郭耀君，謝晶，朱世新，王金鋒（上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 0306；上海水產(chǎn)品加工與貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 0306）

?

回?zé)崞鲗?duì)雙級(jí)壓縮和復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)影響的分析

郭耀君1，2，謝晶1，2，朱世新1，2，王金鋒1，2
（1上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306；2上海水產(chǎn)品加工與貯藏工程技術(shù)研究中心，上海 201306）

摘要：為了研究回?zé)崞鲗?duì)雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)和復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)的影響，以R404A雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)和R404A/R23復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)為例，通過(guò)建立兩種制冷系統(tǒng)的熱力學(xué)模型和?分析法，分析了回?zé)崞餍蕦?duì)壓縮機(jī)排氣溫度、單位質(zhì)量制冷量、制冷劑質(zhì)量流量、系統(tǒng)制熱能效比（COP）、系統(tǒng)總?損、系統(tǒng)各部件?損和系統(tǒng)?效率的影響。結(jié)果表明，在雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)中，當(dāng)回?zé)崞餍师?取0.1～0.9時(shí)，系統(tǒng)COP增大4.0%，系統(tǒng)的總?損減少9.6%，而系統(tǒng)?效率增大7.1%；在復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)中，系統(tǒng)COP和系統(tǒng)?效率隨高溫級(jí)回?zé)崞餍师?增大而增大，隨低溫級(jí)回?zé)崞餍师旁龃蠖鴾p小，而系統(tǒng)總的?損隨高溫級(jí)回?zé)崞餍师?增大而減小，隨低溫級(jí)回?zé)崞餍师?增大而增大。

關(guān)鍵詞：回?zé)崞?；雙級(jí)壓縮；復(fù)疊式壓縮；熱力學(xué)；性能分析；?

第一作者：郭耀君（1987—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橹评涔こ獭Ｂ?lián)系人：謝晶，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槭称饭こ?。E-mail jxie@shou.edu.cn。

在實(shí)際的蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)中通常安裝回?zé)崞?，以達(dá)到保障系統(tǒng)正常運(yùn)行和提高系統(tǒng)性能的效果。在回?zé)崞髦?，?jié)流前的液體和來(lái)自蒸發(fā)器的低溫蒸氣進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)制冷劑液體過(guò)冷度，低溫蒸氣過(guò)熱。這樣，不僅可以降低節(jié)流前氣體閃發(fā)的可能性，而且可以提高壓縮機(jī)吸氣溫度，防止低溫蒸氣夾帶的液滴進(jìn)入壓縮機(jī)，避免液擊現(xiàn)象。同時(shí)，增加了單位制冷量，減少了制冷劑流量，還有效降低了蒸氣和環(huán)境之間的傳熱溫差。尤其在低溫制冷裝置中，吸氣溫度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)汽缸壁結(jié)霜加重，潤(rùn)滑條件惡化，因此有必要采用回?zé)崞魈岣呶鼩鉁囟取?/p>

KLEIN等[1]對(duì)R22等10種制冷劑進(jìn)行了研究，分析認(rèn)為R22、R32和R717這3種制冷劑在回?zé)嵫h(huán)中，單位容積制冷量和制冷系數(shù)均低于無(wú)回?zé)嵫h(huán)，即回?zé)嵫h(huán)不適用于此3種制冷劑。MESSINEO[2]對(duì)均帶有回?zé)嵫h(huán)的R404A雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)和NH3/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)進(jìn)行分析，表明回?zé)嵫h(huán)對(duì)提高R404A的雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)性能有利，對(duì)NH3/CO2的復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)有不利影響。TORRELLA等[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式論證了回?zé)崞鲗?duì)CO2在跨臨界蒸氣壓縮式制冷循環(huán)中的影響。BHATTACHARYYA等[4]對(duì)N2O/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)同時(shí)使用回?zé)崞鞯母叩蜏匮h(huán)進(jìn)行了熱力學(xué)優(yōu)化。寧?kù)o紅等[5]研究了回?zé)崞鲗?duì)R290/CO2等3種復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的影響，分析了制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)隨回?zé)崞餍首兓那闆r。

