原料奶速冷系统热力仿真与性能分析

孙铁朦，方　松，马卫武，肖莲荣，张青燕

（1.中南大学 能源科学与工程学院，长沙　410083；2.湖南亚华乳业有限公司，长沙　410013）

原料奶速冷系统热力仿真与性能分析

孙铁朦1，方松1，马卫武1，肖莲荣2，张青燕2

（1.中南大学 能源科学与工程学院，长沙410083；2.湖南亚华乳业有限公司，长沙410013）

制冷工质对原料奶速冷系统的冷却效率起着重要的作用，因此，需要深入地研究不同的制冷工质对系统的影响。通过利用Helmholtz自由能状态方程，模拟仿真得到原料奶速冷系统制冷性能系数（COP）。再结合制冷工质的安全性和环保性要求，对比分析6种纯工质的优缺点。结果表明，R22是综合性能表现最佳的制冷工质。针对使用纯工质的原料奶速冷系统存在传热温差过大的问题，可以通过利用非共沸工质温度滑移的特性，有望在某种程度克服这些问题，进而改善原料奶速冷系统的能源效率。

原料奶速冷；Helmholtz自由能状态方程；制冷工质；性能系数

0　引言

原料奶品质的好坏决定了牛奶的口感和质量。刚挤下的牛奶温度大约在25～35℃，需要快速冷却抑制微生物的滋生［1-2］。对于刚挤出的原料奶，一般情况下需要快速将其冷却到0～4℃，这样既能有效抑制微生物的生长，又能保证牛奶的品质［3］。在牧场和牛奶收集站等场所，原料奶速冷式系统是能快速达到牛奶冷却目的有效设备。

原料奶速冷式冷却系统由奶罐环路、冰水环路、制冷系统环路、冷却水环路构成［4］。其设备的运行原理是原料奶通过板式换热器与制冰机制取的2℃左右的冰水进行换热，其温度能快速至4℃左右，最终流入奶罐贮存。相较于直冷式奶罐和水冷式奶罐，原料奶速冷式设备具有利于保证原奶的品质、牛奶冷却效率更高、更节约能源的优点［5］。

关于牛奶冷却技术的方法，研究者进行了一些不同的探索性研究。1998年，Cleland等［6］对比分析了碳氢化合物和CFC-12对牛奶冷却系统的影响。若碳氢化合物制冷剂选取得当，牛奶冷却系统的能源效率能够提升5%～8%。2004年，Pilatowsky等［7］在墨西哥牧场，模拟用太阳能来驱动甲胺水单级吸收式制冷循环来冷却牛奶。2009年，Cleland等［8］在新西兰农场用乙烷和丙烷的混合物代替HCFC-22作为牛奶冷却系统的制冷剂，实验结果表明该制冷剂能够很好满足牧场的使用要求。2013年，Murphy等［9］设计了一种牛奶速冷控制系统，该控制系统可以根据不同工况下的输奶量，设定合适的水流量对牛奶进行换热。2015年，Edwin等［10］提出用生物能作为牛奶冷却的能源，并通过仿真模拟计算出制冷系统的COP，探讨其可行性。

通过模拟的方法研究纯工质用于原料奶速冷系统的性能。计算6种纯工质的牛奶速冷系统制冷性能系数（COP），并结合安全性和环保要求，对比分析了这些工质的优缺点，并指出进一步改进系统性能的方向。

1　理论模型

采用基本理论制冷循环进行计算分析，即忽略冷凝器及蒸发器中的压力变化，忽略蒸发器出口的过热度和冷凝器出口的过冷度，压缩过程为等熵压缩。

计算采用的状态方程是以Helmholtz自由能为因变量，温度和密度（比容）为自变量的基本状态方程［11］。因为是基本状态方程，所以所有的热力学参数都可通过Helmholtz自由能关于温度和密度的偏导数求得。相比于现在广泛应用的多参数体积状态方程，Helmholtz自由能状态方程的计算结果更精确，能够满足典型的非极性、极性流体的精度要求，通用性也更广泛。该形式的状态方程已被NIST采用，作为计算常见工质热力学参数的标准方程［12］。Helmholtz自由能Φ的状态方程由两部分组成:在给定温度和密度的理想气体部分Φ0和修正部分Φr（修正偏离理想气体的行为）。无量纲形式的Helmholtz自由能状态方程为式（1）:

