馬星星 ，朱生林 ，謝 晶 ，2，3，王金鋒 ，2，3

（1.上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海 201306；2.上海冷鏈裝備性能與節(jié)能評價(jià)專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺，上海 201306；3.食品科學(xué)與工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（上海海洋大學(xué)），上海 201306）

0 引言

制冷劑排放對環(huán)境的影響在國際上的關(guān)注日益增加［1］。制冷劑R22被應(yīng)用在空調(diào)、熱泵和冷庫等制冷行業(yè)，但R22對臭氧層產(chǎn)生破壞且全球溫室效應(yīng)高［2］。R22的使用被《蒙特利利爾議定書》和《京都議定書》及一系列協(xié)議約定限定，發(fā)達(dá)國家要在2020年之前淘汰R22，發(fā)展中國家要在2030年完成對R22的淘汰［3］，因此尋找替代R22合適的制冷劑一直是國際研究的熱點(diǎn)［4］。

在制冷劑替代研究中，許多研究是從理論循環(huán)、傳熱特性及壓降特性等角度進(jìn)行分析，基于熱力學(xué)第一定律，停留在能量“量”的方面［5］，但是由于熱力學(xué)第一定律沒有考慮系統(tǒng)中的環(huán)境特性和系統(tǒng)過程中的不可逆性，從而沒考慮系統(tǒng)在運(yùn)行中能量“質(zhì)”的變化，因此僅以熱力學(xué)第一定律對系統(tǒng)分析存在缺陷，為了使得對系統(tǒng)的性能分析更加全面，提出對系統(tǒng)進(jìn)行?分析［6］，在對系統(tǒng)?分析過程中，運(yùn)用了能量和質(zhì)量守恒原理及熱力學(xué)第二定律，因此可對系統(tǒng)的改進(jìn)潛力及性能有效的揭示［7］。與能量分析相比，?分析是更合理及更全面的評估系統(tǒng)性能的指標(biāo)［8］。

隨著環(huán)境問題的日益突出，船上廣泛使用的R22制冷劑將逐步被淘汰，使用更加環(huán)保的船用制冷劑已經(jīng)成為必然的發(fā)展趨勢。對現(xiàn)行船舶使用的R22制冷系統(tǒng)改造研究分為兩個(gè)方向：一是使用自然制冷劑，如R290，R600a和R744等，需要將整個(gè)制冷系統(tǒng)全部更換，以滿足自然制冷劑的要求，導(dǎo)致制冷系統(tǒng)的改造成本過高，并且自然工質(zhì)存在易燃、有毒和系統(tǒng)壓力過高等缺點(diǎn)限制了其發(fā)展；另一方向是使用合成制冷劑，如R410A，R407C，R32 和 R134a等［9-10］，僅需更換系統(tǒng)使用的制冷劑，大大降低了制冷系統(tǒng)的改造成本。其中R407C是替代R22呼聲最高的制冷劑，且在市場上應(yīng)用最廣泛的制冷劑之一［11-13］，但是在船用制冷系統(tǒng)改造中的應(yīng)用是否具有優(yōu)勢，需要進(jìn)一步分析確定。

與R22相比，R448A和R450A有更低的GWP值［14］，在船舶制冷系統(tǒng)的改造中有巨大潛力。本文選擇對R448A和R450A在船舶制冷系統(tǒng)中替代R22進(jìn)行?分析。與R407C相對比，從能量“質(zhì)”的方面分析了R448A和R450A替代R22的可行性。

1 制冷劑及系統(tǒng)

1.1 制冷劑

R448A是由R32，R125，R134a，R1234yf和R1234ze（E）組成的五元非共沸制冷劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26%，26%，20%，21%，7%，R450A是由R1234ze（E）和R134a組成的二元非共沸制冷劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58%和42%。R448A，R450A，R407C和R22的基本熱力參數(shù)見表1［15-19］。

表1 R448A、R450A、R407C和R22的基本熱力參數(shù)Tab.1 Basic thermal physical properties of R448A，R450A，R407C and R22