圖1 雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)流程0～9—溫度點(diǎn)

目前，有關(guān)回?zé)崞鲗?duì)采用R404A的雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)和復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)的影響分析較少，本文選取R404A一次節(jié)流中間不完全雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)和R404A/R23復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析比較了不同回?zé)崞餍蕦?duì)壓縮機(jī)排氣溫度以及系統(tǒng)制熱能效比（COP）的影響，同時(shí)利用?分析法對(duì)系統(tǒng)能耗狀況和部件用能環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，揭示回?zé)崞餍蕦?duì)系統(tǒng)總的?損失、系統(tǒng)各組成部件的?損失和系統(tǒng)?效率的影響，為帶有回?zé)崞鞯南到y(tǒng)性能改善提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)概述

1.1 帶有回?zé)崞鞯碾p級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)

氟里昂雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)通常采用一級(jí)節(jié)流中間不完全冷卻形式[6]，目前國(guó)內(nèi)雙級(jí)壓縮系統(tǒng)制冷劑大多仍采用R22，根據(jù)《蒙特利爾協(xié)議》，R22只作過(guò)渡使用，最終將被淘汰，因此探究新的替代環(huán)保制冷劑是超低溫制冷技術(shù)發(fā)展的必要。目前，常用于雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)的HFC類(lèi)中長(zhǎng)期環(huán)保替代制冷劑主要有R404A、R134a、R507，其中R404A廣泛使用在商業(yè)制冷系統(tǒng)中[7]。本文即采用R404A作為雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)制冷劑，帶有回?zé)崞鞯碾p級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)流程示意圖和p-h圖如圖1、圖2所示。

在雙級(jí)壓縮循環(huán)中，中間壓力對(duì)系統(tǒng)循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性，壓縮機(jī)的制冷量、耗功率和結(jié)構(gòu)都有直接的影響，一般以制冷系數(shù)最大作為確定中間壓力的原則，由于制冷循環(huán)形式或者壓縮機(jī)排氣量配置不同，很難用統(tǒng)一表達(dá)式進(jìn)行最佳中間壓力的計(jì)算。因此通常以高低壓級(jí)的壓縮比相等作為原則，這樣得到的結(jié)果，雖然制冷系數(shù)不一定是最大值，但可以使壓縮機(jī)氣缸工作容積的利用率較高[8]。利用壓焓圖根據(jù)中間壓力值，可確定中間溫度tm，中間冷卻器溫差設(shè)定為5℃，t7=tm+5。t4為雙級(jí)壓縮機(jī)排氣溫度。

1.2 帶有回?zé)崞鞯膹?fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)

圖2 雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)p-h示意圖

復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)通常由兩個(gè)不同制冷劑工作的單級(jí)制冷系統(tǒng)疊加而成。中間溫度的確定依據(jù)高溫級(jí)和低溫級(jí)壓縮比大致相等的原則[9]，冷凝蒸發(fā)器中的傳熱溫差取5℃，即高溫級(jí)蒸發(fā)溫度比低溫級(jí)冷凝溫度低5℃。目前，復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)高溫制冷劑的中長(zhǎng)期環(huán)保替代物主要為R134a、R404A，低溫制冷劑環(huán)保替代物主要為R23、R116、R508B[10]。其中，R404A等熵壓縮指數(shù)比R22小，在換熱器內(nèi)的傳熱性能和R22很接近，相同工況下R404A壓縮機(jī)排氣溫度更低；R23單位制冷量比R508B高[11]。本文復(fù)疊式制冷系統(tǒng)高溫級(jí)選用R404A，低溫級(jí)選用R23。高溫級(jí)和低溫級(jí)制冷循環(huán)都帶有回?zé)崞鞯膹?fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)流程示意圖和p-h圖如圖3、圖4所示。t3'為高溫級(jí)壓縮機(jī)排氣溫度，t3為低溫級(jí)壓縮機(jī)排氣溫度。

圖3 復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)流程1～9—溫度點(diǎn)

