于韶山，王景剛，鮑玲玲

(河北工程大學(xué)　城市建設(shè)學(xué)院，河北　邯鄲056038)

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帶回?zé)崞鞯腞404a/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的理論分析

于韶山，王景剛，鮑玲玲

(河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，河北邯鄲056038)

摘要：建立低溫環(huán)境下帶回?zé)崞鞯腞404a/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的模型，為提高系統(tǒng)COP，對其進行熱力學(xué)分析。應(yīng)用控制變量法，通過理論計算對比分析系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度、低溫循環(huán)冷凝溫度、過冷度以及冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差等因素對該系統(tǒng)COP的影響。結(jié)果顯示，在其他參數(shù)一定時，過冷度的增加對于提高系統(tǒng)COP具有顯著作用；存在低溫循環(huán)冷凝溫度的最優(yōu)值，使得系統(tǒng)COP最大；過冷度不變時，系統(tǒng)COP隨著蒸發(fā)溫度、冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差的增大而增大，隨冷凝溫度的增大而減小。

關(guān)鍵詞：R404a/CO2復(fù)疊式制冷;過冷度;COP

在空調(diào)制冷行業(yè)，氯氟烴類制冷工質(zhì)的廣泛應(yīng)用對臭氧層的破壞和溫室效應(yīng)的影響日益嚴重，尋找可以替代氯氟烴的制冷劑日益緊迫。CO2作為自然工質(zhì)，其優(yōu)點是ODP=0，GWP=1，而且具有單位容積制冷量高，粘度低及化學(xué)穩(wěn)定性好等熱力學(xué)特性[1-2]。但是CO2臨界壓力較高，臨界溫度較低的特點，一直制約著以CO2為工質(zhì)的制冷系統(tǒng)的發(fā)展。1932年，W.R.Kitzmiller首次提出了以NH3為高溫制冷劑，CO2為低溫制冷劑的復(fù)疊式制冷系統(tǒng)。此后，針對CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究：Getu等人對R744/R717復(fù)疊式制冷循環(huán)通過數(shù)值分析得出增加系統(tǒng)過冷度和減小過熱度對提高系統(tǒng)性能具有重要作用；寧靜紅等人通過對R290/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的理論研究和實驗測試，得出了蒸發(fā)溫度、冷凝溫度與系統(tǒng)COP和最佳質(zhì)量流量比的關(guān)系[6-7]；賴艷華等人利用分析法及熵產(chǎn)最小法對R404a/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)進行了熱力學(xué)分析，為系統(tǒng)高效節(jié)能運行提供優(yōu)化途徑[8-9]；靳光亞等人對NH3/CO2循環(huán)進行了優(yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)存在一個蒸發(fā)-冷凝器中間溫度的最佳值，使得系統(tǒng)性能系數(shù)達到最大值ηmax[10]。通過以上研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)疊式制冷的研究主要集中在R209/CO2和NH3/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)上，而針對選取R404a和CO2作為高、低溫制冷劑的復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的研究相對較少[11]。本文通過控制變量法分析了在帶回?zé)崞鞯腞404a/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中過冷度對提高系統(tǒng)COP、低溫循環(huán)性能系數(shù)COPl及高溫循環(huán)性能系數(shù)COPh的作用，為系統(tǒng)的性能優(yōu)化提高參考。

1循環(huán)模型與熱力計算

1.1　循環(huán)模型

圖1為帶回?zé)崞鞯腞404a/CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)流程圖，由獨立的帶回?zé)崞鞯腃O2低溫制冷循環(huán)(1-2-3-4-5-6-1)和R404a高溫制冷循環(huán)(7-8-9-10)復(fù)疊而成。冷凝蒸發(fā)器把低溫循環(huán)和高溫循環(huán)連接起來，既是低溫循環(huán)的冷凝器，又是高溫循環(huán)的蒸發(fā)器，即高溫端制冷劑的蒸發(fā)吸熱量來自于低溫端制冷劑的冷凝放熱[12]。通過在冷凝蒸發(fā)器表面附著絕熱材料進行隔熱，在熱量交換過程中能量損失可以忽略不計。低溫循環(huán)中在蒸發(fā)冷凝器出口處添加回?zé)崞?，可以通過升高低溫循環(huán)的蒸發(fā)溫度來提高系統(tǒng)性能系數(shù)COP，實現(xiàn)節(jié)能的目的[13]。

