冷藏/冷冻车辆用制冷机组的性能实验及模拟

王振环 崔然成 王珊珊

(1 滨州学院机电工程学院 滨州 256600;2 韩国制冷空调认证中心 华城市 18608)

近年来,随着国内居民收入水平的稳步增长,消费水平的提高,人们对于食品的多样性、营养性、新鲜度、口感需求也大幅提升[1]。同时,随着国内电商以及疫情的发展,生鲜电商、蔬果宅配等业务不断扩大。从2017年至2021年国内生鲜电商市场规模已从1 097亿元增长至6 861亿元[2]。国内生鲜电商市场规模的扩大推动国内食品领域对冷链物流需求量不断增加。数据显示,2016年国内冷藏车销售量约为22 406辆;至2020年底增至79 865辆[3]。由于制冷机组必须将冷藏/冷冻车辆内的温度保持在一定范围内,并且需要进行适当的温度控制,冷藏车比一般车辆能耗大。因此,需要持续的技术开发来提高能源效率并减少CO2的排放。

为减少冷藏运输过程中的能量消耗,近年来国内外研究人员进行了较多的研究工作。王振环等[4-5]实验研究了冷藏/冷冻车辆用冷凝器和蒸发器的不同翅片形状、翅片节距、管排数和空气流量对空气侧传热和压降性能的影响。秋雨豪等[6]对高温环境下冷藏车用制冷机组的压缩机吸/排气温度和压力、制冷能力以及高湿环境下的蒸发器回风温度和结霜情况进行了实验研究。赵娟等[7]在疫苗冷藏车在压缩机转速为1 800 r/min条件下,分别对太阳辐射强度、风道结构、制冷机组开关及门帘有无4个车厢热性能影响因素进行了实测研究。张皓月等[8]以2～8 ℃小型疫苗冷库为研究对象,研究了无负载情况下库内冷风机布置台数、冷风机不同布置方式和库门开启状况下对冷库温度场的影响。王勤等[9]研究了环境温度对空气制冷循环的影响,并与蒸气压缩制冷系统进行了对比。Y. C. Shin等[10]对比分析了不同条件下冷冻车冷藏系统制冷剂R404A和R134a的性能,结果表明R134a的效率比R404A高约15.3%。H. Oh等[11]研究了R744-R404A阶梯式系统最佳的制冷剂填充量的质量流量比,确认高温循环的过冷度和过热度越大,质量流量比越小。孙志利等[12]分析了R404A制冷剂替代的研究进展,指出R449A制冷剂COP(性能系数,coefficient of performance)高于R404A,可直接用于现有R404A制冷系统改造。王汝金等[13]对R449A在压缩冷凝机组中作为R404A制冷剂的直接替代可行性开展了较为系统的实验研究,名义工况下COP比R404A原型机组高2.58%且GWP(全球变暖潜值,Global Warming Potential)优势显著。秋雨豪等[14]研究了制冷剂充注量对冷藏车用制冷机组性能的影响。相对于标准充注量,在制冷剂欠充20%和10%条件下,制冷能力分别降低约10%和7%;在制冷剂过充10%和20%条件下,制冷能力仅有不足3%的提升。刘杰等[15]利用新型换热器来降低汽车空调系统的制冷剂充注量。C. W. Myung等[16]研究发现采用制冷剂R744的冷藏车用制冷机性能随工况变化较为敏感,室外温度由25 ℃升至35 ℃,COP降低30%。H. M. Yang等[17]通过数值模拟预测了压缩机性能随制冷剂的变化。Liu Guanghai等[18]研究了一种新型相变蓄冷单元作为运输冷藏车的移动制冷机组以提高其室温控制性能。

综上所述,虽然对制冷机组的研究较多,但对于超低温用复叠式制冷机或11 t车辆上使用的大中型制冷机组性能实验的研究较少。车用制冷机组的研究大多是基于理论分析方法的性能预测研究。因此,本研究设计制造了一台使用R404A制冷剂的10 kW制冷机组,对制冷机组的性能进行了实验研究和数值模拟,并进行了对比。根据过热度和制冷剂量充注量的不同分析了制冷机组的制冷能力、高低压力和COP。

