两种CO2复叠式制冷系统的性能分析

杨俊兰，李久东，唐嘉宝

（天津城建大学，天津 300384）

1 前言

由于CFCs、HCFCs等制冷剂对臭氧层破坏和温室效应较严重，CO2作为一种环境友好型自然工质，以性质稳定，零ODP和低GWP得到重新关注。

目前，复叠式制冷循环被广泛应用于低温制冷，而且CO2复叠式制冷循环能满足较低的温度需要，成为当前食品冷冻冷藏业的研究热点［1］。

Kitzmiller在1932年首先提出了NH3/CO2复叠式制冷循环系统［2］。对于NH3/CO2复叠式制冷系统，文献［3～5］对其进行了热力学分析及计算，并指出通过换热器和系统循环参数优化以及工质变换可能会使系统年度总成本降低。通过与R404A/CO2复叠式制冷系统对比，NH3/CO2复叠式制冷系统拥有最大COP和最大最佳质量流量比，而R404A/CO2复叠式制冷系统的最佳低温循环冷凝温度最高［6，7］。

ThomasW Davies等对应用于超市的NH3/CO2复叠式制冷系统同一般R404A制冷系统进行分析比较，得出前者能耗较低［8］。

Bansal等研究以R744为低温级制冷工质的两级复叠式制冷循环，得出冷凝蒸发器存在最佳冷凝温度［9］。同时R134a/R744复叠式制冷系统对冷链物流产业的发展有着重要意义和广阔的应用前景［10］。

本文主要对R290/CO2和R404A/CO2复叠式制冷循环的性能进行分析比较。

2 CO2复叠式制冷循环介绍

图1给出了CO2复叠式制冷循环的流程，由2个单级循环叠加而成，CO2用作低温级制冷剂，高温级用R290或R404A作制冷剂。图1（b）为该制冷循环的T-s图，图中1-2-3-4-5-1为低温级（CO2）循环，6-7-8-9-10-6为高温级（R290或R404A）循环，高低温级之间通过冷凝蒸发器连接。

图1 CO2复叠式制冷循环

2.1 复叠式制冷循环的计算模型

低温级质量流量：

式中 Q0——低温级蒸发器制冷量

hi——各状态点的焓值，i=1，2，3…，10低温级压缩机耗功：

式中 ηL——低温级压缩机效率高温级质量流量：

高温级压缩机耗功：

式中 ηH——高温级压缩机效率系统能效（性能系数）：

2.2 计算条件与假设

复叠式制冷循环的计算条件假设如下：冷凝温度tk为30 ℃ ；CO2循环的蒸发温度t0为-50～-40 ℃；低温级冷凝温度t4变化范围为-30～0 ℃；环境温度ta为30 ℃；系统的制冷量为20 kW；冷凝蒸发器的传热温差取值为3 ℃和5 ℃；高温级压缩机的效率ηH为0.9，低温级CO2压缩机效率ηL为0.75。

3 不同制冷剂的循环性能比较

3.1 冷凝蒸发器传热温差和冷凝温度对COP的影响

取蒸发温度t0为-40 ℃，低温级冷凝温度t4为-18 ℃，tk范围30～40 ℃，冷凝传热温差Δt分别取3 ℃和5 ℃时，冷凝温度tk的变化对系统COP的影响如图2，3所示。

图2 Δt=3 ℃时tk变化对系统COP的影响

图3 Δt=5 ℃时tk变化对系统COP的影响

从图中可以看出，COP随冷凝温度呈线性变化。随冷凝温度升高，COP逐渐减小，且R290/CO2的COP高于R404A/CO2。比较图2和图3中2种冷凝传热温差下的COP，可见Δt为3 ℃时有更大的COP，即冷凝传热温差越小，系统性能越好，这与赖艳华等在文献中的研究结论相同［11］。

3.2 低温级循环的冷凝温度t4对COP的影响

冷凝温度tk为30 ℃，冷凝蒸发器传热温差为5 ℃时，蒸发温度 t0分别取 -50，-45 和 -40 ℃，图4给出R290/CO2和R404A/CO2两种复叠式制冷循环系统的COP随低温级冷凝温度的变化情况。从图中可以看出，存在一个最佳低温循环冷凝温度t4使得系统COP取得最大值。

