回热器对双级压缩和复叠式压缩制冷系统影响的分析

郭耀君，谢晶，朱世新，王金锋（上海海洋大学食品学院，上海 0306；上海水产品加工与贮藏工程技术研究中心，上海 0306）



回热器对双级压缩和复叠式压缩制冷系统影响的分析

郭耀君1，2，谢晶1，2，朱世新1，2，王金锋1，2
（1上海海洋大学食品学院，上海 201306；2上海水产品加工与贮藏工程技术研究中心，上海 201306）

摘要：为了研究回热器对双级压缩制冷系统和复叠式压缩制冷系统的影响，以R404A双级压缩制冷系统和R404A/R23复叠式压缩制冷系统为例，通过建立两种制冷系统的热力学模型和㶲分析法，分析了回热器效率对压缩机排气温度、单位质量制冷量、制冷剂质量流量、系统制热能效比（COP）、系统总㶲损、系统各部件㶲损和系统㶲效率的影响。结果表明，在双级压缩制冷系统中，当回热器效率ε 取0.1～0.9时，系统COP增大4.0%，系统的总㶲损减少9.6%，而系统㶲效率增大7.1%；在复叠式压缩制冷系统中，系统COP和系统㶲效率随高温级回热器效率ε 增大而增大，随低温级回热器效率ε增大而减小，而系统总的㶲损随高温级回热器效率ε 增大而减小，随低温级回热器效率ε 增大而增大。

关键词：回热器；双级压缩；复叠式压缩；热力学；性能分析；㶲

第一作者：郭耀君（1987—），男，硕士研究生，研究方向为制冷工程。联系人：谢晶，教授，博士，博士生导师，研究方向为食品工程。E-mail jxie@shou.edu.cn。

在实际的蒸气压缩式制冷系统中通常安装回热器，以达到保障系统正常运行和提高系统性能的效果。在回热器中，节流前的液体和来自蒸发器的低温蒸气进行热交换，实现制冷剂液体过冷度，低温蒸气过热。这样，不仅可以降低节流前气体闪发的可能性，而且可以提高压缩机吸气温度，防止低温蒸气夹带的液滴进入压缩机，避免液击现象。同时，增加了单位制冷量，减少了制冷剂流量，还有效降低了蒸气和环境之间的传热温差。尤其在低温制冷装置中，吸气温度过低会导致压缩机汽缸壁结霜加重，润滑条件恶化，因此有必要采用回热器提高吸气温度。

KLEIN等[1]对R22等10种制冷剂进行了研究，分析认为R22、R32和R717这3种制冷剂在回热循环中，单位容积制冷量和制冷系数均低于无回热循环，即回热循环不适用于此3种制冷剂。MESSINEO[2]对均带有回热循环的R404A双级压缩制冷系统和NH3/CO2复叠式制冷系统的性能系数进行分析，表明回热循环对提高R404A的双级压缩制冷系统性能有利，对NH3/CO2的复叠式压缩制冷系统有不利影响。TORRELLA等[3]通过实验的方式论证了回热器对CO2在跨临界蒸气压缩式制冷循环中的影响。BHATTACHARYYA等[4]对N2O/CO2复叠式制冷系统同时使用回热器的高低温循环进行了热力学优化。宁静红等[5]研究了回热器对R290/CO2等3种复叠式制冷系统的影响，分析了制冷系统的性能系数随回热器效率变化的情况。

图1 双级压缩制冷系统流程0～9—温度点

目前，有关回热器对采用R404A的双级压缩制冷系统和复叠式压缩制冷系统的影响分析较少，本文选取R404A一次节流中间不完全双级压缩制冷系统和R404A/R23复叠式压缩制冷系统为研究对象，分析比较了不同回热器效率对压缩机排气温度以及系统制热能效比（COP）的影响，同时利用㶲分析法对系统能耗状况和部件用能环节进行研究，揭示回热器效率对系统总的㶲损失、系统各组成部件的㶲损失和系统㶲效率的影响，为带有回热器的系统性能改善提供依据。

1 系统概述

1.1 带有回热器的双级压缩制冷系统

氟里昂双级压缩制冷系统通常采用一级节流中间不完全冷却形式[6]，目前国内双级压缩系统制冷剂大多仍采用R22，根据《蒙特利尔协议》，R22只作过渡使用，最终将被淘汰，因此探究新的替代环保制冷剂是超低温制冷技术发展的必要。目前，常用于双级压缩制冷系统的HFC类中长期环保替代制冷剂主要有R404A、R134a、R507，其中R404A广泛使用在商业制冷系统中[7]。本文即采用R404A作为双级压缩制冷系统制冷剂，带有回热器的双级压缩制冷系统流程示意图和p-h图如图1、图2所示。

