郜文靜， 王子龍， 周 穎

（1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和生產(chǎn)需要，高低溫試驗(yàn)箱得到了廣泛應(yīng)用，用來模擬不同的試驗(yàn)環(huán)境，檢驗(yàn)各類元器件對(duì)不同環(huán)境溫度的適應(yīng)性、可靠性和安全性[1]。高低溫試驗(yàn)箱常用復(fù)疊制冷系統(tǒng)來獲取?70～?40 ℃的低溫，這是因?yàn)閱渭?jí)壓縮系統(tǒng)受壓縮比的限制常用于普冷領(lǐng)域，所以，在更低溫的環(huán)境中一般采用復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，將總溫差分割成多段，每段溫區(qū)采用合適的制冷劑，使得低溫區(qū)的循環(huán)蒸發(fā)溫度更低[2-3]。但是，目前試驗(yàn)箱高溫級(jí)循環(huán)的主要工質(zhì)是R404A，其GWP值（全球變暖潛能值）較高，將受到歐盟等相關(guān)法規(guī)的限制而逐步淘汰，所以，對(duì)新型制冷劑的探究在低溫制冷領(lǐng)域顯得非常重要[4]。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)R404A作為制冷工質(zhì)的復(fù)疊系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究。Roy等[5]對(duì) R41/R404A和R170/R161復(fù)疊制冷循環(huán)進(jìn)行了數(shù)值分析，結(jié)果表明，當(dāng)蒸發(fā)溫度從?60 ℃升高至?30 ℃時(shí)，相比R41/R404A的制冷系統(tǒng)而言，R170/R161系統(tǒng)的COP（制冷系數(shù)）提高了6.7%～8.9%，?損失降低了16.2%～13.4%。Sun等[6]分析了R41/R404A和R23/R404A復(fù)疊制冷系統(tǒng)的熱力性能，結(jié)果表明，蒸發(fā)溫度為?60～?30 ℃時(shí)，R41/R404A系統(tǒng)的低壓級(jí)壓縮機(jī)排氣溫度比R23/R404A系統(tǒng)高，但是，R41/R404A系統(tǒng)的最佳COP優(yōu)于R23/R404A系統(tǒng)，最大?效率比R23/R404A系統(tǒng)的高1.4%。文獻(xiàn)[7]從能耗、環(huán)保性、管路尺寸及系統(tǒng)成本等方面對(duì)超市應(yīng)用中的R404A/CO2，R22和R404A制冷系統(tǒng)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，R404A/CO2復(fù)疊系統(tǒng)的能耗比R22，R404A系統(tǒng)低24.7%，15.5%，且對(duì)環(huán)境的影響遠(yuǎn)小于其他2個(gè)系統(tǒng)。賴艷華等[8]利用熵產(chǎn)最小法對(duì)R404A/CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，在最佳中間溫度下，系統(tǒng)的總熵產(chǎn)最小，高、低溫級(jí)壓縮機(jī)、冷凝蒸發(fā)器和高溫級(jí)節(jié)流閥的熵產(chǎn)占總熵產(chǎn)的80%。楊俊蘭等[9]對(duì)R404A/CO2和R290/CO2復(fù)疊系統(tǒng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，R290/CO2系統(tǒng)的COP高于R404A/CO2系統(tǒng)，綜合性能更優(yōu)。寧靜紅等[10]分析了回?zé)崞鲗?duì) R290 /CO2，NH3/CO2，R404A/CO2等 3 種復(fù)疊制冷系統(tǒng)性能的影響，結(jié)果表明，在相同工況下，采用回?zé)嵫h(huán)有利于R290，R404A系統(tǒng)性能的提升，但是，會(huì)對(duì)NH3，CO2系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響。劉寒等[11]基于R404A/R23復(fù)疊制冷系統(tǒng)，研究了蒸發(fā)溫度和冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響，結(jié)果表明，蒸發(fā)溫度下降1 ℃比冷凝溫度上升1 ℃對(duì)系統(tǒng)COP影響更大。