從表1可看出，與R22和R407C相比，R448A和R450A的臨界壓力和臨界溫度相差較小；R448A和R450A安全等級都為A1，A1為不可燃；R448A和R450A的ODP都為零，不會破壞臭氧層，且GWP低于R22和R407C，因此R448A和R450A的在對環(huán)境影響方面有優(yōu)勢。

1.2 制冷系統(tǒng)

某公司的船舶冷庫制冷系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)主要部件為壓縮機(jī)、冷凝器、熱力膨脹閥及蒸發(fā)器。系統(tǒng)以R22為制冷劑，且其運(yùn)行時(shí)冷凝溫度為40 ℃，蒸發(fā)溫度為-35 ℃，冷庫溫度為-30 ℃，船上溫度取 32 ℃［20］，系統(tǒng)需要的制冷量為28.7 kW。

圖1 船舶冷庫制冷系統(tǒng)Fig.1 Refrigeration system diagram of marine cold storage

2 能量分析及?分析

對船舶冷庫制冷系統(tǒng)使用制冷劑R448A，R450A，R407C和R22時(shí)進(jìn)行能量和?分析，比較使用不同制冷劑系統(tǒng)的性能。主要分析的系統(tǒng)部件為壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、熱力膨脹閥，R22，R407C，R448A 和 R450A 的制冷循環(huán)壓焓曲線如圖2所示。分析過程中，忽略了一些其他因素，將其建立在以下假設(shè)的基礎(chǔ)上［21］：（1）每個(gè)組件都處于穩(wěn)定的狀態(tài)；（2）每個(gè)組件進(jìn)出口之間流體的勢能和動能變化忽略不計(jì)；（3）制冷劑的參考狀態(tài)條件為T0=298 K和壓力為P0=1.01×105Pa；（4）管內(nèi)的?損失忽略不計(jì)；（5）壓縮機(jī)壓縮過程是不可逆的且考慮壓縮機(jī)等熵效率，熱力膨脹閥為等焓膨脹，蒸發(fā)器和冷凝器出口流體為飽和狀態(tài)。在計(jì)算過程中所需的制冷劑參數(shù)可從Refprop9.0數(shù)據(jù)庫中獲取。

圖2 R22，R407C，R448A和R450A船舶冷庫制冷循環(huán)壓焓曲線Fig.2 Pressure-enthalpy diagram of marine cold storage refrigeration cycle using R22，R407C，R448A and R450A

在能量分析中，COP是最常用于評估制冷系統(tǒng)效率［22］。制冷系數(shù)COP是一種評定相同熱源溫度下循環(huán)經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)，制冷系數(shù)越大，系統(tǒng)循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性越好。因此，COP可作為重要的衡量替代制冷劑可行性的標(biāo)準(zhǔn)。其表達(dá)式：

式中Q——制冷量，kW；

W——壓縮機(jī)功耗，kW。

Q和W表達(dá)式為：

式中m——制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；

h1，h2——壓縮機(jī)的入口、出口焓值，kJ/kg；

h4——蒸發(fā)器入口焓值，kJ/kg。

壓縮機(jī)出口實(shí)際焓值計(jì)算表達(dá)式［23］：

式中h2s——壓縮機(jī)理論出口焓值，kJ/kg；

ηs——壓縮機(jī)等熵效率。

等熵效率表達(dá)式［24］：

式中P1，P2——壓縮機(jī)入口、出口壓力，MPa。

?可衡量系統(tǒng)偏離給定狀態(tài)和參考狀態(tài)程度，通過?可更加全面的分析系統(tǒng)效率。在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，會因系統(tǒng)中不可逆性消耗部分?，被消耗的?稱為系統(tǒng)內(nèi)部?損失，因此系統(tǒng)的輸出處的?比輸入口的?小。所以?平衡的一般表達(dá)式為：

