R1234ze(E)在R134a离心式制冷压缩机中的直接替代研究

2022-08-01衣可心俞国新赵远扬

制冷与空调 2022年3期

衣可心俞国新赵远扬

（1.青岛科技大学机电工程学院青岛 266061；2.青岛海尔智能技术研发有限公司青岛 266000）

0 引言

R134a 是一种常用的HFCs（氢氟烃）制冷剂，其ODP（臭氧消耗潜能值）为0，但是具有较高的GWP（全球变暖潜能值），大量使用会加速全球变暖[1,2]。随着全球对环保要求的日益提高，R134a已被要求削减使用[3,4]。HFOs（氢氟烯烃）制冷剂是一种较好的替代制冷剂，该类制冷剂因ODP 为0 且GWP 较低，受到了广泛的关注并被逐步应用，其中的代表有R1234yf、R1234ze(E)和R1233zd(E)等[5-7]。

R1234yf 目前主要在汽车空调中用来替代R134a，而R134a 离心式冷水机组的可用替代制冷剂主要有R1234ze(E)和R1233zd(E)[8,9]。目前，已有多家公司研发出了以R1234ze(E)、R1233zd(E)为制冷剂的离心式冷水机组，如：丹佛斯、英国Klima-Therm 公司、开利、三菱重工、特灵和格力等[10,11]。

Du Guoliang[12]分别将R1234ze(E)与R134a 在螺杆式冷水机组上开展制冷循环性能试验，进行了制冷量及COP 等方面的测试。A Mota-Babiloni 等[13]对R134a、R1234yf 和R1234ze(E)进行了性能对比研究，并在一个采用往复式压缩机的蒸气压缩系统中进行了容积效率、制冷量和COP 等方面的测试。

由于与容积式（螺杆、往复等）制冷压缩机的工作原理不同，离心式制冷压缩机对制冷剂的物性较为敏感。目前，还未见针对R134a 离心式冷水机组的制冷剂直接替代的研究。因此，本文以离心式制冷压缩机为研究对象，采用CFD 数值方法对R1234ze(E)直接替代的R134a 制冷压缩机进行模拟分析，比较分析机组的制冷性能。

1 制冷剂物性比较

表1 对比了R134a 和R1234ze(E)的主要物性参数[14-16]，相对于R134a，R1234ze(E)具有极低的GWP。R134a 和R1234ze(E)两种制冷剂在压焓图上的饱和线如图1（a）中实线所示。从图中可以看出，R1234ze(E)的饱和线与R134a 的饱和线在压焓图上较为相似。

表1 制冷剂主要物性参数Table 1 Main physical property parameters of refrigerants

两种制冷剂在压焓图上的理论制冷循环（蒸发温度5.5℃、冷凝温度37℃）如图1（a）中虚线所示。可以看出，R1234ze(E)的焓值与R134a 的较为接近，但其压力比R134a 的小。图1（b）为两种制冷剂在不同温度下对应的饱和压力，R1234ze(E)的饱和压力低于R134a 的饱和压力，且随着温度的上升差值逐渐增大。

图1 两种制冷剂热力学图比较Fig.1 Thermodynamic figure comparison of 2 refrigerants

对于离心式制冷压缩机，替换制冷剂的单位容积制冷量与原制冷剂的单位容积制冷量不应相差过大。在标准制冷工况下，两种制冷剂的单位容积制冷量如表2所示。可以看出，R1234ze(E)的单位容积制冷量是R134a 的0.75 倍。

表2 两种制冷剂机组的单位容积制冷量Table 2 Cooling capacity per unit volume of 2 refrigerant units

2 离心式冷水机组

本文采用的双级压缩制冷循环系统的工作回路如图2所示。由蒸发器出来的低压制冷剂气体被压缩机一级叶轮吸入，压缩至中间压力后与从中间冷却器出来的饱和制冷剂蒸气混合，然后被压缩机二级叶轮吸入，压缩到冷凝压力，并进入冷凝器中冷凝成为制冷剂液体，然后进入储液器。从储液器出来的液体分成两路：一路进入中间冷却器的盘管中降低温度，变成过冷液体，经节流阀降压后到蒸发器中蒸发制冷。另一路经节流阀降压后进入中间冷却器蒸发，为冷却压缩机一级叶轮排送到中间冷却器的过热蒸汽和盘管内的制冷剂提供冷量。所产生的制冷剂饱和蒸汽随即被压缩机二级叶轮吸入。此回路所对应的压焓图如图3所示。