綜上所述，目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于復(fù)疊制冷系統(tǒng)的研究主要集中在不同系統(tǒng)性能的比較，而在高溫級(jí)工質(zhì)R404A的替代方面研究較少。因此，本文對(duì)R404A制冷劑的替代工質(zhì)進(jìn)行了深入探究。結(jié)合國內(nèi)外復(fù)疊制冷系統(tǒng)的研究進(jìn)展[12-13]，選取R455A和R448A來替代R404A作為復(fù)疊制冷系統(tǒng)高溫級(jí)制冷劑，選取R23為低溫級(jí)制冷劑。以高低溫試驗(yàn)箱為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)變工況下的復(fù)疊制冷系統(tǒng)進(jìn)行模擬，分析比較了3種制冷系統(tǒng)在不同工況下的性能優(yōu)劣，結(jié)果可為復(fù)疊系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1 制冷劑物性對(duì)比

制冷劑R448A，R455A和 R404A的組成成分、物性參數(shù)、環(huán)境特性指標(biāo)及安全性如表1所示。R448A和R455A作為HFOs（氫氟烴類）制冷劑，與R404A有著相似的物理性質(zhì)，其ODP值（臭氧消耗潛能值）為0，GWP值較低，能夠改善系統(tǒng)的能效，減少對(duì)環(huán)境的破壞，在替代R404A時(shí)具有一定的優(yōu)勢。

表1 制冷劑物性對(duì)比[18-19]Tab.1 Comparison of physical properties of refrigerants[18-19]

R448A的GWP值為1273，相比R404A降低了67.7%。R448A的臨界溫度比R404A高，所以，壓縮蒸汽所需的能量較低，R448A的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)與R404A相當(dāng)，但溫度滑移較高，是一種非共沸混合工質(zhì)，考慮到該特性，對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)將會(huì)提高能效[14-15]。R448A可作為R404A的替代制冷劑應(yīng)用于商業(yè)制冷、工業(yè)制冷、冷庫、冷藏運(yùn)輸及空氣處理機(jī)組等領(lǐng)域[16]。R455A的GWP值為148，遠(yuǎn)低于R404A和R448A。R455A的臨界溫度高于R404A，在較高的環(huán)境溫度下性能會(huì)更好。R455A可作為R404A的替代制冷劑應(yīng)用于空氣處理機(jī)組等制冷設(shè)備中，但在使用過程中要注意其弱可燃性[17]。

值得注意的是，R455A和R448A在定壓下相變過程中溫度滑移較大，使得蒸發(fā)與冷凝過程的相變溫差減小，從而提高制冷系統(tǒng)的性能。由于滑移溫度的大小會(huì)影響混合工質(zhì)在換熱器出口溫度所在區(qū)域，滑移溫度大的混合工質(zhì)在換熱器的兩相區(qū)換熱，氣體為非過熱狀態(tài)，存在一定的能量損失且液擊現(xiàn)象會(huì)對(duì)壓縮機(jī)產(chǎn)生影響，所以，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大換熱器面積。

2 系統(tǒng)模型及模擬方法

2.1 系統(tǒng)簡介

高低溫試驗(yàn)箱的溫度范圍是?70～150 ℃，當(dāng)設(shè)定溫度為?70～?20 ℃時(shí)，復(fù)疊制冷機(jī)組啟動(dòng)。復(fù)疊系統(tǒng)原理圖如圖1所示。高溫級(jí)用R448A和R455A作為R404A的替代工質(zhì)，低溫級(jí)以R23作為制冷劑。低溫部分制冷劑的冷凝放熱量用于高溫部分制冷劑的蒸發(fā)吸熱，通過冷凝蒸發(fā)器將高溫循環(huán)和低溫循環(huán)連接起來，高、低溫級(jí)均采用泰康壓縮機(jī)CAJ2464Z，以釬焊板式換熱器作為冷凝蒸發(fā)器，采用風(fēng)冷翅片管式冷凝器和蒸發(fā)器，使用毛細(xì)管作為節(jié)流裝置，以減少初投資。

