R448A和R450A在船舶冷库制冷系统替代R22的能量分析和㶲分析

2022-10-13马星星朱生林王金锋

流体机械 2022年8期

马星星，朱生林，谢晶，2，3，王金锋，2，3

（1.上海海洋大学食品学院，上海 201306；2.上海冷链装备性能与节能评价专业技术服务平台，上海 201306；3.食品科学与工程国家级实验教学示范中心（上海海洋大学），上海 201306）

0 引言

制冷剂排放对环境的影响在国际上的关注日益增加［1］。制冷剂R22被应用在空调、热泵和冷库等制冷行业，但R22对臭氧层产生破坏且全球温室效应高［2］。R22的使用被《蒙特利利尔议定书》和《京都议定书》及一系列协议约定限定，发达国家要在2020年之前淘汰R22，发展中国家要在2030年完成对R22的淘汰［3］，因此寻找替代R22合适的制冷剂一直是国际研究的热点［4］。

在制冷剂替代研究中，许多研究是从理论循环、传热特性及压降特性等角度进行分析，基于热力学第一定律，停留在能量“量”的方面［5］，但是由于热力学第一定律没有考虑系统中的环境特性和系统过程中的不可逆性，从而没考虑系统在运行中能量“质”的变化，因此仅以热力学第一定律对系统分析存在缺陷，为了使得对系统的性能分析更加全面，提出对系统进行㶲分析［6］，在对系统㶲分析过程中，运用了能量和质量守恒原理及热力学第二定律，因此可对系统的改进潜力及性能有效的揭示［7］。与能量分析相比，㶲分析是更合理及更全面的评估系统性能的指标［8］。

随着环境问题的日益突出，船上广泛使用的R22制冷剂将逐步被淘汰，使用更加环保的船用制冷剂已经成为必然的发展趋势。对现行船舶使用的R22制冷系统改造研究分为两个方向：一是使用自然制冷剂，如R290，R600a和R744等，需要将整个制冷系统全部更换，以满足自然制冷剂的要求，导致制冷系统的改造成本过高，并且自然工质存在易燃、有毒和系统压力过高等缺点限制了其发展；另一方向是使用合成制冷剂，如R410A，R407C，R32 和 R134a等［9-10］，仅需更换系统使用的制冷剂，大大降低了制冷系统的改造成本。其中R407C是替代R22呼声最高的制冷剂，且在市场上应用最广泛的制冷剂之一［11-13］，但是在船用制冷系统改造中的应用是否具有优势，需要进一步分析确定。

与R22相比，R448A和R450A有更低的GWP值［14］，在船舶制冷系统的改造中有巨大潜力。本文选择对R448A和R450A在船舶制冷系统中替代R22进行㶲分析。与R407C相对比，从能量“质”的方面分析了R448A和R450A替代R22的可行性。

1 制冷剂及系统

1.1 制冷剂

R448A是由R32，R125，R134a，R1234yf和R1234ze（E）组成的五元非共沸制冷剂，质量分数为26%，26%，20%，21%，7%，R450A是由R1234ze（E）和R134a组成的二元非共沸制冷剂，质量分数为58%和42%。R448A，R450A，R407C和R22的基本热力参数见表1［15-19］。

表1 R448A、R450A、R407C和R22的基本热力参数Tab.1 Basic thermal physical properties of R448A，R450A，R407C and R22

从表1可看出，与R22和R407C相比，R448A和R450A的临界压力和临界温度相差较小；R448A和R450A安全等级都为A1，A1为不可燃；R448A和R450A的ODP都为零，不会破坏臭氧层，且GWP低于R22和R407C，因此R448A和R450A的在对环境影响方面有优势。

1.2 制冷系统

某公司的船舶冷库制冷系统如图1所示，系统主要部件为压缩机、冷凝器、热力膨胀阀及蒸发器。系统以R22为制冷剂，且其运行时冷凝温度为40 ℃，蒸发温度为-35 ℃，冷库温度为-30 ℃，船上温度取 32 ℃［20］，系统需要的制冷量为28.7 kW。

