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        兩種CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的性能分析

        2018-01-26 05:35:36楊俊蘭李久東唐嘉寶
        流體機(jī)械 2017年10期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        楊俊蘭,李久東,唐嘉寶

        (天津城建大學(xué),天津 300384)

        1 前言

        由于CFCs、HCFCs等制冷劑對(duì)臭氧層破壞和溫室效應(yīng)較嚴(yán)重,CO2作為一種環(huán)境友好型自然工質(zhì),以性質(zhì)穩(wěn)定,零ODP和低GWP得到重新關(guān)注。

        目前,復(fù)疊式制冷循環(huán)被廣泛應(yīng)用于低溫制冷,而且CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)能滿足較低的溫度需要,成為當(dāng)前食品冷凍冷藏業(yè)的研究熱點(diǎn)[1]。

        Kitzmiller在1932年首先提出了NH3/CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)[2]。對(duì)于NH3/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng),文獻(xiàn)[3~5]對(duì)其進(jìn)行了熱力學(xué)分析及計(jì)算,并指出通過換熱器和系統(tǒng)循環(huán)參數(shù)優(yōu)化以及工質(zhì)變換可能會(huì)使系統(tǒng)年度總成本降低。通過與R404A/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)對(duì)比,NH3/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)擁有最大COP和最大最佳質(zhì)量流量比,而R404A/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的最佳低溫循環(huán)冷凝溫度最高[6,7]。

        ThomasW Davies等對(duì)應(yīng)用于超市的NH3/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)同一般R404A制冷系統(tǒng)進(jìn)行分析比較,得出前者能耗較低[8]。

        Bansal等研究以R744為低溫級(jí)制冷工質(zhì)的兩級(jí)復(fù)疊式制冷循環(huán),得出冷凝蒸發(fā)器存在最佳冷凝溫度[9]。同時(shí)R134a/R744復(fù)疊式制冷系統(tǒng)對(duì)冷鏈物流產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要意義和廣闊的應(yīng)用前景[10]。

        本文主要對(duì)R290/CO2和R404A/CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)的性能進(jìn)行分析比較。

        2 CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)介紹

        圖1給出了CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)的流程,由2個(gè)單級(jí)循環(huán)疊加而成,CO2用作低溫級(jí)制冷劑,高溫級(jí)用R290或R404A作制冷劑。圖1(b)為該制冷循環(huán)的T-s圖,圖中1-2-3-4-5-1為低溫級(jí)(CO2)循環(huán),6-7-8-9-10-6為高溫級(jí)(R290或R404A)循環(huán),高低溫級(jí)之間通過冷凝蒸發(fā)器連接。

        圖1 CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)

        2.1 復(fù)疊式制冷循環(huán)的計(jì)算模型

        低溫級(jí)質(zhì)量流量:

        式中 Q0——低溫級(jí)蒸發(fā)器制冷量

        hi——各狀態(tài)點(diǎn)的焓值,i=1,2,3…,10低溫級(jí)壓縮機(jī)耗功:

        式中 ηL——低溫級(jí)壓縮機(jī)效率高溫級(jí)質(zhì)量流量:

        高溫級(jí)壓縮機(jī)耗功:

        式中 ηH——高溫級(jí)壓縮機(jī)效率系統(tǒng)能效(性能系數(shù)):

        2.2 計(jì)算條件與假設(shè)

        復(fù)疊式制冷循環(huán)的計(jì)算條件假設(shè)如下:冷凝溫度tk為30 ℃ ;CO2循環(huán)的蒸發(fā)溫度t0為-50~-40 ℃;低溫級(jí)冷凝溫度t4變化范圍為-30~0 ℃;環(huán)境溫度ta為30 ℃;系統(tǒng)的制冷量為20 kW;冷凝蒸發(fā)器的傳熱溫差取值為3 ℃和5 ℃;高溫級(jí)壓縮機(jī)的效率ηH為0.9,低溫級(jí)CO2壓縮機(jī)效率ηL為0.75。

        3 不同制冷劑的循環(huán)性能比較

        3.1 冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差和冷凝溫度對(duì)COP的影響

        取蒸發(fā)溫度t0為-40 ℃,低溫級(jí)冷凝溫度t4為-18 ℃,tk范圍30~40 ℃,冷凝傳熱溫差Δt分別取3 ℃和5 ℃時(shí),冷凝溫度tk的變化對(duì)系統(tǒng)COP的影響如圖2,3所示。