圖1 復(fù)疊式制冷系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of cascade refrigeration system

2.2 系統(tǒng)熱力學(xué)模型

根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒原理建立復(fù)疊制冷系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行理論計(jì)算。復(fù)疊制冷系統(tǒng)理論循環(huán)的壓焓圖如圖2所示。圖2中，1-1′-2′-3-4-4′-5-1 為低溫循環(huán)部分，6-6′-7′-8-9-9′-10-6為高溫循環(huán)部分。

圖2 復(fù)疊式制冷循環(huán)p-h圖Fig.2 p-h diagram of cascade refrigeration cycle

為簡化理論分析的過程，在建立模型的過程中作如下假設(shè)：a.系統(tǒng)在穩(wěn)定工況下運(yùn)行，忽略振動(dòng)和工質(zhì)流動(dòng)的能量損失；b.近似為等熵壓縮過程，等熵效率取0.75；c.忽略工質(zhì)節(jié)流損失以及系統(tǒng)管道內(nèi)的壓降和熱損失。

低溫級(jí)循環(huán)計(jì)算公式為

高溫級(jí)循環(huán)計(jì)算公式為

系統(tǒng)壓縮機(jī)總耗功

系統(tǒng)制冷系數(shù)

式中：Q0為系統(tǒng)制冷量；hi為各狀態(tài)點(diǎn)焓值；qmh，qml為高、低溫循環(huán)的質(zhì)量流量；Wh，Wl為高、低溫級(jí)壓縮機(jī)耗功；Qk為冷凝蒸發(fā)器的熱負(fù)荷；ηeh，ηel為高、低溫級(jí)壓縮機(jī)效率；COPh，COPl為高、低溫級(jí)循環(huán)的制冷系數(shù)。

2.3 數(shù)值計(jì)算方法

本文研究的高低溫試驗(yàn)箱所需冷負(fù)荷Q0=400 W。蒸發(fā)溫度范圍為?70～?20 ℃，冷凝溫度范圍為20～40 ℃，復(fù)疊溫差?t=5 ℃。以高溫級(jí)循環(huán)蒸發(fā)溫度作為中間溫度，低溫級(jí)循環(huán)冷凝溫度則為中間溫度與復(fù)疊溫差之和。復(fù)疊制冷循環(huán)的中間溫度應(yīng)根據(jù)制冷系數(shù)最大或各個(gè)壓縮機(jī)壓比大致相等的原則來確定，前者對(duì)能量利用最經(jīng)濟(jì)，后者對(duì)壓縮機(jī)氣缸工作容積利用率較高，由于中間溫度在一定范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)制冷系數(shù)影響并不大，所以，根據(jù)壓比相等原則采用邁勒普拉薩特公式來確定中間溫度的范圍[20]。

式中：Tm為中間溫度；T0為蒸發(fā)溫度；Tk為冷凝溫度；?T為復(fù)疊溫差。

應(yīng)用Matlab軟件編寫程序，得到高、低溫級(jí)各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)關(guān)系，然后調(diào)用制冷劑熱物性軟件REFPROP中各狀態(tài)點(diǎn)的物性參數(shù)，通過改變蒸發(fā)溫度T0、冷凝溫度Tk、中間溫度Tm以及高、低溫級(jí)過冷度，比較3種不同高溫級(jí)制冷劑的復(fù)疊系統(tǒng)性能的變化。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 低溫級(jí)蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