图1 船舶冷库制冷系统Fig.1 Refrigeration system diagram of marine cold storage

2 能量分析及㶲分析

对船舶冷库制冷系统使用制冷剂R448A，R450A，R407C和R22时进行能量和㶲分析，比较使用不同制冷剂系统的性能。主要分析的系统部件为压缩机、蒸发器、冷凝器、热力膨胀阀，R22，R407C，R448A 和 R450A 的制冷循环压焓曲线如图2所示。分析过程中，忽略了一些其他因素，将其建立在以下假设的基础上［21］：（1）每个组件都处于稳定的状态；（2）每个组件进出口之间流体的势能和动能变化忽略不计；（3）制冷剂的参考状态条件为T0=298 K和压力为P0=1.01×105Pa；（4）管内的㶲损失忽略不计；（5）压缩机压缩过程是不可逆的且考虑压缩机等熵效率，热力膨胀阀为等焓膨胀，蒸发器和冷凝器出口流体为饱和状态。在计算过程中所需的制冷剂参数可从Refprop9.0数据库中获取。

图2 R22，R407C，R448A和R450A船舶冷库制冷循环压焓曲线Fig.2 Pressure-enthalpy diagram of marine cold storage refrigeration cycle using R22，R407C，R448A and R450A

在能量分析中，COP是最常用于评估制冷系统效率［22］。制冷系数COP是一种评定相同热源温度下循环经济性的指标，制冷系数越大，系统循环的经济性越好。因此，COP可作为重要的衡量替代制冷剂可行性的标准。其表达式：

式中Q——制冷量，kW；

W——压缩机功耗，kW。

Q和W表达式为：

式中m——制冷剂质量流量，kg/s；

h1，h2——压缩机的入口、出口焓值，kJ/kg；

h4——蒸发器入口焓值，kJ/kg。

压缩机出口实际焓值计算表达式［23］：

式中h2s——压缩机理论出口焓值，kJ/kg；

ηs——压缩机等熵效率。

等熵效率表达式［24］：

式中P1，P2——压缩机入口、出口压力，MPa。

㶲可衡量系统偏离给定状态和参考状态程度，通过㶲可更加全面的分析系统效率。在系统的运行过程中，会因系统中不可逆性消耗部分㶲，被消耗的㶲称为系统内部㶲损失，因此系统的输出处的㶲比输入口的㶲小。所以㶲平衡的一般表达式为：