在双级压缩循环中，中间压力对系统循环的经济性，压缩机的制冷量、耗功率和结构都有直接的影响，一般以制冷系数最大作为确定中间压力的原则，由于制冷循环形式或者压缩机排气量配置不同，很难用统一表达式进行最佳中间压力的计算。因此通常以高低压级的压缩比相等作为原则，这样得到的结果，虽然制冷系数不一定是最大值，但可以使压缩机气缸工作容积的利用率较高[8]。利用压焓图根据中间压力值，可确定中间温度tm，中间冷却器温差设定为5℃，t7=tm+5。t4为双级压缩机排气温度。

1.2 带有回热器的复叠式压缩制冷系统

图2 双级压缩制冷系统p-h示意图

复叠式压缩制冷系统通常由两个不同制冷剂工作的单级制冷系统叠加而成。中间温度的确定依据高温级和低温级压缩比大致相等的原则[9]，冷凝蒸发器中的传热温差取5℃，即高温级蒸发温度比低温级冷凝温度低5℃。目前，复叠式压缩制冷系统高温制冷剂的中长期环保替代物主要为R134a、R404A，低温制冷剂环保替代物主要为R23、R116、R508B[10]。其中，R404A等熵压缩指数比R22小，在换热器内的传热性能和R22很接近，相同工况下R404A压缩机排气温度更低；R23单位制冷量比R508B高[11]。本文复叠式制冷系统高温级选用R404A，低温级选用R23。高温级和低温级制冷循环都带有回热器的复叠式压缩制冷系统流程示意图和p-h图如图3、图4所示。t3'为高温级压缩机排气温度，t3为低温级压缩机排气温度。

图3 复叠式压缩制冷系统流程1～9—温度点

图4 复叠式压缩制冷系统p-h示意图

2 热力分析

为研究问题方便，引入回热器效率的量纲为1参数，回热器效率定义为式(1)[1]。

基于本文两种制冷系统流程示意图图1和图2，双级压缩制冷系统的回热器效率εs、复叠式压缩制冷系统的高温级回热器A效率εfa和复叠式压缩制冷系统的低温级回热器B效率εfb分别为式(2)～式(4)。

式中，温度的下角标与图中的各点相对应，℃。实际循环总是有一定的外界影响，为了简化分析过程，作以下假定：

（1）压缩过程均为绝热非等熵过程；

（2）系统各部件压降和热损失忽略不计，节流前后焓值不变；

（3）各组成部件处于稳定状态，制冷剂处于稳定流动状态。

2.1 带有回热器的双级压缩制冷系统热力学模型

根据质量守恒和能量守恒定律，建立双级压缩制冷系统稳态热力学模型，具体计算公式如式(5)～式(13)所示。

中间压力（MPa）

单位质量制冷量（kJ/kg）

低压级制冷剂质量流量（kg/s）

高压级制冷剂质量流量（kg/s）

高压级指示功率（kW）

低压级指示功率（kW）

压缩机指示功率（kW）

压缩机轴功率（kW）

双级压缩系统性能系数

式中，pk为冷凝压力，MPa；p0为蒸发压力，MPa；Q0为制冷量，kW；ηig为高压级指示效率；ηid为低压级指示效率；Tk为冷凝温度，K；T0为蒸发温度，K；Tm为中间温度，K；tm为中间温度，℃；tk为冷凝温度，℃；b为系数，取0.0025；ηm为压缩机机械效率；h0、h1、h2、h3、h3'、h4、h5、h7、h9分别对应图2中各点焓值，kJ/kg。

正如一切不可逆过程都要产生熵一样，一切不可逆过程也会造成㶲损失。根据热力学第二定律的㶲分析法，在环境温度Ta一定时，建立双级压缩制冷系统各个过程㶲损的数学模型，具体计算公式如式(14)～式(22)所示。

压缩过程

冷凝过程

节流阀A节流过程

中间冷却过程

回热过程

节流阀B节流过程

蒸发过程

式中，eq0为带入蒸发器的比冷量㶲，kJ/kg；Tl为冷库温度，K；s0、s1、s2、s3、s3'、s4、s5、s6、s7、s8、s9分别对应图2中各点比熵，kJ/(kg·K)。

