R134a／CO2复叠式制冷系统模拟研究

王 军， 王铁军， 唐景春， 廖星东

（合肥工业大学 机械与汽车工程学院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

随着冷链物流业的快速发展和人们对食品安全的重视，商用冷冻冷藏设备制造业进入了新的高速发展阶段。然而，能源消耗、臭氧耗损、温室气体排放等问题的日益严峻，对制冷设备制造商和相关研究领域提出了更高的节能减排目标。应用现代设计与制造技术，完善制冷系统匹配，采用环保型制冷剂以及先进的控制技术是该领域技术发展的基本方向。CO2作为一种环境友好型的自然工质，其ODP为0，GWP为1，无毒、不可燃；作为制冷剂，CO2蒸发潜热大、单位容积制冷量高、运动黏度小、导热系数高，其优良环保性能热物理性能和流动、传热性能使其作为复叠式制冷系统的低温级制冷工质有着较大的优越性［1－5］。

目前，国内外相关学者对 NH3／CO2、R404A／CO2、R290／CO2复叠式制冷系统进行了较为广泛和深入的研究［6－13］。文献［6］对以 CO2为低温级循环工质的NH3／CO2复叠式制冷系统进行理论分析和优化研究，得到系统在设计和运行参数条件下的COP和火用效率，指出压缩机等熵效率对系统COP及低温级最优冷凝温度的影响；文献［8］通过对NH3／CO2复叠式制冷系统的分析，优化系统设定及运行参数，并根据对冷凝温度、蒸发温度、过冷过热温度以及传热温差的多线性回归分析，确定了系统COP最大值和最优质量流量比；文献［9］对NH3／CO2复叠式制冷系统进行实验研究，结果表明随着低温级冷凝温度的升高，该系统COP先增大后降低，随着冷凝蒸发器中换热温差的降低，低温级蒸发温度的升高，系统COP逐渐升高；文献［14］搭建了R134a／CO2复叠式制冷系统试验台研究系统性能的变化规律，揭示了压缩机效率对系统性能的影响［14］。

本文结合研发环保型商用制冷设备的需求，应 用 EES（engineering equation solver）对R134a／CO2循环系统进行变工况仿真研究，探寻制冷系统循环参数的变化关系及最优匹配。

1 R134a／CO2复叠制冷系统及数学模型

1.1 系统流程简介

R134a／CO2复叠制冷系统如图1所示。其由高、低温级2个独立的制冷回路通过冷凝蒸发器复叠而成，高、低温级循环工质分别为R134a和CO2。由高温级压缩机排出的R134a过热气体经R134a冷凝器冷却、冷凝，进入节流装置节流降压后，液态R134a制冷剂与气态CO2制冷剂在冷凝蒸发器中进行热交换后进入高温级压缩机；气态CO2制冷剂经冷凝蒸发器放热，经节流装置，并在CO2蒸发器蒸发后进入低温级压缩机完成循环。

图1 R134a／CO2复叠制冷系统原理图

1.2 数学模型

R134a／CO2复叠式系统理论循环T－s图如图2所示。

图2 R134a／CO2 复叠制冷循环T－s图

低温级CO2制冷剂质量流量ml为：

低温级压缩机耗功Wl为：

低温级冷凝热（高温级负荷）Qh为：

高温级R134a制冷剂质量流量mh为：

高温级压缩机耗功Wh为：

复叠系统总耗功W为：

复叠系统性能系数COP为：

高、低温级质量流量比ξ为：

其中，Q0为复叠系统冷量；ηh、ηl为高、低温级压缩机等熵效率，理想循环取ηh＝1，ηl＝1；h1、h2、h3、h4为低温级循环状态点焓值；h5、h6、h7、h8为高温级循环状态点焓值。

2 计算结果与分析

结合商用冷冻冷藏条件，在理想循环下，对R134a／CO2复叠式系统做性能分析。工况参数如下：制冷量Q0为15kW；低温级CO2蒸发温度t0l为－35℃；低温级CO2冷凝温度tkl为－5℃；冷凝蒸发器传热温差Δt为5℃；高温级R134a冷凝温度tkh为45℃。

根据已建立的数学模型，通过EES模拟计算，可得R134a／CO2复叠系统COP，系统高、低温级质量流量比mh／ml同t0l、tkl、tkh及 Δt之间的变化关系。

图3所示为COP值随t0l及tkl之间的变化关系。从图3可以看出，随着t0l的提高（－44～－26℃），COP值也随之增大；随着tkl的升高（－10～8℃），COP值先增大后减小。

由图3还可知，在不同t0l下COP达到最优时的tkl不同。具体表现为，随着t0l的增大，使COP达到最大的tkl也增大，呈近似线性关系。因此，使系统性能达到最优tkl受t0l的影响。

图3 COP与tkl、t0l之间的变化关系

图4所示为不同tkh条件下，COP与t0l之间的变化关系。由图4可知，t0l一定时，COP值随着tkh的降低而增大；tkh一定时，COP随着t0l的升高而增大；且变化曲线的斜率呈逐渐增大的趋势。

图4 COP与tkh、t0l之间的变化关系

系统COP与Δt及t0l之间的变化关系如图5所示。结果表明，在保证制冷条件及传热要求的环境下，提高t0l、减小Δt能提高COP值，使系统性能更优。

图6所示为系统COP值在不同Δt下与tkl之间的变化关系。由图6中可知，在相同tkl条件下，COP随Δt的减小而增大；相同Δt条件下，COP值随tkl的升高先增大后减小，且最大值出现在不同冷凝温度下，表明Δt越小且tkl越接近最优，COP越高，系统性能越好。

图7、图8所示为高、低温级质量流量比mh／ml在不同tkh、不同Δt条件下与t0l之间的变化关系。图中显示，相同tkh及Δt时，mh／ml随t0l升高而降低；在相同t0l条件下，随tkh的升高而升高，随Δt的减小而减小。

图5 COP与Δt、t0l之间的变化关系

图6 COP与Δt、tkl之间的变化关系

图7 质量流量比与tkh、t0l之间的关系

图8 质量流量比与Δt、t0l之间的关系

结合性能曲线分析得知，工况参数为t0l为35℃；tkh为45℃的R134a／CO2复叠式制冷系统，存在最优的tkl为0℃及Δt为3℃，使得系统性能达到最高；结合拟定的商用冷冻冷藏机组的设计技术要求，Δt为－5℃，COP达到最高为2.043，tkl为－3℃，mh／ml为2.2。

3 结束语

本文通过对R134a／CO2复叠式制冷系统循环参数的性能分析，得出低温级蒸发温度、高温级冷凝温度、冷凝蒸发器传热温差、高低温级循环质量流量比与系统COP值的相互变化关系。

R134a／CO2复叠式制冷系统在满足使用要求的情况下，尽可能地降低高温级冷凝温度，提高低温级蒸发温度及适当减小冷凝蒸发器传热温差，有利于增大系统COP值，提高系统性能；同时，减小高、低温级制冷剂质量流量比，从而减小制冷剂循环充注量，使系统经济性更高。

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