圖4 復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)p-h示意圖

2 熱力分析

為研究問(wèn)題方便，引入回?zé)崞餍实牧烤V為1參數(shù)，回?zé)崞餍识x為式(1)[1]。

基于本文兩種制冷系統(tǒng)流程示意圖圖1和圖2，雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)的回?zé)崞餍师舠、復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)的高溫級(jí)回?zé)崞鰽效率εfa和復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)的低溫級(jí)回?zé)崞鰾效率εfb分別為式(2)～式(4)。

式中，溫度的下角標(biāo)與圖中的各點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，℃。實(shí)際循環(huán)總是有一定的外界影響，為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，作以下假定：

（1）壓縮過(guò)程均為絕熱非等熵過(guò)程；

（2）系統(tǒng)各部件壓降和熱損失忽略不計(jì)，節(jié)流前后焓值不變；

（3）各組成部件處于穩(wěn)定狀態(tài)，制冷劑處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)。

2.1 帶有回?zé)崞鞯碾p級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)熱力學(xué)模型

根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒定律，建立雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)模型，具體計(jì)算公式如式(5)～式(13)所示。

中間壓力（MPa）

單位質(zhì)量制冷量（kJ/kg）

低壓級(jí)制冷劑質(zhì)量流量（kg/s）

高壓級(jí)制冷劑質(zhì)量流量（kg/s）

高壓級(jí)指示功率（kW）

低壓級(jí)指示功率（kW）

壓縮機(jī)指示功率（kW）

壓縮機(jī)軸功率（kW）

雙級(jí)壓縮系統(tǒng)性能系數(shù)

式中，pk為冷凝壓力，MPa；p0為蒸發(fā)壓力，MPa；Q0為制冷量，kW；ηig為高壓級(jí)指示效率；ηid為低壓級(jí)指示效率；Tk為冷凝溫度，K；T0為蒸發(fā)溫度，K；Tm為中間溫度，K；tm為中間溫度，℃；tk為冷凝溫度，℃；b為系數(shù)，取0.0025；ηm為壓縮機(jī)機(jī)械效率；h0、h1、h2、h3、h3'、h4、h5、h7、h9分別對(duì)應(yīng)圖2中各點(diǎn)焓值，kJ/kg。

正如一切不可逆過(guò)程都要產(chǎn)生熵一樣，一切不可逆過(guò)程也會(huì)造成?損失。根據(jù)熱力學(xué)第二定律的?分析法，在環(huán)境溫度Ta一定時(shí)，建立雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)各個(gè)過(guò)程?損的數(shù)學(xué)模型，具體計(jì)算公式如式(14)～式(22)所示。

壓縮過(guò)程

冷凝過(guò)程

節(jié)流閥A節(jié)流過(guò)程

中間冷卻過(guò)程

回?zé)徇^(guò)程

節(jié)流閥B節(jié)流過(guò)程

蒸發(fā)過(guò)程

式中，eq0為帶入蒸發(fā)器的比冷量?，kJ/kg；Tl為冷庫(kù)溫度，K；s0、s1、s2、s3、s3'、s4、s5、s6、s7、s8、s9分別對(duì)應(yīng)圖2中各點(diǎn)比熵，kJ/(kg?K)。

2.2 帶有回?zé)崞鞯膹?fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)熱力學(xué)模型

根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒定律，建立復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱力學(xué)模型，具體計(jì)算公式如式(23)～式(30)所示。

低溫級(jí)單位質(zhì)量制冷量（kJ/kg）

低溫級(jí)制冷劑質(zhì)量流量（kg/s）

高溫級(jí)單位質(zhì)量制冷量（kJ/kg）

高溫級(jí)制冷劑質(zhì)量流量（kg/s）

高溫級(jí)壓縮機(jī)指示功率（kW）

低溫級(jí)壓縮機(jī)指示功率（kW）

復(fù)疊式壓縮系統(tǒng)輸入功率（kW）

復(fù)疊式系統(tǒng)性能系數(shù)