該制冷循環(huán)的lgp-h如圖2所示。由于R404a和CO2兩種制冷劑物理性質(zhì)不同，所以在同一壓焓圖中表示時，低溫循環(huán)的蒸發(fā)壓力和冷凝壓力分別高于高溫循環(huán)的蒸發(fā)壓力和冷凝壓力。如當(dāng)?shù)蜏匮h(huán)CO2的蒸發(fā)溫度t1=-40℃，相應(yīng)地蒸發(fā)壓力為1007kPa；冷凝溫度t3=-10℃，冷凝壓力為2650kPa。高溫循環(huán)中R404a的蒸發(fā)溫度為-5℃時，相應(yīng)蒸發(fā)壓力為513kPa；冷凝溫度為30℃，冷凝壓力1816kPa。

1.2　熱力計算

本文對該帶回?zé)崞鞯腞404a/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)進行熱力學(xué)分析時，確定其工作參數(shù)為：制冷量Q0=20kW，低溫循環(huán)的蒸發(fā)溫度t1為-40℃～-50℃，冷凝溫度t3為-14℃～-2℃，冷凝蒸發(fā)器的傳熱溫差Δt為5℃～8℃，高溫制冷循環(huán)冷凝溫度t9為30℃～40℃。為方便理論分析，作如下假設(shè)：(1)系統(tǒng)在穩(wěn)定工況下運行，不考慮其能量損失；(2)高、低溫循環(huán)的壓縮機總效率取值為0.7；(3)各部件與環(huán)境無熱交換；(4)忽略工質(zhì)節(jié)流損失及壓力損失。

通過查詢制冷劑參數(shù)表，在確定各狀態(tài)點熱力學(xué)參數(shù)(包括溫度、壓力、焓值等)的基礎(chǔ)之上，可計算出該循環(huán)的低、高溫循環(huán)質(zhì)量流量，冷凝蒸發(fā)器的熱負荷，系統(tǒng)COP等指標(biāo)。具體計算過程如下：

壓縮機消耗總功率：W=Wl+WH

式中，Q0-系統(tǒng)制冷量；hi-各狀態(tài)點焓值；ηl、ηh-低溫循環(huán)、高溫循環(huán)壓縮機總效率。

2計算結(jié)果與分析

圖3所示為當(dāng)?shù)蜏匮h(huán)冷凝溫度t3=-10℃，冷凝蒸發(fā)器內(nèi)傳熱溫差Δt=5℃，高溫循環(huán)冷凝溫度t9=30℃時，該循環(huán)在不同蒸發(fā)溫度下，回?zé)崞鳟a(chǎn)生的過冷度對循環(huán)的性能系數(shù)COP的影響。從圖中可以看出對于同一蒸發(fā)溫度，COP隨著過冷度的增加而升高。因為過冷度減小了冷凝蒸發(fā)器出口溫度和蒸發(fā)器入口溫度的差值，使得在制冷量不變的情況下，壓縮機功耗減小。對于同一過冷度，提高低溫循環(huán)蒸發(fā)溫度，系統(tǒng)COP明顯增大。

圖4所示為當(dāng)?shù)蜏匮h(huán)蒸發(fā)溫度t1=-40℃，傳熱溫差Δt=5℃，t9=30℃時，該復(fù)疊式制冷循環(huán)低溫端性能系數(shù)COP1在不同過冷度下及高溫端性能系數(shù)COPh隨低溫循環(huán)冷凝溫度t3的變化趨勢。從圖中可以看出，在給定過冷度下，低溫端COP1與低溫循環(huán)冷凝溫度成反比，高溫端COPh與低溫循環(huán)冷凝溫度成正比。

在圖4分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，圖5給出了該復(fù)疊式制冷循環(huán)在不同過冷度下，系統(tǒng)總性能系數(shù)COP隨t3的變化趨勢。從圖中可以看出在給定過冷度的條件下，COP值隨著t3的增大呈先增大后減小的趨勢。計算數(shù)據(jù)表明，當(dāng)?shù)蜏匮h(huán)冷凝溫度t3=-10℃時，系統(tǒng)COP要高于其他冷凝溫度對應(yīng)的值，即為該條件下的最優(yōu)COP值。

圖6所示為當(dāng)該復(fù)疊式制冷系統(tǒng)低溫循環(huán)的蒸發(fā)溫度t1=-40℃，冷凝溫度t3=-10℃，過冷

度tsd=6℃時，該循環(huán)在不同傳熱溫差下，高溫循環(huán)中冷凝溫度對其COP的影響。結(jié)果顯示，在傳熱溫差固定不變時，COP隨著冷凝溫度的增大而近似呈直線急劇下降；當(dāng)冷凝溫度一定時，COP與傳熱溫差成正比。

3結(jié)論

1)對于帶回?zé)崞鞯腞404a/CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)，過冷度對其COP影響較為顯著，在不同蒸發(fā)溫度、不同低溫循環(huán)冷凝溫度條件下均可提高系統(tǒng)性能系數(shù)COP。說明增加過冷度是提高R404a/CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)性能系數(shù)的有效路徑之一。