图2 双级压缩制冷循环系统图Fig.2 Figure of two-stage compression refrigeration cycle system

图3 双级压缩制冷循环压-焓图Fig.3 Pressure-enthalpy figure of two-stage compression refrigeration cycle

本文采用的离心式冷水机组系统的工况如表3所示。

表3 离心式冷水机组系统工况Table 3 Working conditions of centrifugal chiller system

3 数值方法

3.1 几何模型

抽取离心压缩机的流体域作为几何模型，主要包含叶轮模型、扩压器模型和蜗壳模型（见图4）。叶轮主要参数如表4所示。

图4 叶轮、扩压器和蜗壳的物理模型Fig.4 Model of impeller,diffuser and volute

表4 叶轮主要设计参数表Table 4 Main design parameters of impeller

3.2 网格划分

对叶轮和扩压器单流道进行六面体结构化网格划分，对蜗壳进行四面体非结构化网格划分，通过网格无关性验证，一级叶轮、扩压器和蜗壳的网格总数为946364，二级叶轮、扩压器和蜗壳的网格总数为872912，网格如图5所示。

图5 叶轮、扩压器和蜗壳的网格Fig.5 Mesh of impeller,diffuser and volute

3.3 计算模型与边界条件

设置叶轮流道为旋转计算域，扩压器和蜗壳流道为静止计算域。叶轮周期和扩压器周期均采用周期性交界面，叶轮和扩压器之间以及扩压器与蜗壳之间的交界面采用冻结转子模型。叶轮轮盖、轮盘和叶片表面以及扩压器和蜗壳表面均设置为无滑移、光滑、绝热壁面，设置残差为1.0E-5。

热量传输模型为Total Energy，湍流模型采用Shear Stress Transport 模型。流体分别设置为R134a和R1234ze(E)。利用NIST 物性软件，将制冷剂物性数据转换为含有物性的表格（rgp 文件），导入求解器中进行求解，物性表格以压力和温度为自变量。采用总温总压入口和流量出口边界条件，两种流体的入口总压分别设置为355.78kPa 和263.96kPa，入口总温为8.5℃，出口流量根据不同的工况设置。

4 结果分析

4.1 压力分布

在21000r/min 转速下，流量为1.583kg/s 时，制冷剂在一级压缩机内的压力分布如图6所示。从图中可以看出，两者的压力变化趋势基本相同，都是在叶轮出口处总压达到最大，但此工况下R1234ze(E)的压力变化范围比R134a 的大。

4.2 仿真与试验结果验证

搭建了离心式冷水机组试验台并进行了实验研究。在21000r/min 的转速下，实验研究结果与CFD 结果的比较如图7所示。从图中可以看出，两者的变化趋势基本相同，CFD 计算压比在大部分区域大于实验压比，平均高4.3%，这是由于试验中存在泄漏和一些流动损失，而在CFD 计算时并未考虑这部分损失。实验对比结果表明，CFD数值仿真能基本准确地预测离心式压缩机性能。

4.3 离心压缩机性能分析

为了反映不同工况下压缩机的性能，通常把在一定进气状态下对应各种转速、进气流量与压缩机的排气压力（或压比）、功率及效率的关系用曲线形式表示出来，这些曲线称为压缩机的流量特性线或性能曲线[17]。

本文采用CFD 数值方法分别计算了R134a 和R1234ze(E)这两种制冷剂在转速18000r/min、21000r/min 和24000r/min 下的离心式制冷压缩机的性能曲线，如图8-图10所示。

图8 离心压缩机流量-压比性能曲线Fig.8 Flow-pressure ratio performance curve of centrifugal compressor