式中，Q0為制冷量，kW；ηig為高溫級(jí)指示效率；ηid為低溫級(jí)指示效率；

Tk'為高溫級(jí)冷凝溫度，K；T0'為高溫級(jí)蒸發(fā)溫度，K；t0'為高溫級(jí)蒸發(fā)溫度，℃；Tk為低溫級(jí)冷凝溫度，K；T0為低溫級(jí)蒸發(fā)溫度，K；t0為低溫級(jí)蒸發(fā)溫度，℃；b為系數(shù)，取0.0025；ηm1、ηm2分別為高、低溫級(jí)壓縮機(jī)機(jī)械效率；h1、h2、h3、h4、h5、h1'、h2'、h3'、h5'分別對(duì)應(yīng)圖4中各點(diǎn)焓值，kJ/kg。

根據(jù)熱力學(xué)第二定律的?分析法，在環(huán)境溫度Ta一定時(shí)，建立復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)各個(gè)過(guò)程?損的數(shù)學(xué)模型，具體計(jì)算公式如式(31)～式(41)所示。高溫級(jí)壓縮過(guò)程

高溫級(jí)冷凝過(guò)程

高溫級(jí)回?zé)徇^(guò)程

高溫級(jí)節(jié)流過(guò)程

冷凝蒸發(fā)過(guò)程

低溫級(jí)壓縮過(guò)程

低溫級(jí)回?zé)徇^(guò)程

低溫級(jí)節(jié)流過(guò)程

低溫級(jí)蒸發(fā)過(guò)程

式中，eq0為帶入蒸發(fā)器的比冷量?，kJ/kg；Tl為冷庫(kù)溫度，K；s1、s2、s3、s4、s5、s6、s1'、s2'、s3'、s4'、s5'、s6'分別對(duì)應(yīng)圖4中各點(diǎn)比熵，kJ/(kg?K)。

3 結(jié)果分析

雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)和復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)運(yùn)行工況如下：tk為40℃，t0為?65℃，tl為?60℃，Q0為6kW，同時(shí)假定環(huán)境溫度Ta為32℃，運(yùn)用NIST REFPROP8.0軟件計(jì)算R404A和R404A/R23分別在雙級(jí)壓縮和復(fù)疊式壓縮的各狀態(tài)參數(shù)， 設(shè)定雙級(jí)制冷壓縮機(jī)機(jī)械效率ηm=0.73，復(fù)疊高溫級(jí)和低溫級(jí)壓縮機(jī)機(jī)械效率分別為ηm1=0.8、ηm2=0.79。ε 分別取值0.1、0.3、0.5、0.7、0.9進(jìn)行計(jì)算。

3.1 回?zé)崞鲗?duì)壓縮機(jī)排氣溫度、單位質(zhì)量制冷量和制冷劑質(zhì)量流量的影響

壓縮機(jī)排氣溫度并不是制冷系統(tǒng)主要的性能指標(biāo)，但它對(duì)壓縮機(jī)是否可以良好運(yùn)行卻是一個(gè)重要因素，通常排氣溫度過(guò)高會(huì)對(duì)壓縮機(jī)產(chǎn)生不利的影響[12]。

圖5給出了回?zé)崞餍蕦?duì)雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)和復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣溫度的影響。從圖5中可以看出，隨著回?zé)崞餍师诺脑龃?，雙級(jí)壓縮機(jī)、復(fù)疊高溫級(jí)壓縮機(jī)和復(fù)疊低溫級(jí)壓縮機(jī)的排氣溫度都升高，但是復(fù)疊低溫級(jí)壓縮機(jī)排氣溫度始終低于復(fù)疊高溫級(jí)壓縮機(jī)，當(dāng)ε為0.1～0.24時(shí)復(fù)疊高溫級(jí)壓縮機(jī)排氣溫度低于雙級(jí)壓縮機(jī)，ε =0.24時(shí)兩者相等，ε為0.24～0.9時(shí)前者高于后者；其中雙級(jí)壓縮機(jī)排氣溫度升高比例小于復(fù)疊高溫級(jí)壓縮機(jī)和低溫級(jí)壓縮機(jī)，原因是雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)的回?zé)崞鞔嬖谟诘蛪杭?jí)循環(huán)支路，間接影響了雙級(jí)壓縮機(jī)排氣溫度[13]，而復(fù)疊高溫級(jí)制冷循環(huán)中的回?zé)崞鰽所引導(dǎo)的回?zé)嵫h(huán)直接影響了高溫級(jí)壓縮機(jī)的排氣溫度。