式中Ein，Eout——系统入口处和出口处的总㶲，kJ/kg；

Edest——系统的总㶲损失，kJ/kg。

式（6）写成系统稳态过程的㶲平衡表达式为：

式中e——分别是制冷剂㶲值，kJ/kg；

Q——换热量，kW；

Tb——热量通过的边界温度，K；

W——系统的功率，kW。

制冷系统中制冷剂的㶲值e表示为：

式中h0——制冷剂参考状态时的焓值，kJ/kg；

S0——制冷剂参考状态时的熵值，kJ/（kg·K）。

对于比较系统的效率，㶲效率是一个非常有意义的一个指标，其表达式为：

式中Eeff——系统的㶲效率。

制冷剂循环所需要的功率即压缩机功耗，因此效率表达式也可为：

可逆过程，㶲效率为1，不可逆过程㶲效率则小于1。

对图1船舶冷库制冷系统主要部件进行㶲损失计算。

压缩机：

式中S2，S1——压缩机出口处、入口处制冷剂的熵值，kJ/（kg·K）。

蒸发器：

式中Tb,evap——蒸发器传热边界温度，K；

h4——蒸发器入口焓，kJ/kg；

S4——蒸发器入口的熵，kJ/（kg·K）；

h1——压缩机入口的焓，kJ/kg；

Q——蒸发器换热量，kW。

热力膨胀阀：

式中S3——热力膨胀阀入口熵，kJ/（kg·K）。

冷凝器：

式中h3——冷凝器出口焓，kJ/kg；

Q——冷凝器换热量，kW；

Tb,cond——冷凝器传热边界温度，K。

系统总㶲损失可表示为：

3 结果与讨论

3.1 制冷系数

制冷系数是最常用于制冷系统能量性能分析参数之一。系统在相同的热源温度下，制冷系数越大，系统的循环经济性越好。将R22，R407C，R448A和R450A作为制冷剂在船舶冷库制冷系统运行时的制冷系数，作为判断R448A和R450A替代R22的可行性的指标之一。由图3可知，R407C，R448A和R450A制冷系数分别为R22的77.59%，78.68%和97.05%。其中R450A与R22的COP接近，仅小2.95%。而R448A的COP比R22约小11.32%，但比R407C大1.41%。因此，通过比较制冷系数，R448A和R450A是可作为R22的替代制冷剂，其中R450A更合适。

图3 R22，R407C，R448A和R450A制冷系数Fig.3 Refrigeration coefficient of R22，R407C，R448A and R450A

3.2 㶲损失

㶲是基于热力学第二定律，从能量“质”的方面对制冷系统运行性能进行评估的指标。通过比较R22，R407C，R448A和R450A作为系统制冷剂时的㶲损失，得到在不可逆过程中的能量损失（如图4所示），从而判断R448A和R450A替代R22的可行性。从中图可得出，R407C，R448A和R450A的总㶲损失都比R22高，分别高48.52%，45.51% 和 30.90%。R407C，R448A和 R450A的㶲损失与R22差距较大，主要原因之一是此系统是针对使用R22为制冷剂进行设计，选用了适合R22的组件，特别在压缩机和热膨胀阀处，从图5中可以看出，R22，R407C，R448A 和 R450A 在压缩机和热力膨胀阀处的㶲损失为㶲损失的主要部分，分别占 70.47%，75.62%，75.33%，81.88%。而R407C，R448A和R450A在压缩机和热力膨胀阀处的㶲损失比R22，分别高出56.64%，55.54%和52.09%，所以使得R22总㶲损失更小。制冷剂的物理性质对系统的㶲损失也会有一定的影响，由于R407C，R448A和R450A冷凝压力和蒸发压力之比较大，分别比R22高37.31%，27.62%和34.57%，导致R407C，R448A和R450A在热力膨胀阀和压缩机处的㶲损失比R22高。因此，通过㶲损失的对比，R450A相对更合适替代R22，R448A㶲损失虽然比R407C小，但与R22有较大的差距。对于制冷系统优化，可通过选择适合其工质的压缩机和节流装置可大大地减少㶲损失。

图4 R22，R407C，R448A和R450A制冷系统总㶲损失Fig.4 Total exergy loss of R22，R407C，R448A and R450A refrigeration system

图5 R22，R407C，R448A和R450A制冷系统各组件㶲损失Fig.5 Exergy loss of each component of the R22，R407C，R448A and R450A refrigeration systems

3.3 㶲效率

㶲效率可衡量系统对能量利用率的重要参数，㶲效率越高，能量利用率越高，能量损失越小。对于制冷系统，选择合适的制冷剂，提高㶲效率，减少能源损失，从而减少对环境的影响。从图 6可发现，R22，R407C，R448A 和 R450A 在船舶冷库制冷系统运行的㶲效率，R407C，R448A和R450A的㶲效率分别为R22的78.82%，79.85%和85.31%。从图7可见，R407C，R448A和R450A在压缩机和热力膨胀阀处的㶲效率与R22有较大的差距，由于R407C，R448A和R450A在压缩机和热力膨胀阀处的㶲损失与R22有较大的差距。而在冷凝器和蒸发器中，R22，R407C，R448A和R450A的㶲效率都较低，冷凝器和蒸发器主要是传热㶲损失，主要由制冷剂和空气之间的温差引起，温差越大㶲损失越大，而冷凝器的㶲效率比蒸发器低，主要是由于在冷凝器中，制冷剂传给空气的热量没有被利用导致㶲效率低。对R22的替代，R448A和R450A的㶲效率都比R407C高，但比R22低。其中R450A与R22㶲效率更加接近，因此，R450A更合适替代R22。对于制冷系统的优化，可通过强化蒸发器和冷凝器换热和减小传热温差，选择合适制冷剂的压缩机和热力膨胀阀来提高系统㶲效率。