配置露点蒸发器的新型空气制冷循环的热力分析

2021-04-17邢子文

制冷学报 2021年2期

王鹏王闯邢子文

(西安交通大学能源与动力工程学院西安 710049)

随着我国经济科技水平的不断提高，冷链迅速发展，近年来冷库容量不断扩大。目前国内的冷库中，主要使用的制冷剂有NH3、CO2及氟利昂，其中NH3与CO2是较为热门的制冷剂，而氟利昂制冷剂主要应用于中小型冷库[1-2]。由于技术及经济发展导致的诸如臭氧层破坏、全球变暖效应等环境问题，人们环保意识不断增强，对于低碳型、低能耗的要求也越来越高，因此冷库节能、制冷流程优化以及制冷剂的研究及替代备受关注[3-5]。

作为天然工质的空气是最符合环境要求的制冷剂。由于其可靠性高、制冷温度低、设备简单可靠、流程多样及使用方便等优点，自1844年布雷顿(Brayton)空气制冷机发明以来，在飞机空调、工业材料的冷却处理、低温环境实验模拟以及石化工业的存储与加工等方面得到了广泛的应用[6-8]，但空气制冷机应用于冷库的研究较少。赵家强等[9]针对用于-35 ℃急冻的NH3/空气复叠循环和NH3完全中冷双级压缩循环进行了理论对比，指出两种循环COP相差较小，而且与空气的复叠循环能减少氨的充注量，但还没有脱离以NH3制冷循环为基础。因此需要进一步研究空气制冷机在冷藏方面的应用。

露点间接蒸发冷却技术是利用水的蒸发潜热，利用空气的干球温度和不断降低的湿球温度之差进行换热，将空气温度冷却至接近露点温度。在过去数十年中，大量不同的蒸发冷却技术已经被提出并应用于工业冷却、HVAC、小气候冷却及其他领域[10-12]。露点间接冷却器占地面积小，安装形式灵活，且具有节能、环保等优势，但很容易受环境影响，使用场所有一定的限制[13-15]。将机械制冷与露点间接蒸发冷却技术耦合，弥补单独使用的不足，可以实现一定程度上的优势互补。蒸发冷却与机械制冷耦合空调技术具有良好的应用优势和前景[16]。

若将IEC(indirect evaporative cooler，间接蒸发冷却器)应用于空气制冷循环中，可以进一步提高制冷循环效率，提高空气制冷应用的温度范围，进而提高其在冷库中应用的可能。

1 新型复合制冷循环

1.1 新型循环流程

本文提出一种将空气制冷循环与IEC耦合的新型空气制冷循环。该循环将IEC与空气制冷循环相结合，主要实现两者的协同运行，通过IEC对一次空气的预冷作用，减少空气制冷负荷，并利用二次空气冷却压缩机出口工质，提高空气制冷的性能。

新型空气制冷循环流程图如图1所示。在新型空气制冷循环中，外界环境空气经过滤器后进入IEC，被IEC冷却至露点温度的一次空气送入压缩机，经压缩机压缩、换热器冷却后得到高压空气，经过除湿后进入膨胀机得到低温空气，膨胀得到的低温空气可直接送入库内制冷送风，温度升至制冷温度4′的空气可经过回风送入回冷器以冷却高温空气。经IEC的二次空气可用于初步冷却经压缩后的高温高压空气。

图1 新型空气制冷循环流程图

新型空气制冷循环的T-s图如图2所示，其中Ta、Tr分别为环境温度和制冷温度，K。

图2 新型空气制冷循环T-s图

1.2 制冷循环的热力计算

为了更直观的了解新型循环的性能变化，同时进行了未耦合IEC的空气制冷循环及NH3蒸气压缩制冷循环的性能参数的计算。其中NH3蒸气压缩制冷循环的T-s图如图3所示。

图3 NH3制冷循环T-s图

为了方便计算，对新型空气制冷循环进行计算分析时，进行如下假设：

1)忽略压缩机、膨胀机换热的影响，即压缩过程和膨胀过程均按等熵绝热过程计算；

2)设备和管道中无阻力损失，即无压力降，换热器中均为等压换热；

3)考虑换热器的传热温差，本文中冷凝器传热温差取10 ℃，其他传热温差取5 ℃[5,17]；

4)露点间接蒸发冷却器换热充分，即一次空气可冷却逼近露点温度；

5)认为膨胀器中进行的是干空气的绝热膨胀过程。

露点蒸发器能量守恒过程：

m(h1-h0)=m′(h0-h0′)

