楊俊蘭，李久東，唐嘉寶

（天津城建大學(xué)，天津 300384）

1 前言

由于CFCs、HCFCs等制冷劑對(duì)臭氧層破壞和溫室效應(yīng)較嚴(yán)重，CO2作為一種環(huán)境友好型自然工質(zhì)，以性質(zhì)穩(wěn)定，零ODP和低GWP得到重新關(guān)注。

目前，復(fù)疊式制冷循環(huán)被廣泛應(yīng)用于低溫制冷，而且CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)能滿足較低的溫度需要，成為當(dāng)前食品冷凍冷藏業(yè)的研究熱點(diǎn)［1］。

Kitzmiller在1932年首先提出了NH3/CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)［2］。對(duì)于NH3/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，文獻(xiàn)［3～5］對(duì)其進(jìn)行了熱力學(xué)分析及計(jì)算，并指出通過換熱器和系統(tǒng)循環(huán)參數(shù)優(yōu)化以及工質(zhì)變換可能會(huì)使系統(tǒng)年度總成本降低。通過與R404A/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)對(duì)比，NH3/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)擁有最大COP和最大最佳質(zhì)量流量比，而R404A/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的最佳低溫循環(huán)冷凝溫度最高［6，7］。

ThomasW Davies等對(duì)應(yīng)用于超市的NH3/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)同一般R404A制冷系統(tǒng)進(jìn)行分析比較，得出前者能耗較低［8］。

Bansal等研究以R744為低溫級(jí)制冷工質(zhì)的兩級(jí)復(fù)疊式制冷循環(huán)，得出冷凝蒸發(fā)器存在最佳冷凝溫度［9］。同時(shí)R134a/R744復(fù)疊式制冷系統(tǒng)對(duì)冷鏈物流產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要意義和廣闊的應(yīng)用前景［10］。

本文主要對(duì)R290/CO2和R404A/CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)的性能進(jìn)行分析比較。

2 CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)介紹

圖1給出了CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)的流程，由2個(gè)單級(jí)循環(huán)疊加而成，CO2用作低溫級(jí)制冷劑，高溫級(jí)用R290或R404A作制冷劑。圖1（b）為該制冷循環(huán)的T-s圖，圖中1-2-3-4-5-1為低溫級(jí)（CO2）循環(huán)，6-7-8-9-10-6為高溫級(jí)（R290或R404A）循環(huán)，高低溫級(jí)之間通過冷凝蒸發(fā)器連接。

圖1 CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)

2.1 復(fù)疊式制冷循環(huán)的計(jì)算模型

低溫級(jí)質(zhì)量流量：

式中 Q0——低溫級(jí)蒸發(fā)器制冷量

hi——各狀態(tài)點(diǎn)的焓值，i=1，2，3…，10低溫級(jí)壓縮機(jī)耗功：

式中 ηL——低溫級(jí)壓縮機(jī)效率高溫級(jí)質(zhì)量流量：

高溫級(jí)壓縮機(jī)耗功：

式中 ηH——高溫級(jí)壓縮機(jī)效率系統(tǒng)能效（性能系數(shù)）：

2.2 計(jì)算條件與假設(shè)

復(fù)疊式制冷循環(huán)的計(jì)算條件假設(shè)如下：冷凝溫度tk為30 ℃ ；CO2循環(huán)的蒸發(fā)溫度t0為-50～-40 ℃；低溫級(jí)冷凝溫度t4變化范圍為-30～0 ℃；環(huán)境溫度ta為30 ℃；系統(tǒng)的制冷量為20 kW；冷凝蒸發(fā)器的傳熱溫差取值為3 ℃和5 ℃；高溫級(jí)壓縮機(jī)的效率ηH為0.9，低溫級(jí)CO2壓縮機(jī)效率ηL為0.75。

3 不同制冷劑的循環(huán)性能比較

3.1 冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差和冷凝溫度對(duì)COP的影響

取蒸發(fā)溫度t0為-40 ℃，低溫級(jí)冷凝溫度t4為-18 ℃，tk范圍30～40 ℃，冷凝傳熱溫差Δt分別取3 ℃和5 ℃時(shí)，冷凝溫度tk的變化對(duì)系統(tǒng)COP的影響如圖2，3所示。

圖2 Δt=3 ℃時(shí)tk變化對(duì)系統(tǒng)COP的影響

圖3 Δt=5 ℃時(shí)tk變化對(duì)系統(tǒng)COP的影響

從圖中可以看出，COP隨冷凝溫度呈線性變化。隨冷凝溫度升高，COP逐漸減小，且R290/CO2的COP高于R404A/CO2。比較圖2和圖3中2種冷凝傳熱溫差下的COP，可見Δt為3 ℃時(shí)有更大的COP，即冷凝傳熱溫差越小，系統(tǒng)性能越好，這與賴艷華等在文獻(xiàn)中的研究結(jié)論相同［11］。