2.2 带有回热器的复叠式压缩制冷系统热力学模型

根据质量守恒和能量守恒定律，建立复叠式压缩制冷系统稳态热力学模型，具体计算公式如式(23)～式(30)所示。

低温级单位质量制冷量（kJ/kg）

低温级制冷剂质量流量（kg/s）

高温级单位质量制冷量（kJ/kg）

高温级制冷剂质量流量（kg/s）

高温级压缩机指示功率（kW）

低温级压缩机指示功率（kW）

复叠式压缩系统输入功率（kW）

复叠式系统性能系数

式中，Q0为制冷量，kW；ηig为高温级指示效率；ηid为低温级指示效率；

Tk'为高温级冷凝温度，K；T0'为高温级蒸发温度，K；t0'为高温级蒸发温度，℃；Tk为低温级冷凝温度，K；T0为低温级蒸发温度，K；t0为低温级蒸发温度，℃；b为系数，取0.0025；ηm1、ηm2分别为高、低温级压缩机机械效率；h1、h2、h3、h4、h5、h1'、h2'、h3'、h5'分别对应图4中各点焓值，kJ/kg。

根据热力学第二定律的㶲分析法，在环境温度Ta一定时，建立复叠式压缩制冷系统各个过程㶲损的数学模型，具体计算公式如式(31)～式(41)所示。高温级压缩过程

高温级冷凝过程

高温级回热过程

高温级节流过程

冷凝蒸发过程

低温级压缩过程

低温级回热过程

低温级节流过程

低温级蒸发过程

式中，eq0为带入蒸发器的比冷量㶲，kJ/kg；Tl为冷库温度，K；s1、s2、s3、s4、s5、s6、s1'、s2'、s3'、s4'、s5'、s6'分别对应图4中各点比熵，kJ/(kg·K)。

3 结果分析

双级压缩制冷系统和复叠式压缩制冷系统运行工况如下：tk为40℃，t0为−65℃，tl为−60℃，Q0为6kW，同时假定环境温度Ta为32℃，运用NIST REFPROP8.0软件计算R404A和R404A/R23分别在双级压缩和复叠式压缩的各状态参数， 设定双级制冷压缩机机械效率ηm=0.73，复叠高温级和低温级压缩机机械效率分别为ηm1=0.8、ηm2=0.79。ε 分别取值0.1、0.3、0.5、0.7、0.9进行计算。

3.1 回热器对压缩机排气温度、单位质量制冷量和制冷剂质量流量的影响

压缩机排气温度并不是制冷系统主要的性能指标，但它对压缩机是否可以良好运行却是一个重要因素，通常排气温度过高会对压缩机产生不利的影响[12]。

图5给出了回热器效率对双级压缩制冷系统和复叠式压缩制冷系统压缩机排气温度的影响。从图5中可以看出，随着回热器效率ε的增大，双级压缩机、复叠高温级压缩机和复叠低温级压缩机的排气温度都升高，但是复叠低温级压缩机排气温度始终低于复叠高温级压缩机，当ε为0.1～0.24时复叠高温级压缩机排气温度低于双级压缩机，ε =0.24时两者相等，ε为0.24～0.9时前者高于后者；其中双级压缩机排气温度升高比例小于复叠高温级压缩机和低温级压缩机，原因是双级压缩制冷系统的回热器存在于低压级循环支路，间接影响了双级压缩机排气温度[13]，而复叠高温级制冷循环中的回热器A所引导的回热循环直接影响了高温级压缩机的排气温度。

图5 回热器效率对压缩机排气温度的影响

由表1可以看出，当回热器效率ε 增大时，q0、q0d和q0g都增大，而双级压缩系统的高低压级制冷剂质量流量和复叠系统高低温级制冷剂质量流量都减小，可减少系统制冷剂的充注量和降低压缩机的耗功。

3.2 回热器对系统COP和系统总㶲损的影响

从图6可以看出，双级压缩制冷系统COP随回热器效率ε的增大而增大，而系统总的㶲损随回热器效率ε的增大而减小，当ε 取0.1～0.9时，双级压缩制冷系统COP增大4.0%，系统总的㶲损减少9.6%。故回热循环有利于制冷剂为R404A的一次节流中间不完全冷却的双级压缩制冷系统。结合图7，当回热器效率ε=0.9时，双级压缩机排气温度为76.3℃，所以在条件允许的前提下，应尽可能地增大R404A双级压缩系统的回热效率，以增大系统COP，减少系统总的㶲损。

