NH3/CO2复叠式制冷循环的分析与优化

2013-08-11靳光亚谢英柏刘春涛

电力科学与工程 2013年1期

靳光亚，谢英柏，刘春涛

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定 071003)

0 引言

蒸气压缩式制冷循环广泛应用于工业和商业制冷中，但是当要制取较低的温度时，一般的单级蒸气压缩式制冷循环已经不能满足要求，因为很难找到一种工质，能够既满足适中的冷凝压力，又满足较低的蒸发压力。所以，复叠式制冷循环被广泛应用于中低温领域。

由于传统复叠循环使用的氟利昂工质将面临淘汰，使用对环境没有任何副作用的天然工质，是未来的发展趋势[1，2]。一旦各方面技术成熟，－40～－80℃温度区间的低温领域普遍采用的常规工质R22/R13(CHF2Cl/CF3Cl)复叠式制冷循环和NH3双级压缩制冷循环，完全可以用天然工质NH3/CO2复叠式制冷循环来替代[3－7]。这样不仅杜绝了CFCs工质对臭氧层的破坏，而且减少了NH3系统的充灌量，减小了系统尺寸，提升了系统安全。因此，研究开发NH3/CO2复叠式制冷循环有着巨大的经济效益和社会意义。

1 基本循环及热力学模型

NH3/CO2复叠式制冷循环由NH3高温级制冷循环和CO2低温级制冷循环叠加而成，两个独立的制冷系统通过蒸发－冷凝器 (中间换热器)耦合起来，新系统既能满足在较低蒸发温度下蒸发时合适的蒸发温度，又可以满足在环境温度下冷凝时适中的冷凝压力。系统流程及对应的循环p－h图如图1所示。

图中1～4为低温级CO2带节流阀制冷循环，5～8为高温级带节流阀制冷循环。因为低温级的放热过程 (图中2～3过程)和高温级的吸热过程(图中5～8过程)发生在蒸发－冷凝器中，而且，换热过程与环境没有热交换。因此可以认为，高温级循环的蒸发负荷与低温级循环的冷凝负荷相等，蒸发－冷凝器中的传热温差Δt一般取5～8℃。

图1 NH3/CO2复叠式制冷循环Fig.1 The p － h diagram of NH3/CO2cascade refrigeration cycle

分析前作如下假设:(1)系统循环处于稳态;(2)高、低温级的压缩过程均为绝热非等熵过程;(3)换热器与环境无热交换;(4)压缩机吸入口状态点在饱和蒸气线上;(5)忽略工质节流损失及压力损失;(6)蒸发－冷凝器中的传热温差Δt取5℃;(7)压缩机等熵效率取0.8。

热力学模型如下:

低温级循环CO2质量流量为mc，高温级循环NH3质量流量为ma，由能量守恒则

系统循环制冷量:

高温级与低温级工质的质量流量比 (Mass Flow Ratio):

式中:ηc，ηa分别为压缩机L和压缩机H的等熵效率[7];hi为各状态点的焓值 (i代表图1中的各状态点)。

基于以上的理论计算公式和初始假设条件，采用EES软件进行编程计算。

蒸发－冷凝器的平均温度或称中间温度Tm，不是一个固定值。低温级CO2的冷凝温度越低，则低温级的COP越大，而高温级NH3的COP越小。因此，必然存在一个最佳中间温度Tm，opt，使整个系统的COP最大。在复叠式制冷系统中，Tm的选择直接影响系统的效率。对于Tm的选取，一般有两种选择，即使制冷系统的COP最大或使两级压缩机的耗功最小。本文按照COP最大的原则来确定最佳中间温度。

2 性能分析

图2示出了当高温级冷凝温度Tc=30℃、低温级蒸发温度Te=－35℃时，NH3/CO2复叠式制冷循环的COP和W随蒸发－冷凝器的中间温度Tm变化的趋势。从图上可以看出，在Tm=－21.5℃时，循环COP随Tm变化取得唯一最大值COPmax，为2.136。在最优中间温度的±6℃范围内，性能系数下降很小，仅为1.5%，这个特性也为NH3/CO2复叠式制冷系统的设计与运行增加了弹性操作空间。