图4 不同蒸发温度下COP随低温循环冷凝温度的变化

随着低温循环冷凝温度t4的增大，系统COP先增大后减小，R290/CO2的COP比R404A/CO2高。蒸发温度越高，COP越大。使得系统COP取得最大值的最佳低温循环冷凝温度t4，随蒸发温度的增加而增大，且R290/CO2循环的最佳低温循环冷凝温度t4小于R404A/CO2循环。

从以上结论中可以看出，不同蒸发温度，对应不同的最大COP，定义为COPmax。

3.3 蒸发温度t0对系统COPmax的影响

当冷凝温度为30 ℃，低温循环冷凝温度t4为-18 ℃，冷凝蒸发器传热温差为5 ℃时，系统的COPmax随蒸发温度t0的变化趋势如图5所示。

图5 COPmax随蒸发温度的变化

从图中可以看出COPmax随蒸发温度的升高而呈线性增大的趋势，且在其他条件相同的前提下，R290/CO2循环的COPmax都比R404A/CO2循环高。

由于复叠式制冷循环的目的是获得较低的蒸发温度，在相同的最低蒸发温度下，系统COPmax越高，效果越好。因此在相同的设备及运行条件（制冷量）下，R290/CO2复叠式制冷系统的效果比R404A/CO2复叠式制冷系统好，消耗功率少，比较节能。

4 结论

（1）CO2复叠式制冷循环中，存在一个最佳低温循环冷凝温度，使得系统COP取得最大值。

（2）R290/CO2与R404A/CO2复叠式制冷循环相比，前者系统的COP较高，综合性能更优。因此，R290/CO2复叠式制冷循环对于环境保护、节约能源有着很好的发展前景。

（3）从蒸发温度、冷凝温度、冷凝蒸发器传热温差对系统COP的影响分析可知，应尽量增大蒸发温度、减小冷凝温度和降低冷凝蒸发器传热温差，这也有利于循环的安全运行。

（4）在系统的实际运行中，调节参数的原则是尽量使系统朝着性能提高的方向发展，如增大t0、减小te和Δt，并选取最佳的低温循环冷凝温度，使系统性能在给定条件下相对更优。

［1］ 马飙，冀兆良.二氧化碳制冷剂的应用研究现状及发展前景［J］.REFRIGERATION，2012，3（31）：36-43．

［2］ W R Kitzmiller.Advantages of CO2-Ammonia system for low-temperatures refrigeration［J］.Power，1932，（1）：92-94.

［3］ Alberto Dopazo J，Jose Fernandez-Seara.Theoretical analysis of a CO2-NH3cascade refrigeration system for cooling applications at low-temperatures［J］.Applied Thermal Engineering，2009，29（8-9）：1577-1583.

［4］ Omid Rezayan，Ali Behbahaninia.Thermoeconamic optimization and energy analysis of CO2/NH3cascade refrigeration system［J］.Energy，2011（36）：888-895.

［5］ 龚毅，侯峰，梁志礼，等.带回热器的跨临界CO2制冷系统的试验研究［J］．流体机械，2011，39（10）：56-60．

［6］ 赖艳华，董震，邵长波，等．R404A与CO2复叠式制冷系统的热力学分析与优化［J］．山东大学学报：工学版，2011，41（2）：149-153.

［7］ 宁静红，曾凡星.CO2为低温循环工质的复叠式制冷系统的分析比较［J］.热科学与技术，2015，14（2）：155-160.

［8］ Thomas W.Davies，Ottone Caretta.A low carbon，low TEWI refrigeration system design［J］.Applied Thermal Engineering，2004，24（8-9）：1119-1121.

［9］ Bansal P.K，Jain S.Cascade systems：past，present，and future［J］.ASHRAE Trans，2007，113（1）：245-252.

［10］ 王军.R134a/R744复叠式制冷系统设计研究［D］.合肥：合肥工业大学，2015.

［11］ 赖艳华，王庆为，吕明新，等．R404A/ CO2复叠式制冷系统的分析［J］.山东大学学报：工学版，2011，41（6）：115-121.