當(dāng)冷凝溫度為35 ℃時(shí)，R404A/R23，R448A/R23和R455A/R23系統(tǒng)的COP隨蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系如圖3中折線圖所示。由圖3可知，隨著蒸發(fā)溫度升高，3種復(fù)疊系統(tǒng)的COP都逐漸增大。這是因?yàn)楫?dāng)冷凝溫度不變時(shí)，隨著低溫級(jí)蒸發(fā)溫度的上升，低溫級(jí)壓縮機(jī)吸氣壓力升高，壓比減小，所以，低溫級(jí)壓縮機(jī)耗功減小，系統(tǒng)總耗功減小，系統(tǒng)COP增大。蒸發(fā)溫度從?70 ℃升高到?20 ℃，R404A/R23，R448A/R23 和 R455A/R23 復(fù)疊系統(tǒng)的COP分別從0.913升至2.306，0.963升至2.369，0.977升至2.395。由圖3還可知，R455A/R23系統(tǒng)的COP始終高于R448A/R23和R404A/R23系統(tǒng)，R404A/R23系統(tǒng)的COP最低。隨著蒸發(fā)溫度上升，3種系統(tǒng)之間的COP差距逐漸減小，所以，蒸發(fā)溫度越低，制冷劑替代效果越明顯。R455A/R23，R448A/R23系統(tǒng)的COP最大，比R404A/R23系統(tǒng)高6.98%，5.53%。

蒸發(fā)溫度每變化5 ℃時(shí)，系統(tǒng)COP的增長率如圖3中柱狀圖所示。蒸發(fā)溫度越高，COP的增長率越大。其中，R404A/R23系統(tǒng)的COP增長率最高，R455A/R23系統(tǒng)的COP增長率最低。所以，蒸發(fā)溫度對(duì)R404A/R23系統(tǒng)COP的影響較大，對(duì)R455A/R23系統(tǒng)的影響最小。R404A/R23，R448A/R23，R455A/R23系統(tǒng)的COP增長率分別從9.13%升至10.79%，8.77%升至10.55%，8.74%升至10.52%。

圖3 蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)COP和COP變化率的影響Fig.3 Effect of evaporation temperature on COP and the change rate of COP

高、低溫級(jí)壓縮機(jī)耗功隨蒸發(fā)溫度的變化趨勢如圖4中折線圖所示。由圖4可知，隨著蒸發(fā)溫度升高，3種系統(tǒng)高、低溫級(jí)壓縮機(jī)耗功均逐漸減小，系統(tǒng)總耗功減小，且高溫級(jí)耗功明顯高于低溫級(jí)耗功。當(dāng)蒸發(fā)溫度從?70 ℃升到?20 ℃，R404A/R23R，448A/R23，R455A/R23系統(tǒng)的壓縮機(jī)總耗功分別從0.438 kW 降到0.173 kW，0.415 kW降到 0.169 kW，0.410 kW 降到0.167 kW。由圖4 還可知，R404A/R23系統(tǒng)總耗功始終高于R448A/R23系統(tǒng)，R455A/R23系統(tǒng)總耗功最低。蒸發(fā)溫度越高，3種系統(tǒng)總耗功的差距越小，R404A/R23系統(tǒng)總耗功最大，分別比R455A/R23，R448A/R23系統(tǒng)高6.53%，5.24%。

圖4 蒸發(fā)溫度對(duì)壓縮機(jī)耗功和耗功變化率的影響Fig.4 Effect of evaporation temperature on compressor power consumption and the rate of change of power consumption

蒸發(fā)溫度每變化5 ℃時(shí)，高、低溫級(jí)壓縮機(jī)耗功下降率如圖4中柱狀圖所示。隨著蒸發(fā)溫度的上升，3種系統(tǒng)的高、低溫級(jí)耗功和總耗功下降率都逐漸增大。其中，R404A/R23系統(tǒng)的總耗功下降率最大，R455A/R23系統(tǒng)的總耗功下降率最小。高溫級(jí)壓縮機(jī)耗功的變化幅度大于低溫級(jí)壓縮機(jī)。R404A/R23，R448A/R23，R455A/R23系統(tǒng)高溫級(jí)耗功變化率分別從9.59%增至11.45%，9.18%增至11.15%，9.16%增至11.15%。系統(tǒng)低溫級(jí)耗功下降率從6.5%增大到7.82%。