2)通過分析低溫循環(huán)冷凝溫度對系統(tǒng)COP的影響，可以看出在蒸發(fā)溫度、高溫循環(huán)冷凝溫度、過冷度和冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差給定時，存在一個低溫循環(huán)冷凝溫度的最優(yōu)值，使得系統(tǒng)循環(huán)COP最大。

3)傳熱溫差和高溫循環(huán)冷凝溫度對于該復(fù)疊式制冷系統(tǒng)COP也起到非常重要的作用，為提高系統(tǒng)的COP，應(yīng)盡量增大冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差，降低高溫循環(huán)冷凝溫度。

參考文獻：

[1]朱明善.21世紀制冷空調(diào)行業(yè)綠色環(huán)保制冷劑的趨勢與展望.暖通空調(diào)，2000(2)：22-26.

[2]史敏，賈磊，鐘瑜，等.二氧化碳制冷技術(shù).制冷與空調(diào)，2007(6)：1-5.

[3]李麗霞，姬長發(fā)，趙文秀.CO2制冷系統(tǒng)的技術(shù)進展.能源技術(shù)，2008(5)：285-289.

[4]KITZMILLERWR.AdvantagesofCO2-Ammoniasystemforlow-temperaturerefrigeration.Power，1932(1)：92-94.

[5]GETUHM，BANSALPK.ThermodynamicanalysisofanR744/R717cascaderefrigerationsystem.InternationalJournalofRefrigeration，2008，31(1)：45-54.

[6]寧靜紅，馬一太，李敏霞.R290/CO2自然工質(zhì)低溫復(fù)疊式制冷循環(huán)理論分析.天津大學(xué)學(xué)報，2006(4)：449-453.

[7]寧靜紅，李惠宇，彭苗.R290/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的性能實驗.制冷學(xué)報，2007(6)：57-60.

[8]賴艷華，王慶為，呂明新，等.R404A/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的分析.山東大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2011(6)：115-121.

[9]賴艷華，王慶為，呂明新，等.R404A/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的熵分析.工程熱物理學(xué)報，2012(6)：1005-1008.

[10]靳光亞，謝英柏，劉春濤.NH3/CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)的分析與優(yōu)化.電力科學(xué)與工程，2013(1)：69-73.

[11]王慶為.R404A/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的理論分析與優(yōu)化.濟南：山東大學(xué)，2012.

[12]彥啟森，石文星，田長青.空氣調(diào)節(jié)用制冷技術(shù).北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[13]QURESHIBA，ZUBAIRSM.Theeffectofrefrigerantcombinationsonperformanceofvaporcompres-sionrefrigerantsystemwithdedicatedmechanicalsubcooling.InternationalJournalofRefrigeration，2012(35)：47-57.

(責(zé)任編輯王利君)

TheoreticalanalysisofR404a/CO2cascadrefrigeration

systemwithheatregenerator

YUShao-shan，WANGJing-gang，BAOLing-ling

(SchoolofUrbanConstruction,HebeiUniversityofEngineering,HebeiHandan056038,China)

Abstract：ThispaperestablishesamodelofR404a/CO2cascaderefrigerationsystemwithheatregeneratorunderthelow-temperatureenvironment.Inordertoimprovecoefficientofperformance,athermodynamicanalysisarecarriedout.Throughtheoreticalcalculation,theinfluencesofevaporationtemperature,condensationtemperatureoflowtemperaturecycle，thedegreeofsupercoolingaswellasthetemperaturedifferenceinthecondenserevaporatoronCOParecontrastedandanalyzedbycontrolvariable.TheresultshowedthatthedegreeofsupercoolinghasobviouseffectinimprovingCOPwhentheotherparametersareconstant;thereexistsaoptimalvalueofcondensationtemperatureoflowtemperaturecyclemakesCOPtobemaximum;COPincreaseswiththeincreaseofevaporationtemperatureandthetemperaturedifferenceinthecondenserevaporatorwhiledecreaseswiththeincreaseofcondensationtemperaturewhenthedegreeofsupercoolingisconstant.

Keywords：R404a/CO2cascaderefrigeration;degreeofsupercooling;COP

中圖分類號：TB61

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-9469(2015)04-0075-03doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2015.04.016

作者簡介：于韶山(1991-)，男，山東臨沂人，碩士，主要研究方向為制冷與熱泵技術(shù)優(yōu)化。

基金項目：河北省自然科學(xué)基金項目資助(E2015402139)；河北省教育廳科學(xué)技術(shù)處資助項目(QN2014064)

收稿日期：2015-08-03