图8 为离心压缩机流量—压比性能曲线。从图中可以看出，R1234ze(E)稳定工况的流量范围比R134a 的左移且稍小，并且R1234ze(E)的压比范围变大，即R1234ze(E)曲线的斜率大于R134a 曲线。这是因为R1234ze(E)的分子量大于134a的分子量，而气体分子量增加，压比曲线会上移[18]。当转速为21000r/min 时，R134a 压缩机稳定工况的流量范围为1.17kg/s～2.64kg/s，R1234ze(E)压缩机稳定工况的流量范围为1.0kg/s～2.2kg/s，范围小了约18.4%；R134a 压缩机的压比范围为1.9～2.8，R1234ze(E)压缩机的压比范围为2.1～3.2，范围大了约22.2%。

在小流量区域，R1234ze(E)的压比大于R134a的压比；在大流量区域，R1234ze(E)的压比小于R134a 的压比。转速为21000r/min，当流量小于2kg/s 时，R1234ze(E)压缩机的压比大于R134a 压缩机的压比，当流量大于2kg/s 时，R1234ze(E)压缩机的压比小于R134a 压缩机的压比。

图9 为离心压缩机流量—功率性能曲线。可以看出，在流量和转速相同时，R1234ze(E)压缩机的功率小于R134a 压缩机的功率，且随着流量的增大两者的差值逐渐增大，这是由于R1234ze(E)的分子量大于134a 的分子量造成的。在计算转速下，最小流量时的功率约小1.7%，最大流量时约小10.6%。

图9 离心压缩机流量-功率性能曲线Fig.9 Flow-power performance curve of centrifugal compressor

通常用制冷压缩机的等熵效率表示其的性能，其定义为压缩机等熵功率与实际压缩功率之比，也可用公式（1）计算[19]：

式中：h1为压缩机入口工质焓值，kJ/kg；h2为实际压缩过程出口工质焓值，kJ/kg；h2s为等熵压缩出口工质焓值，kJ/kg。

CFD 计算所得到的离心压缩机的流量—效率性能曲线如图10所示，等熵效率随流量的增大呈先增大后减小的趋势。R1234ze(E)、R134a 压缩机的最大等熵效率均在86%～87%，这说明在替换制冷剂后，压缩机叶轮内的流动状况仍保持较好状态。

图10 离心压缩机的流量-效率性能曲线Fig.10 Flow-efficiency performance curve of centrifugal compressor

4.4 制冷量比较

冷水机组的制冷量通过式（2）算得[20]：

式中：qm为制冷剂的质量流量，kg/s；q0为单位制冷量，kJ/kg；h1为压缩机入口工质焓值，kJ/kg；h8为蒸发器入口工质焓值，kJ/kg。

制冷剂分别为R134a 和R1234ze(E)的离心式冷水机组在3 种转速和相同蒸发温度下，不同冷凝温度下的制冷量如图11所示。可以看出，在同一转速下，当冷凝温度较小时，R1234ze(E)机组的制冷量小于R134a 机组的制冷量，当冷凝温度较大时，R1234ze(E)机组的制冷量大于R134a 机组的制冷量。如：在转速为21000r/min 时，当冷凝温度小于310K 时，R1234ze(E)机组的制冷量小于R134a机组的制冷量；当冷凝温度大于310K 时，R1234ze(E)机组的制冷量大于R134a 机组的制冷量。

图11 不同冷凝温度下的制冷量Fig.11 Cooling capacity at different condensation temperatures

4.5 COP 比较

系统的性能系数COP 通过式（3）算得：

式中：Ped为低压级压缩机的输入功率，kW；Peg为高压级压缩机的输入功率，kW。

制冷剂分别为R134a 和R1234ze(E)的离心式冷水机组在三种转速下，不同冷凝温度下的COP如图12所示。可以看出，在同一转速下，当冷凝温度较小时，R1234ze(E)机组的COP 小于R134a机组的COP，当冷凝温度较大时，R1234ze(E)机组的COP 大于R134a 机组的COP。如：在转速为21000r/min 时，当冷凝温度小于312K 时，R1234ze(E)机组的COP 小于R134a 机组的COP，约小7.0%，当冷凝温度大于312K 时，R1234ze(E)机组的COP 大于R134a 机组的COP。