R1270/CO2复叠式制冷系统热力学分析与研究

任继鹏 孙远新 张良

摘 要： 针对R1270/CO2复叠式制冷系统，本文结合系统循环原理和制冷剂物性完成了系统热力学分析模型的建立，通过对系统热力学性能展开分析提出了适当降低冷凝温度和提高蒸发温度的优化建议，从而使系统维持良好运行性能，满足冷链管理需求。

关键词： R1270/CO2;复叠式制冷系统;热力学分析

引言：

复叠式制冷系统由两个单级制冷循环复叠而成，可以划分为高温级系统和低温级系统，利用冷凝蒸发器连接。其中，高温端制冷剂采用R1270，低温端制冷剂采用CO2，均能在冷凝蒸发器中完成蒸发过程。而系统R1270蒸汽会进入相应压缩机，通过冷凝器实现热量传递，完成从高温端→压缩机→冷凝器→膨胀阀→冷凝蒸发器的循环过程。系统CO2液体将进入节流装置，在蒸发器中对被冷却介质的热量进行吸收，在压缩机中完成从低温端→压缩机→冷凝蒸发器→膨胀阀→蒸发器的循环过程。在理想状态下，系统高温端制冷循环得到的蒸发制冷量与低温端循环得到的冷凝热负荷相等。

1系统制冷剂的物性分析

系统高温端制冷剂R1270属于HCs制冷剂，ODP和GWP分别为0和20，给臭氧层带来的破坏微乎其微，带有环境友好性特点。R1270临界温度为92℃，临界压力为4.5MPa，汽化潜热达439kJ/kg。然而从安全性角度来看，该物质安全系数为A3，所以需要对其热力学性质进行分析，确定能否在制冷系统中使用。系统低温端制冷剂CO2属于天然工质，ODP和GWP分别为0和1，带有环境友好性特点。在冷链行业应用，由于CO2拥有稳定化学性质，无毒不可燃，所以具有较好安全性，安全系数为A1，即便泄露也不会引发污染。从制冷效果来看，CO2拥有较低运动黏度和较高热导率，具有较大潜热和制冷能力，可以达到31℃的临界温度，临界压力为7.4MPa，汽化潜热达573kJ/kg，能够满足复叠式制冷系统的要求。

2系统热力学模型的建立

系统由两个制冷循环复叠构成，所以具有一定复杂性，需要在不同条件下对系统热力学性能进行分析，确定两种制冷剂的能量数量关系，确定系统在能量转换和传递过程中的品质。结合这一思路建立系统热力学模型，需要在确定制冷量的基础上，对系统COP、？损和制冷剂质量流量受蒸发温度、冷凝温度、传热温差和低温级冷凝温度的影响，从而获得系统最佳性能系数，实现系统合理设计和科学运行。实际建立模型时，还要假设系统始终保持稳定流态，无过热或过冷现象，并且能够实现绝热压缩，忽略系统循环压降。根据假设条件，可以得到系统低温级压缩机功率PeL计算方法。如式（1），ηiL指的是低温级压缩机指示效率，ηmL为对应机械效率，ηmoL则是电动机效率，h1和h2为低温级压缩机进口和出口焓值，h5为低温级蒸发器入口焓值。

由于冷凝蒸发器的热负荷Qk=Q0（h2-h4）/（h1-h5），Q0為制冷量，因此可以得到高温压缩机实际功率PeH。式中，ηiH指的是高温级压缩机指示效率，ηmH和ηmoH则是对应机械效率和电动机效率，h6和h7为高温级压缩机进口和出口焓值，h10为高温级蒸发器入口焓值。

根据质量流比，可以得到系统COP=Q0/（PeL+PeH）。系统     损I由低温级和高温级的压缩     损、节流     损、蒸发     损构成，还要根据系统环境温度T0，冷却介质温度Tr和蒸发温度Te确定。结合系统运行工况可知，系统制冷量达2kW，低温级蒸发温度在[-45℃，-25℃]范围内，冷凝温度在[-15℃，5℃]范围内，高温级蒸发温度在[-20℃，0℃]范围内，冷凝温度在[35℃，50℃]范围内，蒸发器传热温差在[3℃，7℃]范围内。而系统压缩机总效率达0.7，环境温度为32℃，冷却介质温度与蒸发温度的差值达5℃。

3系统热力学性能的分析

3.1系统COP分析

从系统COP变化情况来看，在冷凝温度、蒸发温度等条件不变的情况下，伴随着低温级冷凝温度的升高，系统COP先上升后下降，但总体变化并不显著，最优值可达1.17，此时低温级冷凝温度达到-8℃。在低温级冷凝温度和蒸发温度不变条件下，提高系统冷凝温度同样会使系统COP上升，最高能够达到1.57。只提高蒸发温度，则会导致系统COP下降，最低能够达到0.99。只对高温级蒸发温度进行提高，高温级COP会随之上升，低温级则无变化。同样的，只改变低温级蒸发温度高温级无变化，低温级COP会有所提升。在系统     损增加的情况下，系统COP会减小。因此在满足换热要求的基础上，还应适当将系统冷凝温度和蒸发温度减小，继而通过减小系统      损获得更大COP。

3.2系统     损分析

从系统     损情况分析结果来看，     损主要产生在压缩和节流阶段，会引发较大压力损失。传热温差的存在，将导致蒸发器产生热量损失，使得制冷剂蒸汽过热。在蒸发温度、冷凝温度分别为-40℃和40℃的条件下，传热温差达到5℃，伴随着低温级冷凝温度的升高，高温级各部分     损逐渐减小，低温级除蒸发器     损不变以外，各部分     损则有所增加，系统总     损先减小后增加，最小能够达到0.68kW。从总体来看，高温级节流     损最大，达0.16kW，占总体的23.6%左右，其次则为冷凝蒸发，达0.14kW，约占20.5%，高温级压缩机     损达0.11kW，占总体的15.9%左右。想要使系统     损得到降低，还要减少节流损失，并使蒸发器换热效率和压缩机的效率得到提高。

3.3质量流量分析

在蒸发温度、冷凝温度分别为-40℃和40℃的条件下，传热温差达到5℃，伴随着低温级冷凝温度的升高，低温级质量流量有所上升，最高能够达到0.0090kg/g。与此同时，高温级质量流量也有所提高，但是增长幅度不大，最高能够达到0.0097kg/g。相较于低温级，高温级质量流量一直较高，因此高低温级质量比随着低温级冷凝温度的升高而降低，最低达到了1.07。除了低温级冷凝温度，系统高温级质量流量也受系统冷凝温度影响，会随着冷凝温度升高而增加，促使高低温级质量流量比增加。因此想要减少R1270使用量，可以适当降低冷凝温度。

结论：

通过研究可以发现，采用R1270/CO2复叠式制冷系统，调整低温级或高温级的蒸发温度只会引起各自GOP变化。但是对低温级冷凝温度进行调整，系统COP会呈现上上升后下降趋势，系统？损会发生相反的变化，高温级和低温级质量流量都将有所提升。结合系统热力学性能，通过适当降低系统冷凝温度，可以减小系统？损，促使系统COP得到提高。适当提高系统蒸发温度，则能使R1270添加量得到减少，使系统安全性得到增加，继而为系统推广应用奠定良好基础。

参考文献

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作者简介：任继鹏（1982年4月-），女，汉族，辽宁省大连市人，本科学历，工程师，研究方向：制冷设备研发设计。