CO2跨临界制冷系统在饮料现调机中的实验研究

葛住军，王培文，田立强

（康富（天津）有限公司，天津 300457）

CO2是天然制冷剂，无毒、无味、不可燃，具有环境友好性和优良的热物理特性，在空调制冷系统中有着其它制冷剂无可比拟的优势［1］。作为最早的制冷剂之一，在19 世纪末到20 世纪30年代得到了普遍的应用，但随着CFCs的出现，CO2逐渐退出制冷剂领域［2］，其原因是当时采用亚临界循环，由于临界温度较低，当环境温度稍高时，CO2的制冷能力急剧下降，功耗增大，经济性受到严重影响。当制冷剂环保问题日益突出，并随着跨临界制冷循环的提出，CO2作为理想的制冷剂开始重新获得新生［3］。

在国外，早在20 世纪以来欧、美、日等发达国家进行了关于CO2跨临界循环的研究和开发，并在制冷、热泵等领域得到了广泛应用。国内也有许多科研机构和高等院校对跨临界CO2制冷系统进行了研究，并取得了一定的成果［3-4］。但是我国和国外研究现状相比，无论是理论研究还是实践应用，都有很大的差距。

随着环境问题的日益突出和大型企业积极履行企业社会责任，饮料行业需要在现调机制冷系统中应用环境友好的制冷工质。在饮料现调机中制冷系统的作用就是为饮料冷却提供冷源，保证水箱的水温和必须的冰板重量，本文根据现调机的特点，在40℃环境温度下通过毛细管，冷媒量的组合实验研究，确定了满足冰板重量设计要求的最佳跨临界CO2制冷系统。

1 饮料现调机工作原理

饮料现调机一般应用于快餐店，便利店，食堂，车站等场所，机器本身就可以现场调制出不同口味的碳酸和果汁饮料。考虑到饮料售卖既有高峰期又要随时能够售卖的特点，一般现调机使用冰蓄冷技术，即机器本身设计一定重量的冰板，通过冰的潜热能为高峰售卖时段提供冷源。饮料的冷却是通过独立的封闭式冷却盘管在低温水浴中换热实现。现调机工作原理如图1所示：将饮用清水或碳酸水和糖浆通过不锈钢盘管与水箱中的冰水进行冷热交换，将常温的水和糖浆冷却至2℃左右再送至饮料阀按照一定糖水比例混合后斟出。

现调机一般都使用小容量制冷系统，通过一定时间的初次结冰过程，形成冰板。形成冰板以后，系统将由冰板控制器维持冰板重量，所以初次结冰重量和时间，是衡量现调机制冷系统的重要指标，初次结冰过程和初次结冰结束前的制冷系统参数是现调机制冷系统设计的要点。

2 跨临界CO2 制冷系统设计

图1 现调机工作原理及制冷循环图

根据现调机的应用场合，考虑到周围设备的影响，现调机设计环境温度为40℃ ，远大于CO2临界温度(31.1℃)，当热汇温度超过CO2的临界温度时，宜采用跨临界循环方式。另外，饮料现调机在装机后首次结冰时水箱温度较高约为32℃，此时蒸发温度很高，但随着制冷系统的运行，水箱温度逐渐下降到0℃然后开始结冰，直到冰控器检测到冰层厚度达到设计要求，压缩机停止工作。初次结冰以后，水箱水温将会一直保持在0℃度左右，售卖饮料时，冰板逐渐融化以保证水箱温度，通过冰板控制器控制制冷系统周而复始的运行。

CO2跨临界制冷循环的流程与普通的蒸汽压缩式制冷循环略有不同, 压缩机的吸气压力低于临界压力, 蒸发温度低于临界温度, 但压缩机的排气压力高于临界压力，循环的吸热过程在亚临界条件下进行, 换热过程主要是依靠潜热来完成, 冷却换热过程依靠显热来完成。热力学循环的分析表明，回热器可以降低节流过程的热力学损失，有助于大幅度提高跨临界CO2循环在高温环境下的性能，因而CO2系统一般配备回热器，本文采用套管式回热器。该循环由压缩机、气体冷却器、内部回热器、毛细管、蒸发器等组成，制冷系统循环如图1所示，CO2跨临界P-h 图如图2所示。

系统工作时，低温低压CO2气体f在压缩机内升压至超临界状态a（fa过程），然后进入气体冷却器，被空气冷却（ab过程），冷却后超临界流体b流入回热器，进一步被压缩机回气冷却到状态c（bc和ef过程），随后被毛细管节流降压至亚临界两相流状态d（cd过程），进入蒸发器吸收水箱中的热量而制冷（de过程），气态的亚临界CO2e进入回热器吸收一部分从气体冷却器出来进入回热器的超临界CO2流体b的热量，低温、低压的CO2f再进入压缩机压缩，如此周而复始。

图2 CO2 跨临界P-h 图

CO2跨 临界循环具有的特点：CO2的吸、放热分别在亚临界和跨临界区进行，高压侧的冷却过程中不发生相变, 换热全部通过显热交换完成；CO2循环在跨临界条件下运行, 其工作压力虽然较高, 但压比却很低，压缩机的效率相对较高，跨临界循环的排气压力约12MPa左右, 这就要求系统部件选型时要考虑承压参数。

