng)中制冷劑組的研究大趨勢(shì)上來(lái)看，自然環(huán)保型的制冷劑正在慢慢取代對(duì)環(huán)境造成破壞的制冷劑。

2.4 復(fù)疊制冷的優(yōu)化研究

近幾年對(duì)于復(fù)疊制冷系統(tǒng)的優(yōu)化研究體現(xiàn)在多方面。

HASHMI等[13]建立了基于復(fù)疊制冷變溫系統(tǒng)能效分析的熱力學(xué)模型。增加蓄冷器和制冷劑回路，提高了能效，減小了壓縮機(jī)的尺寸，使系統(tǒng)更加節(jié)能。劉秀芳等[14]提出了一種雙運(yùn)行復(fù)疊制冷系統(tǒng)，該制冷系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè)中間回?zé)崞?，運(yùn)行穩(wěn)定，可達(dá)到-60℃的制冷溫度。根據(jù)計(jì)算，系統(tǒng)的COP會(huì)隨著低溫級(jí)循環(huán)壓比增加而增至1.1。李軍[15]通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)在-55℃左右的蒸發(fā)溫度時(shí)，蒸發(fā)器減少1℃的傳熱溫差，可以增大系統(tǒng)3.7%的制冷量，提高2.2%的系統(tǒng)COP值；同時(shí)提出可以在低溫級(jí)循環(huán)內(nèi)加入排氣冷卻器用于壓縮機(jī)排氣的冷卻來(lái)減少冷凝蒸發(fā)器的熱負(fù)荷，從而提高能效比。劉井龍等[16]通過(guò)對(duì)復(fù)疊制冷系統(tǒng)中潤(rùn)滑油的選擇和分離的研究表明，低溫級(jí)制冷循環(huán)中的潤(rùn)滑油除了具有普通制冷劑潤(rùn)滑油的特性外，還應(yīng)該保證潤(rùn)滑油擁有較低的傾點(diǎn)溫度（能夠保證流動(dòng)的最低溫度），并提出在低溫級(jí)制冷循環(huán)系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置一個(gè)高效的油分離器。同時(shí)，將膨脹容器添加到低溫階段循環(huán)中，以防止由于低溫階段制冷循環(huán)的高氣化壓力而導(dǎo)致單元的高設(shè)計(jì)壓力。

對(duì)三級(jí)復(fù)疊制冷系統(tǒng)研究更多的還是針對(duì)制冷劑組選擇的優(yōu)化，SUN等[17]采用熱力學(xué)分析方法研究了運(yùn)行參數(shù)隨蒸發(fā)溫度的變化，結(jié)果表明，R1150在低溫循環(huán)中能替代R14；R41和R170可在中溫循環(huán)中替代R23；R170被優(yōu)先推薦使用。孫志利等[18]通過(guò)對(duì)比R1150/R170/R717、R50/R170/R717、R14/R170/R717三組制冷劑組研究發(fā)現(xiàn)，R1150/R170/R717的COP和熱力學(xué)完善度最大、?損失最小、?效率最大。

3 對(duì)比分析

所需蒸發(fā)溫度在-30℃～-60℃時(shí)，通常采用中溫制冷劑的雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)[19]；在-60℃蒸發(fā)溫度以下時(shí)復(fù)疊式制冷與雙級(jí)壓縮制冷相比，吸氣壓力更高、壓縮機(jī)效率更高、蒸發(fā)溫度更低。因此復(fù)疊式制冷應(yīng)用在低溫區(qū)間效率更高，是很有應(yīng)用前景的低溫制冷系統(tǒng)[20]。但是兩級(jí)復(fù)疊制冷循環(huán)所制取的蒸發(fā)溫度有限，在低于-80℃時(shí)，由于壓縮機(jī)的壓比限制，兩級(jí)復(fù)疊制冷系統(tǒng)顯然是不合適的[17]。在這種情況下，三級(jí)復(fù)疊制冷系統(tǒng)更加合適，通過(guò)3個(gè)制冷循環(huán)的復(fù)疊來(lái)制取較低的溫度，三級(jí)復(fù)疊制冷系統(tǒng)可以制取到-120℃的低溫環(huán)境。

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)分析了在制取不同低溫環(huán)境時(shí)最常用到的雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)、兩級(jí)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)和三級(jí)復(fù)疊制冷系統(tǒng)的工作原理、適用制冷劑的種類以及近些年對(duì)這3類制冷系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)。

通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)所需的制冷溫度高于-60℃時(shí)，雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)的效率普遍高于復(fù)疊制冷系統(tǒng)；當(dāng)所需制冷溫度低于-60℃時(shí)，復(fù)疊制冷系統(tǒng)的效率普遍會(huì)高于雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)；當(dāng)所需制冷溫度低于-80℃時(shí)，三級(jí)復(fù)疊制冷系統(tǒng)相比較兩級(jí)復(fù)疊制冷系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是更加合適的。

由于絕大多數(shù)制冷劑對(duì)環(huán)境有破壞作用，所以對(duì)于像氨、二氧化碳等自然工質(zhì)的研究將成為所用制冷劑未來(lái)的主要方向。