图2 复叠循环的COP和W随Tm变化的趋势Fig.2 Variation of COP and W with Tm

图3给出了随着低温级蒸发温度Te的不同，最优中间温度Tm，opt(取得最大COP)和最省功中间温度Tm，w(压缩机耗功最低)变化的趋势。蒸发温度越高，最优中间温度和最省功中间温度也升高，呈线性变化。图中还给出了最优中间温度和最省功中间温度所对应的COP值随Te变化的趋势。可以看出，二者都随Te增加而增加，而且在－40～－50℃温度区间内差别很小，可以忽略不计。因此，在设计NH3/CO2复叠系统时，要根据蒸发温度的大小设置合适的蒸发－冷凝器的中间温度，使系统在最优状态下运行。

图3 Tm，opt和 Tm，w随 Te 变化的趋势Fig.3 Variation of Tm，optand Tm，wwith Te

通过计算可知，NH3/CO2复叠式制冷循环在同一高温级冷凝温度下，COP和W随Tm变化的趋势与图2一致。当冷凝温度改变时，循环的COP和W也改变，冷凝温度越低，循环的COP越高，W越低，排气温度也降低。而最优Tm随冷凝温度的增加也是基本呈线性增加，变化趋势与图3一致。需要注意的是，NH3工质的蒸发压力很低，对应的比容较大，需要的压缩机排量很大，对于活塞式制冷压缩机的循环，压比一般不能超过10，吸气压力不能低于0.015MPa。当高温级冷凝温度为40℃，Tm为－6℃时，压比约4.5，高温级排气温度已经超过200℃。因此，鉴于安全方面的考虑，对于高温级NH3系统运行，最好有独立机房，并远离公众。

3 NH3/CO2复叠式制冷循环优化

比起R22/R13复叠式制冷循环，基本NH3/CO2复叠式制冷循环的性能系数偏低，使用膨胀机代替节流阀，回收膨胀功并增加部分制冷量，低温级增加回热器，使蒸发－冷凝器出口液体过冷，能够有效提升循环性能。有回热带膨胀机的NH3/CO2复叠式制冷循环p－h图如图4所示。

图4 有回热带膨胀机NH3/CO2复叠式制冷循环Fig.4 The p －h diagram of NH3/CO2cascade expander cycle with heat regenerator

分析前作相应假设，并建立热力学模型，基于理论计算公式和初始假设条件，进行编程计算。并将结果与基本NH3/CO2复叠式制冷循环、R22/R13复叠式制冷循环及NH3双级压缩循环进行分析对比。

图5给出了高温级冷凝温度一定时，基本NH3/CO2(R717/R744)复叠式制冷循环、R22/R13复叠式制冷循环、NH3双级压缩循环 (R717 D－SC)及带膨胀机NH3/CO2复叠式制冷循环(R717/R744－E)的理论最优COPmax随蒸发温度的变化趋势。可以看出，在－40～－50℃的蒸发温度区间内，4种循环的COPmax变化规律相似，都随蒸发温度的升高而线性增加。其中以带膨胀机NH3/CO2复叠式制冷循环的COP最高，其次为NH3双级压缩循环，二者均优于R22/R13复叠式制冷循环。从性能、环保和安全方面考虑，完全可以采用带膨胀机R717/R744复叠式制冷代替传统工质。

图5 4种循环的COPmax随Te的变化趋势Fig.5 Variation of COPmaxwith evaporation temperature for four different cycles

图6表明，随蒸发温度的提高，最优COP对应的最优高、低温级工质的质量流量比 (Mass Flow Ratio，MFR)均为缓慢下降趋势，且基本是线性变化。基本NH3/CO2循环的两极流量相差最为悬殊，低温级CO2流量约为高温级NH3流量的5倍，虽然COP小于传统工质，但CO2在低温时的压力较高，比容变化不大，运动粘度较低，其实际效率较高，这一特性为系统匹配提供了参考。最优COP对应的最优蒸发－冷凝器中间温度Tm，opt随蒸发温度变化的规律，如图7所示。

图6 最优MFR随Te的变化趋势Fig.6 Variation of MFRoptwith Te

图7 Tm，opt随 Te 变化的趋势Fig.7 Variation of Tm，optwith Te

从图8可以看出，当高温级冷凝温度Tc=30℃，低温级蒸发温度Te=－35℃，带膨胀机复叠式制冷循环的COP和单位质量制冷量增量比 (Quotient of Difference，QOD)都随CO2低温级循环过冷度 (Condenser Depression，TCD)的增加而呈线性增大趋势。过冷度为5℃和10℃时，COP分别增加4.25%和7.76%。因此，改善回热器的换热效果得到更低的节流前温度，对改善复叠式制冷循环性能十分有利。