式中:a为比自由能；R为对应的气体常数；ρ为密度；T为温度。

式中:Tr和ρr为临界温度和临界密度。

理想气体部分Φ0（τ，δ）可以从理想气体的热容cp（oT）的进行积分得到。而实际气体部分Φ（rτ，δ）关系式的建立是根据高精度实验数据进行拟合得到。一般可以表示为式（4）。

采用同时优化算法，状态方程式可以转化为多项式和指数的函数形式如式（5）。

上述方程，通过可靠的实验数据和回归分析，可以逐渐剔除其中某些无效项，保留有效项。最终将形成只含有十几到二十几项的方程［13］。在此基础之上，基本热力学参数可以通过与Holmholtz自由能的关系获得，比焓可通过式（6）直接得到:

制冷循环的效率可以按式（7）计算:

2　结果与讨论

选取蒸气制冷循环中常用的6种制冷工质: R134a、R152a、R32、R290、R22、R717，并计算出工质在变蒸发温度工况和变冷凝工况下的制冷系数COP的变化情况。计算结果如图1～2所示。

在冷凝温度为40℃，蒸发温度范围为-15～0℃的条件下，利用上述的焓差法算出各种制冷剂对应的制冷性能系数，并对比分析。由图1可知，可以直观的发现，对于所选的制冷工质，随着蒸发温度的升高，制冷性能系数COP也都随之增大，且其变化范围在2.75～5.8之间。

在蒸发温度为0℃，冷凝温度范围为30～40℃条件下，利用同样的方法计算出各种工质对应的制冷性能系数，并对比分析。由图2可知，所有的制冷工质，制冷性能系数COP随冷凝温度的升高而降低，且COP的变动范围为5.3～8.1。

图1　蒸发温度变化时制冷系数的变化情况曲线图

图2　冷凝温度变化时制冷系数的变化情况曲线图

由表1可知，该6种制冷工质均能很好的满足原料奶速冷的运行条件，且其COP值从大到小排序依次为:R717、R152a、R22、R134a、R290、R32。R717拥有着良好的热力性质、单位制冷量大、黏性小、传热性能好。R152a具有比R134a更高的单位容积制冷量和能效比。R22在常温下，冷凝压力和单位容积制冷量与R717差不多。R134a的制冷循环特性与R12相当，传热性能优于R12。R290的单位容积制冷能力会略低于R134a，且标准沸点、凝固点、临界点等基本物理性质与R22非常接近，有望成为替代R22的新型环保制冷剂。R32在制冷系统中的应用存在制热工况下高排气温度，专用压缩机开发、优化等问题［14］。由于牛奶的冷却、输送和贮藏必须保持洁净安全，需要格外重视牧场和原料奶安全性问题，防止制冷剂泄漏可能对牧场造成的安全隐患。经过分析比较，R22、R134a是种较好的选择。

制冷工质对环境的影响。由于以氟利昂为制冷剂的工质对大气臭氧层的破坏作用，各国对环境保护方面达成了一定的共识。表2是6种制冷工质的ODP和GWP值。6种工质对大气臭氧层消耗的能力几乎可以忽略，但R22和R134a的GWP高达1 000多，会造成全球变暖的影响。根据“蒙特利尔协议”，R22制冷工质的应用前景变得暗淡，将于在2030年前全面淘汰。

表1　制冷工质的性质

通过对制冷工质多方面的比较分析，R22是原料奶速冷系统的最佳选择。R22无色、无味、不燃烧、不爆炸、毒性低、化学性质稳定，是种很安全的制冷工质，且R22价格相对便宜，运用R22的牛奶冷却设备较为成熟，最低蒸发温度为-80℃左右，能够很好满足牛奶速冷的蒸发温度需求。但从长远来考虑，采用R290作为制冷工质应用前景更为广泛。