表1 回热器效率对制冷系统单位质量制冷量、制冷剂质量流量的影响

图6 回热器效率对双级压缩制冷系统COP和总㶲损的影响

图7 回热器效率对复叠式压缩制冷系统COP的影响

图7和图8分别给出了复叠式压缩制冷系统受高温级回热器效率和低温级回热器效率共同影响后系统COP和总的㶲损的变化。从图7可以看出，复叠式系统COP随高温级回热器效率ε的增大而增大，随低温级回热器效率ε 的增大而减小，复叠式系统COP取得最大值的回热器效率组合为εfa=0.9、εfb=0.1，COP取得最小值的组合为εfa=0.1、εfb=0.9，COP最大值较最小值大8.35%。从图8可以看出，复叠式系统总的㶲损随高温级回热器效率ε 的增大而减小，随低温级回热器效率ε 的增大而增大，复叠式系统总的㶲损取得最小值得回热器效率组合为εfa=0.9、εfb=0.1，总的㶲损取得最大值的组合为εfa=0.1、εfb=0.9，总的㶲损最小值较最大值小12.2%。结合图5，在条件允许并考虑高温级压缩机排气温度不宜过高的前提下，应尽可能增大本复叠式制冷系统R404A高温级循环的回热效率，减少R23低温级循环的回热效率。即对R23低温级循环不宜采用较高的过热度，但也不能没有过热度，否则就有可能造成“液击”现象。

图8 回热器效率对复叠式压缩制冷系统总的㶲损影响

3.3 回热器对系统各部件㶲损和系统㶲效率的影响

表2显示了双级压缩系统回热器效率ε 分别取值0.1、0.3、0.5、0.7、0.9时，双级压缩系统各组成部件㶲损以及系统㶲效率。

从表2可以看出，随着回热器效率ε 增大，双级压缩系统㶲损减小的部件是压缩机、节流阀A、中冷器、节流阀B，而㶲损增加的部件是冷凝器、回热器、蒸发器；双级压缩系统㶲效率也是随着回热器效率ε增大而增大。当ε 取0.1～0.9时，系统各组成部件㶲损占系统总㶲损的比例如下：压缩机为38.6%～40.6%，冷凝器为10.0%～14.5%，节流阀A 为16.6%～15.6%，中冷器为15.8%～14.8%，回热器为1.0%～2.6%，节流阀B为11.4%～4.5%，蒸发器为6.7%～7.5%，即压缩机㶲损占系统总㶲损最大，回热器㶲损占系统总㶲损最小。当ε取0.1～0.9时，双级压缩系统㶲效率增大7.1%。

表2 双级压缩制冷系统各组成部件㶲损和系统㶲效率

表3显示了复叠式压缩系统高温级回热器效率和低温级回热器效率分别取值0.1、0.3、0.5、0.7、0.9时复叠式压缩系统各组成部件的㶲损（冷凝蒸发器除外）。

从表3可以看出，在复叠式系统高温级压缩循环中，随着回热器A效率ε 增大，㶲损减少的部件是高温级压缩机、节流阀A且减小的比例分别是10.9%、75.8%，而㶲损增加的部件是冷凝器、回热器A且增大的比例分别是91.5%、101.3%；在复叠式系统低温级压缩循环中，随着回热器B效率ε增大，㶲损减少的部件是节流阀B且减小的比例是63.7%，而㶲损增加的部件是压缩机且增大的比例是3.7%，回热器㶲损则先增加后减少，蒸发器㶲损几乎没有变化。

表4显示了冷凝蒸发器㶲损在高温级回热器效率和低温级回热器效率分共同影响下的变化。

从表4可以看出，若保持低温级回热器B效率ε不变，随着高温级回热器A效率ε 增大，冷凝蒸发器㶲损增大；若保持高温级回热器A效率ε 不变，随着低温级回热器B效率ε 增大，冷凝蒸发器㶲损亦增大；冷凝蒸发器㶲损取得最小值时的回热器效率组合为εfa=0.1、εfb=0.1，取得最大值时的回热器效率组合为εfa=0.9、εfb=0.9，且最大值较最小值大86.5%。

表3 复叠式压缩制冷系统各组成部件的㶲损（冷凝蒸发器除外） 单位：kW

表4 复叠式压缩制冷系统冷凝蒸发器的损 单位：kW

表4 复叠式压缩制冷系统冷凝蒸发器的损 单位：kW

低温级回热器B回热效率 　0.1 　0.3 　0.5 　0.7 　0.9高温级回热器A回热效率0.1 　0.3325 　0.3382 　0.3425 　0.3467 　0.3498 0.3 　0.3930 　0.3986 　0.4030 　0.4071 　0.4102 0.5 　0.4589 　0.4645 　0.4689 　0.4730 　0.4761 0.7 　0.5293 　0.5350 　0.5393 　0.5435 　0.5466 0.9 　0.6031 　0.6087 　0.6131 　0.6172 　0.6203