3.2 高溫級(jí)冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

當(dāng)蒸發(fā)溫度為?40 ℃時(shí)，3種復(fù)疊系統(tǒng)的COP隨高溫級(jí)冷凝溫度的變化關(guān)系如圖5中折線圖所示。由圖5可知，3種復(fù)疊系統(tǒng)COP都隨著冷凝溫度的增大而減小。這是由于當(dāng)?shù)蜏丶?jí)蒸發(fā)溫度不變時(shí)，隨著高溫級(jí)冷凝溫度的升高，高溫級(jí)壓縮機(jī)排氣壓力增大，壓比增大，所以，高溫級(jí)壓縮機(jī)耗功增加，系統(tǒng)總耗功增加，系統(tǒng)COP減小。冷凝溫度從20 ℃變化到40 ℃，R404A/R23，R448A/R23和R455A/R23系統(tǒng)的COP分別從2.105降到 1.412，2.147降到 1.475，2.174降到 1.492。由圖5還可知，隨著冷凝溫度升高，R455A/R23，R448A/R23系統(tǒng)的COP最大，比R404A/R23系統(tǒng)高5.7%，4.47%。

圖5 冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)COP和COP變化率的影響Fig.5 Effect of condensation temperature on COP and the change rate of COP

冷凝溫度每變化5 ℃時(shí)，系統(tǒng)COP的下降率如圖5中柱狀圖所示。隨著冷凝溫度的升高，3種復(fù)疊系統(tǒng)的COP下降率均逐漸減小。其中，R404A/R23系統(tǒng)的COP下降率最大，R448A/R23系統(tǒng)的COP下降率最小。R404A/R23，R448A/R23，R455A/R23系統(tǒng)的COP下降率分別從9.69%下降至9.40%，9.28%下降至8.72%，9.30%下降至8.74%。所以，冷凝溫度對(duì)R404A/R23系統(tǒng)COP的影響最大，對(duì)R448A/R23系統(tǒng)COP的影響最小。

高、低溫級(jí)壓縮機(jī)耗功與冷凝溫度的變化關(guān)系曲線如圖6中折線圖所示。由圖6可知，隨著冷凝溫度的升高，高、低溫級(jí)壓縮機(jī)耗功均逐漸增加，系統(tǒng)總耗功增加。冷凝溫度從20 ℃升高到40 ℃，R404A/R23，R448A/R23，R455A/R23 系統(tǒng)的總耗功分別從 0.19 kW 升到 0.283 kW，0.186 kW升到 0.271 kW，0.184 kW 升到 0.268 kW。隨著冷凝溫度上升，R404A/R23系統(tǒng)總耗功始終高于其他2個(gè)系統(tǒng)，R455A/R23系統(tǒng)總耗功最低。隨著冷凝溫度升高，R404A/R23系統(tǒng)的總耗功最大，分別比R455A/R23和R448A/R23系統(tǒng)高5.36%，4.25%。

圖6 冷凝溫度對(duì)壓縮機(jī)耗功和耗功變化率的影響Fig.6 Effect of condensing temperature on power consumption and power consumption change rate of compressor

冷凝溫度每變化5 ℃時(shí)，高、低溫級(jí)壓縮機(jī)耗功上升率如圖6中柱狀圖所示。隨著冷凝溫度的升高，3種系統(tǒng)的高、低溫級(jí)耗功和總耗功上升率都逐漸減小。其中，R404A/R23系統(tǒng)總耗功上升率最大，R448A/R23系統(tǒng)總耗功下降率最小。R404A/R23，R448A/R23，R455A/R23系統(tǒng)高溫級(jí)耗功變化率分別從10.73%降到10.34%，10.23%降到9.55%，10.25%增至9.58%。系統(tǒng)低溫級(jí)耗功下降率從9.34%降到8.21%。