现调机在首次拉低温结冰过程中，水温度变化很大（初始水温32℃），从而气冷器出口制冷剂温度的变化也很大，为提高系统COP，需要控制系统运行的高压压力。现调机的初次结冰时间，冰板重量是考核的指标之一，所以通过提高压力、牺牲COP来获得较大的制冷量，这是传统制冷系统所不具有的特征。高压值的控制需要综合考虑以下3个因素：气冷器出口的CO2温度；系统COP；系统运行时的压力和温度要低于允许的最高运行压力（14 MPa）和压缩机最高排气温度 （140℃）。压缩机安全运行范围［5］如图3所示并且规定正常运行范围为区域B（最大排气温度140℃，最大吸气温度40 ℃），异常运行范围为区域A（最大排气温度140-150 ℃，最大吸气温度40-45 ℃）。

图3 压缩机运行范围图

3 实验测试和结果

本文研究的现调机对制冷系统的设计要求和主要部件如下：

设计工况：40C环境温度，75% 相对湿度，冰板重量10.5±0.5kg，初次结冰时间不超过10小时，水箱容积42升，使用制冷剂为CO2。

根据负荷计算，制冷压缩机选择了某品牌CO2压缩机，制冷量：660W。

气体冷却器为5管翅式换热器，铜管壁厚1.0mm，节流装置为毛细管，蒸发器为7.92不锈钢管。本机器高压设计压力为14MPa, 低压侧设计压力为6MPa, 并且安装14MPa 的高压压力开关以确保系统安全可靠。

3.1 实验方法

在已选定气体冷却器，冷却电机扇叶，压缩机，回热器和蒸发器的前提下，先不考虑冰控器的控制，每次实验初次结冰时间控制在9小时，通过实验对比不同毛细管规格和充注量组合实验结果，以消耗单位电量可形成冰板来衡量现调机制冷效率和系统高低压是否满足压缩机安全运行范围作为确定毛细管和CO2充注量的依据。

3.2 毛细和充注量确定

高压侧压力的高低主要由高压侧容纳的实际制冷剂质量来决定，蒸发温度主要由毛细管长度来调整.因而在实验过程中，当换热器的空气进口条件确定以后，通过制冷剂充注量和毛细管长度这两个量的调整来使系统性能达到最优。根据初步估算毛细管初始设定为2.5m，CO2充注量初始设定为230g，根据实验结果进行调整，四次实验结果如表1所示，四次实验的高低压点在压缩机运行范围的位置如图4所示。实验1和2 在初始拉低温阶段，系统排气压力已经长时间超过正常运行范围，所以不再继续进行后续实验，最终选定实验3和实验4的配置进行详细的系统参数确认。

表1 各配置和实验结果对比

图4 制冷系统压力运行范围

3.3 制冷系统参数测试结果

在确定了系统毛细管和充注量后，需要详细进行系统温度和运行电流的测试，为了保证CO2系统运行的可靠性，实验3的配置在初次结冰冰9小时能够结冰12.2kg，可以满足设计要求，因为考虑不同环境温度下冰板形状和72小时冰板稳定性，当环境温度下降时，气体冷却器冷凝压力下降，进入蒸发器的制冷剂流量减少，所以继续追加30g冷媒进行测试，为后续实验改进提供储备数据。当冷媒增加时，系统高压明显上升，经过内部回热器后的压缩机吸气温度下降，系统冷媒过量。实验3和4系统各温度点测试结果如图5，图6和图7所示。实验4在拉温时因冷媒量偏多，系统最大输入功率较实验3高出约100W，在停机前系统主要参数如表2所示。实验4在拉温过程中，最大电流高出实验3约0.8A，结合压缩机OLP温度点，存在压缩机热保护风险，并且最大排气压力有90min时间超出压缩机安全运行范围，但在结冰结束前各参数相差不大。

表2 结冰结束制冷系统主要参数

图5 温度曲线对比

图6 功率电流曲线

3.4 确定冰控器控制的冰板厚度

通过系统高低压，功率电流对比及停机前各主要参数，选定实验3配置作为系统定型配置，再通过蒸发器形状和冰板重量的设计要求计算出冰控器控制的冰层厚度，重新进行初次结冰，测试冰控器实际控制的冰板重量和初次结冰时间，满足设计要求，再进行其他工况的测试，以保证该系统在全工况下运行可靠。

图7 压缩机吸排气压力曲线

4 结束语

跨临界CO2制冷系统应用于饮料现调机，我司已经实现批量商业化生产，本文只涉及到关键的制冷系统设计，实验的方法和系统参数的确定，除此之外，要实现商业化生产还需解决以下问题：

1）针对跨临界单循环CO2制冷系统高压侧和低压侧压力，制冷循环系统换热器，连接管路，压力开关的选型要保证系统的高压设计压力；

2）针对CO2跨临界制冷系统的高压工作特点，制冷系统的真空度和焊接工艺是保证系统安全可靠的前提；

3）现调机通常在室内使用，噪音和振动也是一个关键的考核指标，系统匹配时确保CO2压缩机运行的压力范围，并在结构设计时防止共振发生。