1 实验装置及数值模拟

1.1 性能测试装置及方法

为了测试冷藏/冷冻车辆制冷机组的性能,本次制冷机组性能测试在韩国制冷空调认证中心(Korea Refrigeration and Air Conditioning Assessment Center,KRAAC)完成,实验装置如图1所示,包括保持室内温度和湿度的空气调节器、电力供给装置、测量风量、热量测量装置和数据采集装置等外部设备。该实验装置的热量计最大制冷能力为70 kW,通过PID控制,将箱体的干/湿球温度保持在设定值的允许范围内(±0.3 ℃)。在制冷剂方面,制冷系统中安装了质量流量计(精度为0.1%)、RTD温度传感器(精度为±0.1 ℃)及压力计,以分别测量制冷剂循环流量、温度及压力数据。空气侧风量根据ASHRAE标准41.2[19]使用喷嘴法进行测量。喷嘴前、后端压力采用压力传感器测量,压力表误差为±0.1%。

图1 实验装置

实验使用的制冷机组如图2所示。机组设备包括压缩机、冷凝器、蒸发器、电子膨胀阀、内部换热器等组成。制冷剂为R404A,多用于大中型制冷机组,压缩机为涡旋式,蒸发器翅片类型为波浪翅片,冷凝器翅片类型为百叶翅片。调节电子膨胀阀开度的同时控制制冷循环的过热度,并采用内部换热器提高制冷机组的性能。测量空气侧和制冷剂侧数据以得到制冷能力偏差小于±5%的数据。

图2 制冷机组

为了得到准确的制冷机组各项数据,以2 s为间隔储存,对5 min的测量值进行平均,并测量7次以计算总平均值。根据式(1)～式(3)计算出空气侧热量Qa、制冷侧热量Qr、平均热量Q。

(1)

(2)

Q=(Qa+Qr)/2

(3)

为了优化制冷机组的制冷循环,在固定压缩机转数、室内外温湿度等情况下,改变制冷剂充注量和过热度,研究了制冷循环的性能。为了确认最佳制冷剂充注量和过热度,对制冷剂充注量进行了先行实验,将制冷剂充注量定为6.6～7.8 kg,间隔为0.4 kg;各制冷剂充注量的过热度变化为2、4、6 ℃,分析了制冷机组的制冷能力、COP和压力等性能变化。表1所示为采用ATP[20]标准的制冷机组实验条件,将室内外分开,室内设置了入口干球温度和露点温度。表2所示为用于冷藏/冷冻车辆制冷机组的规格参数。

表1 制冷机组的实验条件

表2 制冷机组的规格参数

1.2 数值模拟方法

(4)

(5)

由式(4)、式(5)可得:

(6)

热传单元数NTU:

(7)

式中:Ch为热流体的热容量,J/(kg·℃);thi为热流体的进口温度,℃;tho为热流体的出口温度,℃;Cc为冷流体的热容量,J/(kg·℃);tco为冷流体的进口温度,℃;tci为冷流体的进口温度,℃;Cmin为最小热容量,J/(kg·℃);U为整体传热系数,W/(m2·℃);A为传热面积,m2。

蒸发器出口处的制冷剂状态是过热蒸气时,过热蒸气的传热相关表达式为努塞尔数表达式:

(8)

冷凝器入口为过热蒸气状态时,关联式采用Dittus-Boelter式。冷凝器出口为过冷条件时,采用式(9)的关联式。

(9)

输入项目主要由流体选定、空气和制冷剂输入条件、蒸发器设计参数以及翅片类型等组成。输出结果主要由制冷剂侧、空气侧构成。制冷剂侧计算得出压降、过热度、区间传热系数、总传热系数。空气侧计算得出出口空气温度及温差、压降、除湿量、传热系数、j因子、f因子、总传热系数等。循环数值模拟流程图如图3所示。