圖5 回?zé)崞餍蕦?duì)壓縮機(jī)排氣溫度的影響

由表1可以看出，當(dāng)回?zé)崞餍师?增大時(shí)，q0、q0d和q0g都增大，而雙級(jí)壓縮系統(tǒng)的高低壓級(jí)制冷劑質(zhì)量流量和復(fù)疊系統(tǒng)高低溫級(jí)制冷劑質(zhì)量流量都減小，可減少系統(tǒng)制冷劑的充注量和降低壓縮機(jī)的耗功。

3.2 回?zé)崞鲗?duì)系統(tǒng)COP和系統(tǒng)總?損的影響

從圖6可以看出，雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)COP隨回?zé)崞餍师诺脑龃蠖龃?，而系統(tǒng)總的?損隨回?zé)崞餍师诺脑龃蠖鴾p小，當(dāng)ε 取0.1～0.9時(shí)，雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)COP增大4.0%，系統(tǒng)總的?損減少9.6%。故回?zé)嵫h(huán)有利于制冷劑為R404A的一次節(jié)流中間不完全冷卻的雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)。結(jié)合圖7，當(dāng)回?zé)崞餍师?0.9時(shí)，雙級(jí)壓縮機(jī)排氣溫度為76.3℃，所以在條件允許的前提下，應(yīng)盡可能地增大R404A雙級(jí)壓縮系統(tǒng)的回?zé)嵝?，以增大系統(tǒng)COP，減少系統(tǒng)總的?損。

表1 回?zé)崞餍蕦?duì)制冷系統(tǒng)單位質(zhì)量制冷量、制冷劑質(zhì)量流量的影響

圖6 回?zé)崞餍蕦?duì)雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)COP和總?損的影響

圖7 回?zé)崞餍蕦?duì)復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)COP的影響

圖7和圖8分別給出了復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)受高溫級(jí)回?zé)崞餍屎偷蜏丶?jí)回?zé)崞餍使餐绊懞笙到y(tǒng)COP和總的?損的變化。從圖7可以看出，復(fù)疊式系統(tǒng)COP隨高溫級(jí)回?zé)崞餍师诺脑龃蠖龃螅S低溫級(jí)回?zé)崞餍师?的增大而減小，復(fù)疊式系統(tǒng)COP取得最大值的回?zé)崞餍式M合為εfa=0.9、εfb=0.1，COP取得最小值的組合為εfa=0.1、εfb=0.9，COP最大值較最小值大8.35%。從圖8可以看出，復(fù)疊式系統(tǒng)總的?損隨高溫級(jí)回?zé)崞餍师?的增大而減小，隨低溫級(jí)回?zé)崞餍师?的增大而增大，復(fù)疊式系統(tǒng)總的?損取得最小值得回?zé)崞餍式M合為εfa=0.9、εfb=0.1，總的?損取得最大值的組合為εfa=0.1、εfb=0.9，總的?損最小值較最大值小12.2%。結(jié)合圖5，在條件允許并考慮高溫級(jí)壓縮機(jī)排氣溫度不宜過(guò)高的前提下，應(yīng)盡可能增大本復(fù)疊式制冷系統(tǒng)R404A高溫級(jí)循環(huán)的回?zé)嵝剩瑴p少R23低溫級(jí)循環(huán)的回?zé)嵝?。即?duì)R23低溫級(jí)循環(huán)不宜采用較高的過(guò)熱度，但也不能沒(méi)有過(guò)熱度，否則就有可能造成“液擊”現(xiàn)象。