3.3 中間溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

在蒸發(fā)溫度為-40 ℃，冷凝溫度為35 ℃，冷凝蒸發(fā)器的傳熱溫差為5 ℃的工況下，3種復(fù)疊系統(tǒng)的COP隨中間溫度的變化曲線如圖7所示。由圖7可知，隨著中間溫度的升高，3種系統(tǒng)的COP均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且存在一個(gè)最佳中間溫度使得COP達(dá)到最大值。這是因?yàn)殡S著中間溫度即高溫級(jí)蒸發(fā)溫度增大，高溫級(jí)壓縮機(jī)壓比減小，所以，高溫級(jí)壓縮機(jī)耗功減小；低溫級(jí)冷凝溫度隨著中間溫度的增大而增大，低溫級(jí)壓縮機(jī)壓比增大，所以，低溫級(jí)壓縮機(jī)耗功增加。當(dāng)中間溫度較低時(shí)，高溫級(jí)壓縮機(jī)減少的功耗大于低溫級(jí)壓縮機(jī)增加的功耗，所以，系統(tǒng)COP逐漸增大，直到在某一點(diǎn)達(dá)到最大值；之后隨著中間溫度的增加，高溫級(jí)壓縮機(jī)減少的功耗小于低溫級(jí)壓縮機(jī)增加的功耗，系統(tǒng)COP減小。

圖7 中間溫度對(duì)系統(tǒng)COP的影響Fig.7 Effect of interstage temperature on COP

對(duì)比3種系統(tǒng)的性能系數(shù)，R404A/R23，R448A/R23，R455A/R23系統(tǒng)的COP分別在中間溫度為?10.5，?14，?15 ℃ 時(shí)達(dá)到最大值，對(duì)應(yīng)的最佳COP分別為1.5616，1.6324，1.6564。其中，R455A/R23系統(tǒng)的最佳COP分別比R448A/R23，R404A/R23系統(tǒng)高1.47%，6.07%，R448A/R23系統(tǒng)的最佳COP比R404A/R23系統(tǒng)高4.53%。

冷凝溫度為35 ℃時(shí)，系統(tǒng)的最佳中間溫度以及最佳COP隨蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可知，隨著蒸發(fā)溫度的升高，3種復(fù)疊系統(tǒng)的最佳中間溫度都逐漸增大，最佳COP也逐漸增大。這主要是因?yàn)楫?dāng)蒸發(fā)溫度上升時(shí)，低溫級(jí)壓縮機(jī)入口處的密度增加，質(zhì)量流量增大。雖然低溫循環(huán)的單位質(zhì)量制熱量減小，但其質(zhì)量流量增加幅度更大，所以，低溫循環(huán)在中間換熱器內(nèi)換熱量增加。高溫循環(huán)為滿足相同的換熱量，應(yīng)提高中間溫度。由圖8和圖9還可知，在不同的蒸發(fā)溫度下，R455A/R23系統(tǒng)的最佳中間溫度最低，最佳COP最大；R404A/R23系統(tǒng)的最佳中間溫度最高，最佳COP最小。蒸發(fā)溫度從?70 ℃ 升到?20 ℃，R404A/R23，R448A/R23，R455A/R23系統(tǒng)的最佳中間溫度分別從?21.5 ℃增大到?3 ℃，?27 ℃ 增大到?5.5 ℃，?28 ℃ 增大到?6 ℃，最佳COP分別從0.916增大到2.348，0.964增大到 2.447，0.978增大到 2.485。R455A/R23，R448A/R23系統(tǒng)的最佳COP最大，分別比R404A/R23系統(tǒng)高6.77%，5.25%。