结合表3和表4，在高温级回热器A效率和低温级回热器B效率相组合的25种情况下，复叠式压缩系统各组成部件㶲损占系统总㶲损的比例如下：高温级压缩机为21.8%～22.7%，高温级冷凝器为6.8%～14.9%，回热器A为2.1%～6.1%，节流阀A为5.7%～21.8%，冷凝蒸发器为7.6%～15.4%，低温级压缩机为23.9%～26.8%，回热器B为0.8%～2.7%，节流阀B为3.3%～10.3%，蒸发器为4.6%～5.3%，即高温级压缩机和低温级压缩机的㶲损占系统总㶲损最大。

图9给出了复叠式压缩制冷系统受高温级回热器效率和低温级回热器效率共同影响后系统㶲效率的变化。从图9中可以看出，复叠式系统㶲效率随高温级回热器效率ε 的增大而增大，随低温级回热器效率ε 的增大而减小，复叠式系统㶲效率取得最大值的回热器效率组合为εfa=0.9、εfb=0.1，㶲效率取得最小值的组合为εfa=0.1、εfb=0.9，㶲效率最大值较最小值大8.37%。

图9 回热器效率对复叠式压缩制冷系统㶲效率影响

4 结 论

在相同的工况下，通过建立双级压缩制冷系统和复叠式压缩制冷系统的热力学模型，来探究回热器效率对双级压缩制冷系统和复叠式压缩制冷系统压缩机排气温度、单位质量制冷量、制冷剂质量流量、系统COP、系统总㶲损、系统各部件㶲损和系统㶲效率的影响，可以得出如下结论。

（1） 回热循环对采用R404A制冷剂的双级压缩制冷系统和复叠式压缩高温级制冷系统的性能有利，对采用R23制冷剂的复叠式压缩低温级系统的性能不利。

（2） 双级压缩制冷系统COP随回热器效率的增大而增大，双级压缩制冷系统总的㶲损随回热器效率的增大而减小；复叠式压缩制冷系统COP和总的㶲损受高温级回热器效率和低温级回热器效率共同影响，COP随高温级回热器效率的增大而增大，随低温级回热器效率的增大而减小，总的㶲损随高温级回热器效率的增大而减小，随低温级回热器效率的增大而增大。

（3） 压缩机是系统各部件中㶲损最大的部件。双级压缩制冷系统中压缩机㶲损占总㶲损的38.6%～40.6%，复叠式压缩制冷系统中高温级压缩机占总㶲损的21.8%～22.7%，低温级压缩机占总㶲损的23.9%～26.8%。

（4）在考虑到排气温度的前提下，提高R404A双级压缩制冷系统回热器效率，提高复叠式压缩制冷系统高温级回热器效率，降低低温级回热器效率。

参 考 文 献

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研究开发

Effect of internal heat exchanger on two-stage compression and cascade compression refrigeration system

GUO Yaojun1，2，XIE Jing1，2，ZHU Shixin1，2，WANG Jinfeng1，2
（1School of Food Science and Technology，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China；2Shanghai Engineering Research Center of Aquatic Product Processing and Preservation，Shanghai 201306，China）

Abstract：In order to study the effect of internal heat exchanger on two-stage compression and cascade compression refrigeration system，R404A two-stage compression refrigeration system and R404A/R23 cascade compression refrigeration system were taken as examples. Through exergy analysis and establishment of two kinds of refrigeration systems thermodynamic model，the compressor discharge temperature，cooling capacity per unit mass，refrigerant mass flow，system COP，total system exergy loss and exergy efficiency of the regenerator were analyzed. In the two-stage compression refrigeration system，when thermal efficiency was between 0.1 and 0.9，system COP increased by 4.0%，leading to a reduction in total loss of 9.6 percent exergy system and the system exergy efficiency could increase by 7.1%. In the cascade compression refrigeration system，system COP and exergy efficiency of the system increased with increasing high-temperature regenerator efficiency and decreased with decreasing low-level heat recovery efficiency. The total loss of exergy systems decreased with increasing high temperature level regenerator efficiency and increased with increasing low-level heat recovery efficiency.

Key words：liquid-suction heat exchangers；two-stage compression；cascade compression；thermodynamics；performance analysis；exergy

基金项目：国家农业成果转化资金项目（2013GB2C000156）及上海市科委项目（13dz1203702）。

收稿日期：2015-08-19；修改稿日期：2015-09-10。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.02.011

中图分类号：TB 61+5

文献标志码：A

文章编号：1000–6613（2016）02–0409–08