式中Ein，Eout——系統(tǒng)入口處和出口處的總?，kJ/kg；

Edest——系統(tǒng)的總?損失，kJ/kg。

式（6）寫成系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)過程的?平衡表達(dá)式為：

式中e——分別是制冷劑?值，kJ/kg；

Q——換熱量，kW；

Tb——熱量通過的邊界溫度，K；

W——系統(tǒng)的功率，kW。

制冷系統(tǒng)中制冷劑的?值e表示為：

式中h0——制冷劑參考狀態(tài)時(shí)的焓值，kJ/kg；

S0——制冷劑參考狀態(tài)時(shí)的熵值，kJ/（kg·K）。

對于比較系統(tǒng)的效率，?效率是一個(gè)非常有意義的一個(gè)指標(biāo)，其表達(dá)式為：

式中Eeff——系統(tǒng)的?效率。

制冷劑循環(huán)所需要的功率即壓縮機(jī)功耗，因此效率表達(dá)式也可為：

可逆過程，?效率為1，不可逆過程?效率則小于1。

對圖1船舶冷庫制冷系統(tǒng)主要部件進(jìn)行?損失計(jì)算。

壓縮機(jī)：

式中S2，S1——壓縮機(jī)出口處、入口處制冷劑的熵值，kJ/（kg·K）。

蒸發(fā)器：

式中Tb,evap——蒸發(fā)器傳熱邊界溫度，K；

h4——蒸發(fā)器入口焓，kJ/kg；

S4——蒸發(fā)器入口的熵，kJ/（kg·K）；

h1——壓縮機(jī)入口的焓，kJ/kg；

Q——蒸發(fā)器換熱量，kW。

熱力膨脹閥：

式中S3——熱力膨脹閥入口熵，kJ/（kg·K）。

冷凝器：

式中h3——冷凝器出口焓，kJ/kg；

Q——冷凝器換熱量，kW；

Tb,cond——冷凝器傳熱邊界溫度，K。

系統(tǒng)總?損失可表示為：

3 結(jié)果與討論

3.1 制冷系數(shù)

制冷系數(shù)是最常用于制冷系統(tǒng)能量性能分析參數(shù)之一。系統(tǒng)在相同的熱源溫度下，制冷系數(shù)越大，系統(tǒng)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)性越好。將R22，R407C，R448A和R450A作為制冷劑在船舶冷庫制冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的制冷系數(shù)，作為判斷R448A和R450A替代R22的可行性的指標(biāo)之一。由圖3可知，R407C，R448A和R450A制冷系數(shù)分別為R22的77.59%，78.68%和97.05%。其中R450A與R22的COP接近，僅小2.95%。而R448A的COP比R22約小11.32%，但比R407C大1.41%。因此，通過比較制冷系數(shù)，R448A和R450A是可作為R22的替代制冷劑，其中R450A更合適。

圖3 R22，R407C，R448A和R450A制冷系數(shù)Fig.3 Refrigeration coefficient of R22，R407C，R448A and R450A

3.2 ?損失

?是基于熱力學(xué)第二定律，從能量“質(zhì)”的方面對制冷系統(tǒng)運(yùn)行性能進(jìn)行評估的指標(biāo)。通過比較R22，R407C，R448A和R450A作為系統(tǒng)制冷劑時(shí)的?損失，得到在不可逆過程中的能量損失（如圖4所示），從而判斷R448A和R450A替代R22的可行性。從中圖可得出，R407C，R448A和R450A的總?損失都比R22高，分別高48.52%，45.51% 和 30.90%。R407C，R448A和 R450A的?損失與R22差距較大，主要原因之一是此系統(tǒng)是針對使用R22為制冷劑進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用了適合R22的組件，特別在壓縮機(jī)和熱膨脹閥處，從圖5中可以看出，R22，R407C，R448A 和 R450A 在壓縮機(jī)和熱力膨脹閥處的?損失為?損失的主要部分，分別占 70.47%，75.62%，75.33%，81.88%。而R407C，R448A和R450A在壓縮機(jī)和熱力膨脹閥處的?損失比R22，分別高出56.64%，55.54%和52.09%，所以使得R22總?損失更小。制冷劑的物理性質(zhì)對系統(tǒng)的?損失也會有一定的影響，由于R407C，R448A和R450A冷凝壓力和蒸發(fā)壓力之比較大，分別比R22高37.31%，27.62%和34.57%，導(dǎo)致R407C，R448A和R450A在熱力膨脹閥和壓縮機(jī)處的?損失比R22高。因此，通過?損失的對比，R450A相對更合適替代R22，R448A?損失雖然比R407C小，但與R22有較大的差距。對于制冷系統(tǒng)優(yōu)化，可通過選擇適合其工質(zhì)的壓縮機(jī)和節(jié)流裝置可大大地減少?損失。