圖8 回?zé)崞餍蕦?duì)復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)總的?損影響

3.3 回?zé)崞鲗?duì)系統(tǒng)各部件?損和系統(tǒng)?效率的影響

表2顯示了雙級(jí)壓縮系統(tǒng)回?zé)崞餍师?分別取值0.1、0.3、0.5、0.7、0.9時(shí)，雙級(jí)壓縮系統(tǒng)各組成部件?損以及系統(tǒng)?效率。

從表2可以看出，隨著回?zé)崞餍师?增大，雙級(jí)壓縮系統(tǒng)?損減小的部件是壓縮機(jī)、節(jié)流閥A、中冷器、節(jié)流閥B，而?損增加的部件是冷凝器、回?zé)崞?、蒸發(fā)器；雙級(jí)壓縮系統(tǒng)?效率也是隨著回?zé)崞餍师旁龃蠖龃?。?dāng)ε 取0.1～0.9時(shí)，系統(tǒng)各組成部件?損占系統(tǒng)總?損的比例如下：壓縮機(jī)為38.6%～40.6%，冷凝器為10.0%～14.5%，節(jié)流閥A 為16.6%～15.6%，中冷器為15.8%～14.8%，回?zé)崞鳛?.0%～2.6%，節(jié)流閥B為11.4%～4.5%，蒸發(fā)器為6.7%～7.5%，即壓縮機(jī)?損占系統(tǒng)總?損最大，回?zé)崞?損占系統(tǒng)總?損最小。當(dāng)ε取0.1～0.9時(shí)，雙級(jí)壓縮系統(tǒng)?效率增大7.1%。

表2 雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)各組成部件?損和系統(tǒng)?效率

表3顯示了復(fù)疊式壓縮系統(tǒng)高溫級(jí)回?zé)崞餍屎偷蜏丶?jí)回?zé)崞餍史謩e取值0.1、0.3、0.5、0.7、0.9時(shí)復(fù)疊式壓縮系統(tǒng)各組成部件的?損（冷凝蒸發(fā)器除外）。

從表3可以看出，在復(fù)疊式系統(tǒng)高溫級(jí)壓縮循環(huán)中，隨著回?zé)崞鰽效率ε 增大，?損減少的部件是高溫級(jí)壓縮機(jī)、節(jié)流閥A且減小的比例分別是10.9%、75.8%，而?損增加的部件是冷凝器、回?zé)崞鰽且增大的比例分別是91.5%、101.3%；在復(fù)疊式系統(tǒng)低溫級(jí)壓縮循環(huán)中，隨著回?zé)崞鰾效率ε增大，?損減少的部件是節(jié)流閥B且減小的比例是63.7%，而?損增加的部件是壓縮機(jī)且增大的比例是3.7%，回?zé)崞?損則先增加后減少，蒸發(fā)器?損幾乎沒(méi)有變化。

表4顯示了冷凝蒸發(fā)器?損在高溫級(jí)回?zé)崞餍屎偷蜏丶?jí)回?zé)崞餍史止餐绊懴碌淖兓?/p>

從表4可以看出，若保持低溫級(jí)回?zé)崞鰾效率ε不變，隨著高溫級(jí)回?zé)崞鰽效率ε 增大，冷凝蒸發(fā)器?損增大；若保持高溫級(jí)回?zé)崞鰽效率ε 不變，隨著低溫級(jí)回?zé)崞鰾效率ε 增大，冷凝蒸發(fā)器?損亦增大；冷凝蒸發(fā)器?損取得最小值時(shí)的回?zé)崞餍式M合為εfa=0.1、εfb=0.1，取得最大值時(shí)的回?zé)崞餍式M合為εfa=0.9、εfb=0.9，且最大值較最小值大86.5%。

表3 復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)各組成部件的?損（冷凝蒸發(fā)器除外） 單位：kW