(1)

湿空气参数计算主要参考文献[18]，其中湿空气的含湿量计算：

(2)

当湿空气露点温度温度位于0～93 ℃，露点温度可由式(3)得到：

(3)

式中：α=lnpv；c14=6.54；c15=14.526；c16=0.738 9；c17=0.094 86；C18=0.456 9。

湿空气的焓值计算：

h=1.006t+(1.86t+2 501)d

(4)

压缩机排气温度：

(5)

NH3循环制冷量：

qNH3=h1′-h4

(6)

空气制冷循环制冷量：

qair=h4′-h4

(7)

NH3循环的性能系数：

(8)

空气制冷循环的性能系数：

(9)

其中多点工质状态参数可通过Refprop软件查询计算。

2 计算结果及分析

2.1 设定工况下的计算结果

由于文中提及的空气制冷循环为开式直接冷却流程，直接冷却流程可以消除由热交换器的传热温差所引起的不可逆损失。而NH3蒸气压缩循环的蒸发器、冷凝器存在一定的传热温差，因此对于流程计算的运行参数设定如表1所示。

表1 工况参数设定

当忽略压缩机的等熵效率及膨胀机的等熵效率时，设定工况参数下的耦合IEC前后的空气制冷循环及NH3蒸气压缩循环计算结果如表2所示。

由表2可知，相比NH3蒸气压缩制冷循环，即使耦合了IEC的新型空气制冷循环也仍然存在容积制冷量少、制冷系数小等问题。但由于NH3蒸气压缩循环的压比过高，达到10.27，一般需要采用复叠式制冷或双级压缩的形式，这会造成结构复杂、成本增加等问题。相比之下空气制冷循环的流程与设备更简单。低温气流在库内直接进行换热，省去了冷库排管或冷风机等设备，不仅消除传热温差，而且基本不需要考虑除霜问题，减少了很多因除霜造成的操作热。相比普通空气制冷循环，对于耦合了IEC的空气制冷循环，由于IEC的预冷作用存在，吸气温度降低，从而排气温度降低，这有利于压缩机的运行，并使压缩机功耗减小。同时由于吸气状态变化，新型空气循环的容积制冷量得到提高，且COP提高了15.69%，效率得到了提高。

表2 计算结果

2.2 运行参数对性能系数的影响

当其他工况参数设定不变，容积制冷量及COP随环境温度的变化如图4所示。由图4可知，当环境温度从20 ℃升至40 ℃时，容积制冷量及COP均随环境温度的升高近似线性降低。耦合IEC后的空气制冷循环的容积制冷量及COP随着环境温度变化而减小的速率最小，但空气制冷循环随环境温度降低的速率均较小，而NH3蒸气压缩循环随环境温度的改变变化显著。

图4 性能参数随环境温度的变化

当其他工况参数设定不变，制冷循环的容积制冷量及COP随制冷温度的变化如图5所示。制冷温度改变对空气制冷循环及NH3制冷循环的影响与环境温度的影响恰好相反。综合图4、图5可知，耦合了IEC的新型空气制冷循环性能随参数的改变而变化较小，具有更好的环境适应力。

图5 性能参数随制冷温度的变化

当其他工况参数不变时，耦合IEC前后的空气制冷循环的容积制冷量及COP随工作压比的变化如图6所示。由于空气的容积制冷量小，设备体积一般较大，因此需要获得更大的容积制冷量。由图6(a)可知，需要高压比。但由图6(b)可知，在高压比时，空气制冷循环的COP很小，且压比过高对设备耐压会有更高的要求。因此，最高COP的工作压比并不是最好的工况点，压比的选取需要综合考虑这两个因素。对于耦合IEC前后的空气制冷循环，容积制冷量相对差值保持在5.21%不变，但COP相对差值随着工作压比的升高从34.7%降至12.66%。随着压比升高，COP变化幅度先突增后逐渐变小，工作压比对COP的影响逐渐变小。