圖4 R22，R407C，R448A和R450A制冷系統(tǒng)總?損失Fig.4 Total exergy loss of R22，R407C，R448A and R450A refrigeration system

圖5 R22，R407C，R448A和R450A制冷系統(tǒng)各組件?損失Fig.5 Exergy loss of each component of the R22，R407C，R448A and R450A refrigeration systems

3.3 ?效率

?效率可衡量系統(tǒng)對能量利用率的重要參數(shù)，?效率越高，能量利用率越高，能量損失越小。對于制冷系統(tǒng)，選擇合適的制冷劑，提高?效率，減少能源損失，從而減少對環(huán)境的影響。從圖 6可發(fā)現(xiàn)，R22，R407C，R448A 和 R450A 在船舶冷庫制冷系統(tǒng)運(yùn)行的?效率，R407C，R448A和R450A的?效率分別為R22的78.82%，79.85%和85.31%。從圖7可見，R407C，R448A和R450A在壓縮機(jī)和熱力膨脹閥處的?效率與R22有較大的差距，由于R407C，R448A和R450A在壓縮機(jī)和熱力膨脹閥處的?損失與R22有較大的差距。而在冷凝器和蒸發(fā)器中，R22，R407C，R448A和R450A的?效率都較低，冷凝器和蒸發(fā)器主要是傳熱?損失，主要由制冷劑和空氣之間的溫差引起，溫差越大?損失越大，而冷凝器的?效率比蒸發(fā)器低，主要是由于在冷凝器中，制冷劑傳給空氣的熱量沒有被利用導(dǎo)致?效率低。對R22的替代，R448A和R450A的?效率都比R407C高，但比R22低。其中R450A與R22?效率更加接近，因此，R450A更合適替代R22。對于制冷系統(tǒng)的優(yōu)化，可通過強(qiáng)化蒸發(fā)器和冷凝器換熱和減小傳熱溫差，選擇合適制冷劑的壓縮機(jī)和熱力膨脹閥來提高系統(tǒng)?效率。

圖6 R22，R407C，R448A和R450A制冷系統(tǒng)?效率Fig.6 Exergy efficiency of R22，R407C，R448A and R450A refrigeration systems

圖7 R22，R407C，R448A和R450A制冷劑系統(tǒng)各組件?效率Fig.7 Exergy efficiency of each component of the R22，R407C，R448A and R450A refrigeration systems

4 結(jié)論

（1）R450A的COP、?損失和?效率和R407C相比，有較為顯著的優(yōu)勢，且其COP和?效率與R22更加接近。因此，R450A更加適合成為R22的替代制冷劑。

（2）R448A的COP、?損失和?效率與R407C相比，優(yōu)勢不顯著，且與R22相比，其性能有著較大的差距。因此，R448A成為R22的替代制冷劑會導(dǎo)致較大的能量損失，替代R22的意義不大。

（3）在制冷劑分別為 R22、R407C、R448A 和R450A的船舶冷庫制冷系統(tǒng)中，壓縮機(jī)和熱力膨脹閥中的?損失為總?損失的主要部分。后續(xù)可進(jìn)一步改善壓縮機(jī)和熱力膨脹閥，同時(shí)強(qiáng)化蒸發(fā)器和冷凝器的換熱，以進(jìn)一步減少系統(tǒng)?損失和提高系統(tǒng)?效率。