表4 復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)冷凝蒸發(fā)器的損 單位：kW

表4 復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)冷凝蒸發(fā)器的損 單位：kW

低溫級(jí)回?zé)崞鰾回?zé)嵝?　0.1 　0.3 　0.5 　0.7 　0.9高溫級(jí)回?zé)崞鰽回?zé)嵝?.1 　0.3325 　0.3382 　0.3425 　0.3467 　0.3498 0.3 　0.3930 　0.3986 　0.4030 　0.4071 　0.4102 0.5 　0.4589 　0.4645 　0.4689 　0.4730 　0.4761 0.7 　0.5293 　0.5350 　0.5393 　0.5435 　0.5466 0.9 　0.6031 　0.6087 　0.6131 　0.6172 　0.6203

結(jié)合表3和表4，在高溫級(jí)回?zé)崞鰽效率和低溫級(jí)回?zé)崞鰾效率相組合的25種情況下，復(fù)疊式壓縮系統(tǒng)各組成部件?損占系統(tǒng)總?損的比例如下：高溫級(jí)壓縮機(jī)為21.8%～22.7%，高溫級(jí)冷凝器為6.8%～14.9%，回?zé)崞鰽為2.1%～6.1%，節(jié)流閥A為5.7%～21.8%，冷凝蒸發(fā)器為7.6%～15.4%，低溫級(jí)壓縮機(jī)為23.9%～26.8%，回?zé)崞鰾為0.8%～2.7%，節(jié)流閥B為3.3%～10.3%，蒸發(fā)器為4.6%～5.3%，即高溫級(jí)壓縮機(jī)和低溫級(jí)壓縮機(jī)的?損占系統(tǒng)總?損最大。

圖9給出了復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)受高溫級(jí)回?zé)崞餍屎偷蜏丶?jí)回?zé)崞餍使餐绊懞笙到y(tǒng)?效率的變化。從圖9中可以看出，復(fù)疊式系統(tǒng)?效率隨高溫級(jí)回?zé)崞餍师?的增大而增大，隨低溫級(jí)回?zé)崞餍师?的增大而減小，復(fù)疊式系統(tǒng)?效率取得最大值的回?zé)崞餍式M合為εfa=0.9、εfb=0.1，?效率取得最小值的組合為εfa=0.1、εfb=0.9，?效率最大值較最小值大8.37%。

圖9 回?zé)崞餍蕦?duì)復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)?效率影響

4 結(jié) 論

在相同的工況下，通過(guò)建立雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)和復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，來(lái)探究回?zé)崞餍蕦?duì)雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)和復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣溫度、單位質(zhì)量制冷量、制冷劑質(zhì)量流量、系統(tǒng)COP、系統(tǒng)總?損、系統(tǒng)各部件?損和系統(tǒng)?效率的影響，可以得出如下結(jié)論。

（1） 回?zé)嵫h(huán)對(duì)采用R404A制冷劑的雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)和復(fù)疊式壓縮高溫級(jí)制冷系統(tǒng)的性能有利，對(duì)采用R23制冷劑的復(fù)疊式壓縮低溫級(jí)系統(tǒng)的性能不利。

（2） 雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)COP隨回?zé)崞餍实脑龃蠖龃?，雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)總的?損隨回?zé)崞餍实脑龃蠖鴾p小；復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)COP和總的?損受高溫級(jí)回?zé)崞餍屎偷蜏丶?jí)回?zé)崞餍使餐绊懀珻OP隨高溫級(jí)回?zé)崞餍实脑龃蠖龃?，隨低溫級(jí)回?zé)崞餍实脑龃蠖鴾p小，總的?損隨高溫級(jí)回?zé)崞餍实脑龃蠖鴾p小，隨低溫級(jí)回?zé)崞餍实脑龃蠖龃蟆?/p>

（3） 壓縮機(jī)是系統(tǒng)各部件中?損最大的部件。雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)中壓縮機(jī)?損占總?損的38.6%～40.6%，復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)中高溫級(jí)壓縮機(jī)占總?損的21.8%～22.7%，低溫級(jí)壓縮機(jī)占總?損的23.9%～26.8%。

（4）在考慮到排氣溫度的前提下，提高R404A雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)回?zé)崞餍?，提高?fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)高溫級(jí)回?zé)崞餍?，降低低溫?jí)回?zé)崞餍省?/p>

參 考 文 獻(xiàn)

[1] KLEIN S A，REINDL D T，BROWNELL K. Refrigeration system performance using liquid-suction heat exchangers[J]. International Journal of Refrigeration，2000，23（8）：588-596

[2] MESSINEO A. R744-R717 cascade refrigeration system：performance evaluation compared with a HFC two-stage system[J]. Energy Procedia，2012（14）：56-65.