图3 循环模拟流程图

2 实验及模型结果分析

2.1 制冷剂填充量对制冷机组影响

图4(a)所示为过热度4 ℃状态下,不同制冷剂充注量的制冷循环系统制冷能力和COP实验值与模拟值对比。由图4(a)可知,随着制冷剂充填量的增加,制冷能力和COP也随之增加。当制冷剂量为7.4 kg时,实验结果制冷能力最大为12.20 kW,数值模拟结果为12.37 kW。随着制冷剂充注量增至7.8 kg时,制冷能力下降,COP也呈现相同趋势。对于制冷能力和COP,实验结果与模拟值变化趋势基本一致。根据制冷剂充注量的不同,实验结果与数值模拟结果的制冷能力和COP误差小于1%。图4(b)所示为过热度4 ℃状态下,不同制冷剂充注量的制冷循环系统的高压和低压实验值与模拟值对比。由图4(b)可知,当制冷剂充注量为6.6 kg时,制冷机组的低压和高压最低,随着制冷剂充注量的增加,高低压呈上升趋势。当制冷剂为7.4 kg时,实验结果高、低压最大分别为2 061.5 kPa和304.5 kPa,数值模拟结果分别为2 091.4 kPa和314.5 kPa。当充注量从7.4 kg增至7.8 kg时,高压增加了1 kPa,低压降低了2 kPa。模拟结果与实验结果相比,总体上高压误差在2%以内,低压在4%以内。由实验和模拟结果可知,制冷剂量为7.4 kg时,制冷机组的制冷能力和COP最高,因此选定为最佳制冷剂量。

图4 不同制冷剂充注量的制冷能力和压力(实验-模拟)

2.2 过热度对制冷机组影响

图5(a)所示为制冷剂充注量为7.4 kg状态下,不同过热度的制冷循环系统制冷能力和COP实验值与模拟值对比。由图5(a)可知,实验值和模拟值当过热度由2 ℃升至4 ℃时,制冷能力分别上升约0.8%和0.7%;由4 ℃升至6 ℃时,制冷能力分别下降约5.9%和2.1%;当过热度由2 ℃升至4 ℃时,制冷机组的COP分别上升约1.1%和0.6%;由4 ℃升至6 ℃时,制冷机组的COP分别下降约6.3%和1.7%。模拟值比实验值制冷能力高约6.8%,COP低约6.1%。随着过热度增至6 ℃时,制冷能力下降,COP也呈现相同趋势。图5(b)所示为制冷剂充注量为7.4 kg状态下,不同过热度的制冷循环系统的高压和低压实验值与模拟值对比。由图5(b)可知,实验值与模拟值随着过热度的增加,高低压有上升的趋势。当过热度由2 ℃升至6 ℃时,高压分别增加约1.6%和1.3%,低压分别增加约4.1%和2.7%。模拟值与实验值相比,高压和低压分别高约1.9%和2.5%。为了控制过热度,对电子膨胀阀开度进行了调节。在低过热度区域2～4 ℃,由于适量的制冷剂进行热交换后制冷能力上升。但当过热度大于4 ℃时,由于制冷剂的比体积将大幅增加,制冷机组的压力也增大,而制冷能力和COP大幅减少。由实验和模拟结果可知,制冷机组的制冷循环在过热度为4 ℃时,制冷能力和COP性能最佳,因此选定为最适合过热度。

图5 不同过热度的制冷能力和压力(实验-模拟)

由图4和图5可知,模拟值和实验值显示,制冷能力和COP的误差分别为6.4%和8.5%。所有误差均在10%以内。数值模拟结果与实验值吻合良好,误差均在合理范围之内,故可用数值模拟的方法检验制冷机组性能研究的可靠性。由实验和模拟结果可知,在制冷循环过热度为4 ℃,制冷剂充注量为7.4 kg时,制冷能力和COP最佳,因此被选为最佳工况。