圖8 蒸發(fā)溫度對(duì)最佳中間溫度的影響Fig.8 Effect of evaporation temperature on optimum interstage temperature

圖9 蒸發(fā)溫度對(duì)最佳COP的影響Fig.9 Effect of evaporation temperature on optimum COP

3.4 高溫級(jí)過冷度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

通過在高溫級(jí)設(shè)置回?zé)崞鲗?shí)現(xiàn)過冷。冷凝溫度為35 ℃時(shí)，不同蒸發(fā)溫度下3種復(fù)疊系統(tǒng)的COP隨高溫級(jí)過冷度的變化趨勢如圖10所示。由圖10可知，在同一高溫級(jí)過冷度下，蒸發(fā)溫度越高，系統(tǒng)COP越大。在同一蒸發(fā)溫度下，3種不同高溫工質(zhì)系統(tǒng)的COP均隨高溫級(jí)過冷度的增大而增大。這是因?yàn)楦邷丶?jí)過冷度增大會(huì)使高溫級(jí)單位質(zhì)量制冷量增加，但同時(shí)回?zé)徇^熱度也會(huì)增大，使壓縮機(jī)吸氣口比體積增大，質(zhì)量流量減少，還會(huì)導(dǎo)致高溫級(jí)單位耗功增加，但是，單位理論功的增加幅度小于質(zhì)量流量的減小幅度，所以高溫級(jí)壓縮機(jī)耗功減少，系統(tǒng)總耗功減少，系統(tǒng)COP增大。

圖10 不同蒸發(fā)溫度下高溫級(jí)過冷度對(duì)系統(tǒng)COP的影響Fig.10 Effect of high temperature stage subcooling on COP of cascade system at different evaporation temperatures

高溫級(jí)采用的制冷劑不同，回?zé)徇^冷度對(duì)其性能的影響程度也不同[21]。隨著高溫級(jí)過冷度的增大，R404A/R23系統(tǒng)COP的增大幅度最明顯，所以，高溫級(jí)過冷度對(duì)R404A/R23系統(tǒng)的影響最大，對(duì)R448A/R23系統(tǒng)的影響最小。這是因?yàn)殡S著高溫級(jí)過冷度的增大，高溫級(jí)單位質(zhì)量制冷量的增長率大于單位理論功的增長率，在R404A/R23系統(tǒng)中兩者的差值最大，而在R448A/R23系統(tǒng)中兩者差值最小。所以，R404A/R23系統(tǒng)COP的增長幅度最大，R448A/R23系統(tǒng)COP的增長幅度最小。經(jīng)計(jì)算可得，在蒸發(fā)溫度為?40 ℃時(shí)，高溫級(jí)過冷度每提高1 ℃，R404A/R23，R448A/R23，R455A/R23系統(tǒng)COP的平均增長率約為0.1568%，0.0222%，0.0415%。理論分析顯示，高溫級(jí)過冷是對(duì)制冷循環(huán)有利的，可以使系統(tǒng)制冷系數(shù)增大，相同制冷量時(shí)壓縮機(jī)耗功減少，能耗下降，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能。但并不是過冷度越大越好，因?yàn)?，過冷度的增大需要以增大回?zé)崞鞯拿娣e為代價(jià)，增加了設(shè)備的費(fèi)用。因此，為了既能滿足一定的過冷度，又能提高性價(jià)比，實(shí)際一般取3～5 ℃的過冷度。