3.2 低溫級(jí)循環(huán)的冷凝溫度t4對(duì)COP的影響

冷凝溫度tk為30 ℃，冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差為5 ℃時(shí)，蒸發(fā)溫度 t0分別取 -50，-45 和 -40 ℃，圖4給出R290/CO2和R404A/CO2兩種復(fù)疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)的COP隨低溫級(jí)冷凝溫度的變化情況。從圖中可以看出，存在一個(gè)最佳低溫循環(huán)冷凝溫度t4使得系統(tǒng)COP取得最大值。

圖4 不同蒸發(fā)溫度下COP隨低溫循環(huán)冷凝溫度的變化

隨著低溫循環(huán)冷凝溫度t4的增大，系統(tǒng)COP先增大后減小，R290/CO2的COP比R404A/CO2高。蒸發(fā)溫度越高，COP越大。使得系統(tǒng)COP取得最大值的最佳低溫循環(huán)冷凝溫度t4，隨蒸發(fā)溫度的增加而增大，且R290/CO2循環(huán)的最佳低溫循環(huán)冷凝溫度t4小于R404A/CO2循環(huán)。

從以上結(jié)論中可以看出，不同蒸發(fā)溫度，對(duì)應(yīng)不同的最大COP，定義為COPmax。

3.3 蒸發(fā)溫度t0對(duì)系統(tǒng)COPmax的影響

當(dāng)冷凝溫度為30 ℃，低溫循環(huán)冷凝溫度t4為-18 ℃，冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差為5 ℃時(shí)，系統(tǒng)的COPmax隨蒸發(fā)溫度t0的變化趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 COPmax隨蒸發(fā)溫度的變化

從圖中可以看出COPmax隨蒸發(fā)溫度的升高而呈線性增大的趨勢(shì)，且在其他條件相同的前提下，R290/CO2循環(huán)的COPmax都比R404A/CO2循環(huán)高。

由于復(fù)疊式制冷循環(huán)的目的是獲得較低的蒸發(fā)溫度，在相同的最低蒸發(fā)溫度下，系統(tǒng)COPmax越高，效果越好。因此在相同的設(shè)備及運(yùn)行條件（制冷量）下，R290/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的效果比R404A/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)好，消耗功率少，比較節(jié)能。

4 結(jié)論

（1）CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)中，存在一個(gè)最佳低溫循環(huán)冷凝溫度，使得系統(tǒng)COP取得最大值。

（2）R290/CO2與R404A/CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)相比，前者系統(tǒng)的COP較高，綜合性能更優(yōu)。因此，R290/CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)對(duì)于環(huán)境保護(hù)、節(jié)約能源有著很好的發(fā)展前景。

（3）從蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差對(duì)系統(tǒng)COP的影響分析可知，應(yīng)盡量增大蒸發(fā)溫度、減小冷凝溫度和降低冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差，這也有利于循環(huán)的安全運(yùn)行。

（4）在系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，調(diào)節(jié)參數(shù)的原則是盡量使系統(tǒng)朝著性能提高的方向發(fā)展，如增大t0、減小te和Δt，并選取最佳的低溫循環(huán)冷凝溫度，使系統(tǒng)性能在給定條件下相對(duì)更優(yōu)。

［1］ 馬飆，冀兆良.二氧化碳制冷劑的應(yīng)用研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］.REFRIGERATION，2012，3（31）：36-43．

［2］ W R Kitzmiller.Advantages of CO2-Ammonia system for low-temperatures refrigeration［J］.Power，1932，（1）：92-94.

［3］ Alberto Dopazo J，Jose Fernandez-Seara.Theoretical analysis of a CO2-NH3cascade refrigeration system for cooling applications at low-temperatures［J］.Applied Thermal Engineering，2009，29（8-9）：1577-1583.

［4］ Omid Rezayan，Ali Behbahaninia.Thermoeconamic optimization and energy analysis of CO2/NH3cascade refrigeration system［J］.Energy，2011（36）：888-895.

［5］ 龔毅，侯峰，梁志禮，等.帶回?zé)崞鞯目缗R界CO2制冷系統(tǒng)的試驗(yàn)研究［J］．流體機(jī)械，2011，39（10）：56-60．

［6］ 賴艷華，董震，邵長波，等．R404A與CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的熱力學(xué)分析與優(yōu)化［J］．山東大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2011，41（2）：149-153.

［7］ 寧靜紅，曾凡星.CO2為低溫循環(huán)工質(zhì)的復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的分析比較［J］.熱科學(xué)與技術(shù)，2015，14（2）：155-160.

［8］ Thomas W.Davies，Ottone Caretta.A low carbon，low TEWI refrigeration system design［J］.Applied Thermal Engineering，2004，24（8-9）：1119-1121.

［9］ Bansal P.K，Jain S.Cascade systems：past，present，and future［J］.ASHRAE Trans，2007，113（1）：245-252.

［10］ 王軍.R134a/R744復(fù)疊式制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2015.

［11］ 賴艷華，王慶為，呂明新，等．R404A/ CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的分析［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2011，41（6）：115-121.