[3] TORRELLA E，SáNCHEZ D，LLOPIS R，et al. Energetic evaluation of an internal heat exchanger in a CO2transcritical refrigeration plant using experimental data[J]. International Journal of Refrigeration，2011，34（1）：40-49.

[4] BHATTACHARYYA S，GARAI A，SARKAR J. Thermodynamic analysis and optimization of a novel N2O-CO2cascade system for refrigeration and heating[J]. International Journal of Refrigeration，2009，32（5）：1077-1084.

[5] 寧?kù)o紅，曾凡星. 回?zé)崞鲗?duì)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)性能的影響[J]. 低溫工程，2014（2）：60-63，76.

[6] 郭耀君，謝晶，朱世新，等. 超低溫制冷裝置的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展[J]. 食品與機(jī)械，2015（1）：238-243.

[7] LLOPIS R，TORRELLA E，CABELLO R. HCFC-22 replacement with drop-in and retrofit HFC refrigerants in a two-stage refrigeration plant for low temperature[J]. International Journal of Refrigeration，2012，35（4）：810-816.

[8] 金旭，王樹(shù)剛，張騰飛，等. 變工況雙級(jí)壓縮中間壓力及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響[J]. 化工學(xué)報(bào)，2012，63（1）：96-102.

[9] 陳光明，陳國(guó)邦. 制冷與低溫原理 [M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：129.

[10] 董璐. 自動(dòng)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的循環(huán)特性及實(shí)驗(yàn)研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

[11] PORTO M P，PEDRO H T C，MACHADO L，et al. Optimized heat transfer correlations for pure and blended refrigerants[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2015，85：577-584.

[12] 朱立. 制冷壓縮機(jī) [M]. 北京：高等教育出版社，2010：28.

[13] 郭耀君，謝晶，朱世新，等. 雙級(jí)壓縮與復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J]. 化工進(jìn)展，2015，34（8）：3194-3201.

研究開(kāi)發(fā)

Effect of internal heat exchanger on two-stage compression and cascade compression refrigeration system

GUO Yaojun1，2，XIE Jing1，2，ZHU Shixin1，2，WANG Jinfeng1，2
（1School of Food Science and Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China；2Shanghai Engineering Research Center of Aquatic Product Processing and Preservation，Shanghai 201306，China）

Abstract：In order to study the effect of internal heat exchanger on two-stage compression and cascade compression refrigeration system，R404A two-stage compression refrigeration system and R404A/R23 cascade compression refrigeration system were taken as examples. Through exergy analysis and establishment of two kinds of refrigeration systems thermodynamic model，the compressor discharge temperature，cooling capacity per unit mass，refrigerant mass flow，system COP，total system exergy loss and exergy efficiency of the regenerator were analyzed. In the two-stage compression refrigeration system，when thermal efficiency was between 0.1 and 0.9，system COP increased by 4.0%，leading to a reduction in total loss of 9.6 percent exergy system and the system exergy efficiency could increase by 7.1%. In the cascade compression refrigeration system，system COP and exergy efficiency of the system increased with increasing high-temperature regenerator efficiency and decreased with decreasing low-level heat recovery efficiency. The total loss of exergy systems decreased with increasing high temperature level regenerator efficiency and increased with increasing low-level heat recovery efficiency.

Key words：liquid-suction heat exchangers；two-stage compression；cascade compression；thermodynamics；performance analysis；exergy

基金項(xiàng)目：國(guó)家農(nóng)業(yè)成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目（2013GB2C000156）及上海市科委項(xiàng)目（13dz1203702）。

收稿日期：2015-08-19；修改稿日期：2015-09-10。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.02.011

中圖分類(lèi)號(hào)：TB 61+5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000–6613（2016）02–0409–08