2.3 制冷剂R449A和R404A对制冷机组影响

通过该数值模拟程序应用制冷剂R449A进行分析,并与R404A进行对比。图6(a)所示为过热度4 ℃状态下,不同制冷剂充注量和制冷剂种类的制冷循环系统制冷能力和COP的变化。制冷剂R404A的制冷能力略高于R449A。当R449A充注量为6.6～7.8 kg时,比R404A制冷能力下降了1.6%～4.2%;当充注量为7.4 kg时,R449A和R404A制冷能力最大比充注量为6.6 kg时分别上升了1.2%和3.3%;当充注量为7.8 kg时,比充注量为7.4 kg时分别下降了1.1%和0.4%。随着制冷剂充注量的增加制冷能力略有减小。当R404A充注量为6.6～7.4 kg时,COP逐渐增大,但充注量增至7.8 kg时,相比于7.4 kg时COP反而减少了4%。当R449A充注量为6.6～7.0 kg时,COP逐渐增大,但充注量增至7.4～7.8 kg时,比7.0 kg时COP反而减少了3%～4%。当充注量为7 kg时,R449A的COP最佳,比R404A高约3.2%。综合来看,制冷剂R404A的COP比R449A略低,是由于功耗下降的比例大于能力下降的比例,因此COP上升。图6(b)所示为过热度4 ℃状态下,不同制冷剂充注量和制冷剂种类的制冷循环系统高压和低压性能的变化。由图6(b)可知,制冷剂R404A的高低压比R449A略高。当R404A充注量为6.6～7.8 kg时,与R449A相比,高压增加了7.5%～7.8%;低压增加了29.1%～30.5%。随着R449A和R404A充注量的增加,制冷机组的高低压变化较小。由图6可知,R449A充注量为7.4 kg时,最大制冷能力为11.8 kW,充注量为7.0 kg时,最大COP为1.91。当制冷剂充注量为7.4 kg时,COP为1.90,相比于充注量为7.0 kg时COP低0.01。综合考虑,制冷剂充注量为7.4 kg时最为合适。

图6 不同制冷剂充注量的制冷能力和压力 (R404A-R449A)

图7(a)所示为制冷剂充注量为7.4 kg状态下,不同过热度和制冷剂种类的制冷循环系统制冷能力和COP性能的变化。制冷剂R404A的制冷能力比R449A略高,但R404A的COP比R449A略低。R449A各过热度变化区间的平均制冷能力比R404A低0.8%,COP高4.3%。当过热度由2 ℃增至4 ℃时,制冷能力和COP分别增加了约1.3%和1.1%;由4 ℃增至6 ℃时,制冷能力和COP分别减少了约3.9%和1.6%。图7(b)所示为在制冷剂充注量为7.4 kg状态下,不同过热度和制冷剂种类的制冷循环系统高压和低压性能的变化。由图7(b)可知,制冷剂R404A的高低压比R449A略高。与R404A相比,R449A的整体高压降低了7%,低压降低了26.7%。制冷剂为R449A,当过热度由2 ℃增至4 ℃ 时,高压增加了16 kPa,低压增加了1.5 kPa;当过热度由4 ℃增至6 ℃ 时,高压增加了2.5 kPa,低压增加了6.5 kPa。由图7可知,R449A在过热度为4 ℃时,最高制冷能力为12.82 kW,COP为1.82,比R404A的制冷能力和COP高,综合考虑下较R404A整体表现突出,且GWP优势显著,R449A的GWP比R404A低67%,在本实验中制冷剂R449A可以替代R404A使用。

图7 不同过热度的制冷能力和压力 (R404A-R449A)

3 结论

本文对冷藏/冷冻车辆用制冷机组的性能进行了实验及模拟研究。根据制冷剂充注量、过热度和制冷剂种类的变化,对制冷循环系统的制冷能力、COP等性能进行了分析,得到如下结论:

1)制冷循环系统性能变化在很大程度上取决于过热程度的变化,而非制冷剂充注量的变化。当制冷剂为R404A时,制冷能力和COP的模拟值和实验值误差分别为6.4%和8.5%,所有误差均在10%以内。随着过热度和制冷剂充注量的变化,制冷机组的制冷循环在过热度为4 ℃和制冷剂充注量为7.4 kg时,制冷能力和COP最佳。

2)使用制冷剂R449A时,当制冷剂充注量为7.4 kg时,制冷能力和COP分别为11.88 kW和1.90,过热度为4 ℃时性能最佳。与制冷剂R404A相比,R449A的循环系统制冷能力最大减少了3%,COP最大上升了4%。综合考虑下,R449A较R404A整体表现突出,且GWP优势显著,确认了制冷剂R449A可替代R404A使用。

本文受山东省重点研发计划项目(2018GNC112003)和博士科研启动基金(2019Y39)项目资助。(The project was supported by Key R&D Projects in Shandong Province(No. 2018GNC112003)& Doctoral Research Startup Fund (No. 2019Y39).)