3.5 低溫級(jí)回?zé)徇^冷度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

比較不同蒸發(fā)溫度下3種復(fù)疊系統(tǒng)的COP隨低溫級(jí)過冷度的變化趨勢，如圖11所示。在同一蒸發(fā)溫度下，3種系統(tǒng)的COP均隨低溫級(jí)過冷度的增大而減小。這是因?yàn)殡S著低溫級(jí)過冷度的增大，低溫級(jí)回?zé)徇^熱度也增大，且由于液體的比熱容始終大于氣體的比熱容，回?zé)徇^熱度始終大于回?zé)徇^冷度。根據(jù)能量守恒定律，低溫級(jí)壓縮機(jī)單位耗功增加，質(zhì)量流量減少，且單位理論功增加幅度大于質(zhì)量流量增加幅度，所以，低溫級(jí)壓縮機(jī)耗功增加，系統(tǒng)總耗功增加，系統(tǒng)性能下降。R455A/R23系統(tǒng)COP的下降幅度最大，R404A/R23系統(tǒng)COP的下降幅度最小。經(jīng)計(jì)算可得，蒸發(fā)溫度為?40 ℃時(shí)，低溫級(jí)過冷度每提高1 ℃，R404A/R23，R448A/R23，R455A/R23系統(tǒng)的COP平均下降率約為0.1161%，0.119%，0.12%。所以，對(duì)于R23作為低溫級(jí)制冷劑的復(fù)疊系統(tǒng)，在低溫級(jí)增加回?zé)徇^冷度對(duì)系統(tǒng)性能會(huì)產(chǎn)生不利影響。

圖11 不同蒸發(fā)溫度下低溫級(jí)過冷度對(duì)系統(tǒng)COP的影響Fig.11 Effect of low temperature stage subcooling on COP of cascade system at different evaporation temperatures

4 結(jié) 論

通過建立復(fù)疊制冷系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，研究究了低溫級(jí)蒸發(fā)溫度、高溫級(jí)冷凝溫度、中間溫度以及高、低溫級(jí)過冷度對(duì)R455A/R23，R448A/R23，R404A/R23這3種復(fù)疊制冷系統(tǒng)性能的影響，得出以下結(jié)論：

a.隨著低溫級(jí)蒸發(fā)溫度的升高，R455A/R23，R448A/R23系統(tǒng)的COP最大比R404A/R23系統(tǒng)高6.98%，5.53%。R404A/R23系統(tǒng)COP的增長幅度最大，R455A/R23系統(tǒng)COP的增長幅度最小。

b.隨著高溫級(jí)冷凝溫度升高，R455A/R23，R448A/R23系統(tǒng)的COP最大比R404A/R23系統(tǒng)高5.7%，4.47%。R404A/R23系統(tǒng)COP的下降幅度最大，R448A/R23系統(tǒng)COP的下降幅度最小。

c.復(fù)疊制冷系統(tǒng)存在最佳中間溫度，使得COP達(dá)到最大值。R455A/R23系統(tǒng)的最佳中間溫度低于R404A/R23和R448A/R23系統(tǒng)，R455A/R23和R448A/R23系統(tǒng)的最佳COP最大，分別比R404A/R23系統(tǒng)高6.77%，5.25%。

d.隨著高溫級(jí)過冷度的增大，3種復(fù)疊系統(tǒng)的COP均逐漸增大。R404A/R23系統(tǒng)COP的增加幅度最大，R448A/R23系統(tǒng)COP的增加幅度最小。隨著低溫級(jí)過冷度的增大，3種復(fù)疊系統(tǒng)的COP均逐漸減小，R404A/R23系統(tǒng)COP的下降幅度最小，R455A/R23系統(tǒng)COP的下降幅度最大。

e.R448A/R23和 R455A/R23系統(tǒng)性能相近，相比于R404A制冷劑，采用R448A和R455A作為高溫工質(zhì)的復(fù)疊制冷系統(tǒng)性能更好，可以提高系統(tǒng)能效，具有良好的應(yīng)用前景。但R448A和R455A在定壓相變過程中存在溫度滑移，尤其是R455A，要實(shí)現(xiàn)與R404A系統(tǒng)相同的制冷量和性能系數(shù)，需要優(yōu)化制冷劑流動(dòng)設(shè)計(jì)，增加系統(tǒng)換熱器的傳熱面積，或者采用高性能的傳熱材料以提高傳熱效率。