表2　制冷工质的ODP值和GWP值

然而采用纯工质作为制冷剂，牛奶速冷系统存在传热温差过大的问题。在牛奶冷却过程中，35℃牛奶需要冷却到4℃左右，取纯制冷工质在的蒸发温度在0℃情况下，利用传热对数平均温差式（8）:

计算得到传热对数平均温差∆t1=14.29℃。而一般的空调制冷设备，进水温度通常为12℃，出水温度为7℃，取蒸发温度在3℃情况下，计算得到其对数平均温差∆t2=6.16℃。由计算数据可知，牛奶冷却的对数平均温度比一般空调制冷的对数平均温差高一倍以上。在制冷系统中，传热温差越大，则不可逆损失越大，系统制冷能效率越低。则采用纯工质的原料奶速冷系统存在传热温差过大的情况，制冷系统很难达到原奶速冷系统快速的要求。针对上述的问题，可以考虑采用合适的非共沸混合工质代替纯工质。

相对于纯工质而言，非共沸混合工质在蒸发和冷却时具有明显的温度滑移的性质。即在不变的压力下非共沸工质由液态蒸发为气态时，其蒸发温度不断升高，由气态冷凝为液态时，其冷凝温度不断降低。因此，可以通过调整非共沸混合工质的浓度配比使其温度变化曲线与外界变温热源更加匹配，实现原料奶速冷系统的制冷循环尽可能的逼近洛伦兹循环，进而有效地减少因热当量差异造成循环效率下降［15］。然而，实现这一点是很困难的，因为要不断逼近洛伦兹循环，必须实现原料奶与非共沸工质之间的传热温差是在换热器中保持不变，现实中这是不可能的。在速冷系统中，一般情况下可以忽略原料奶的比热容变化，将其看作是常量，则温度变化量与焓差呈线性关系。然而对于非共沸工质，温度变化量往往与焓差呈非线性关系。为了合理提高原料奶速冷系统的制冷效率，下一步需要着重研究非共沸制冷工质相变时的温度变化对系统性能的影响。

3　总结

在6种纯工质制冷剂中，R22是综合性能表现较好的制冷剂。R22制冷剂有着较高的COP值，且化学性质稳定安全，能够完全满足牧场对牛奶速冷设备的要求。但是采用纯工质制冷剂，牛奶速冷设备存在传热温差过大，不可逆损失高，能源效率低等问题。通过利用非共沸制冷的特性，有望在某种程度克服这些问题，改善牛奶冷却设备的能源效率。文章只讨论了纯工质制冷剂的COP性能表现，需进一步研究非共沸工质在牛奶速冷设备中的应用性。

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THERMODYNAM IC SIMULATION AND PERFORMANCE ANALYSISOFRAW M ILK RAPID COOLING SYSTEMS

SUN Tie-meng1，FANG Song1，MAWei-wu1，XIAO Lian-rong2，ZHANG Qing-yan2
（1.Schoolof Energy Science and Engineering，Central South University，Changsha410083，China；2.Hunan AVA Dairy Industry Co.Ltd，Changsha410013，China）

Refrigerants plays an important role in the efficiency of rapid cooling systems of raw m ilk.Therefore，it is necessary to study the impact of different refrigerants on the performance ofmilk-cooling systems.By using Helmholtz free energy equations of state，thiswork simulates the coefficientof performance（COP）of raw m ilk rapid cooling systems using six refrigerants.The six refrigerants are compared according to COP and safety and environmental requirements. The results show thatamong these refrigerants R22 could be the best choice in terms of the overallperformance.Since the rapid cooling systems using pure refrigerants have the problem w ith large heat transfer temperature difference，we infer thatzeotropic refrigerants having temperature glides can alleviate the problem in some extentand improve the energy efficiency of raw milk rapid cooling systems.

rawm ilk rapid cooling；equationsofstateof Helmholtz freeenergy；refrigerants；coefficientofperformance

TB657

A

1006-7086（2016）03-0162-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.03.008

2016-01-09

国家科技支撑计划资助项目（2012BAD12B04）

孙铁朦（1984-），男，辽宁省凌源人，硕士研究生，主要研究方向为新能源及制冷系统。E-mail:378545302@qq.com。