        圖2 Δt=3 ℃時(shí)tk變化對(duì)系統(tǒng)COP的影響

        圖3 Δt=5 ℃時(shí)tk變化對(duì)系統(tǒng)COP的影響

        從圖中可以看出,COP隨冷凝溫度呈線性變化。隨冷凝溫度升高,COP逐漸減小,且R290/CO2的COP高于R404A/CO2。比較圖2和圖3中2種冷凝傳熱溫差下的COP,可見Δt為3 ℃時(shí)有更大的COP,即冷凝傳熱溫差越小,系統(tǒng)性能越好,這與賴艷華等在文獻(xiàn)中的研究結(jié)論相同[11]。

        3.2 低溫級(jí)循環(huán)的冷凝溫度t4對(duì)COP的影響

        冷凝溫度tk為30 ℃,冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差為5 ℃時(shí),蒸發(fā)溫度 t0分別取 -50,-45 和 -40 ℃,圖4給出R290/CO2和R404A/CO2兩種復(fù)疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)的COP隨低溫級(jí)冷凝溫度的變化情況。從圖中可以看出,存在一個(gè)最佳低溫循環(huán)冷凝溫度t4使得系統(tǒng)COP取得最大值。

        圖4 不同蒸發(fā)溫度下COP隨低溫循環(huán)冷凝溫度的變化

        隨著低溫循環(huán)冷凝溫度t4的增大,系統(tǒng)COP先增大后減小,R290/CO2的COP比R404A/CO2高。蒸發(fā)溫度越高,COP越大。使得系統(tǒng)COP取得最大值的最佳低溫循環(huán)冷凝溫度t4,隨蒸發(fā)溫度的增加而增大,且R290/CO2循環(huán)的最佳低溫循環(huán)冷凝溫度t4小于R404A/CO2循環(huán)。

        從以上結(jié)論中可以看出,不同蒸發(fā)溫度,對(duì)應(yīng)不同的最大COP,定義為COPmax。

        3.3 蒸發(fā)溫度t0對(duì)系統(tǒng)COPmax的影響

        當(dāng)冷凝溫度為30 ℃,低溫循環(huán)冷凝溫度t4為-18 ℃,冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差為5 ℃時(shí),系統(tǒng)的COPmax隨蒸發(fā)溫度t0的變化趨勢如圖5所示。

        圖5 COPmax隨蒸發(fā)溫度的變化

        從圖中可以看出COPmax隨蒸發(fā)溫度的升高而呈線性增大的趨勢,且在其他條件相同的前提下,R290/CO2循環(huán)的COPmax都比R404A/CO2循環(huán)高。

        由于復(fù)疊式制冷循環(huán)的目的是獲得較低的蒸發(fā)溫度,在相同的最低蒸發(fā)溫度下,系統(tǒng)COPmax越高,效果越好。因此在相同的設(shè)備及運(yùn)行條件(制冷量)下,R290/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的效果比R404A/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)好,消耗功率少,比較節(jié)能。

        4 結(jié)論

        (1)CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)中,存在一個(gè)最佳低溫循環(huán)冷凝溫度,使得系統(tǒng)COP取得最大值。

        (2)R290/CO2與R404A/CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)相比,前者系統(tǒng)的COP較高,綜合性能更優(yōu)。因此,R290/CO2復(fù)疊式制冷循環(huán)對(duì)于環(huán)境保護(hù)、節(jié)約能源有著很好的發(fā)展前景。

        (3)從蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差對(duì)系統(tǒng)COP的影響分析可知,應(yīng)盡量增大蒸發(fā)溫度、減小冷凝溫度和降低冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差,這也有利于循環(huán)的安全運(yùn)行。

        (4)在系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中,調(diào)節(jié)參數(shù)的原則是盡量使系統(tǒng)朝著性能提高的方向發(fā)展,如增大t0、減小te和Δt,并選取最佳的低溫循環(huán)冷凝溫度,使系統(tǒng)性能在給定條件下相對(duì)更優(yōu)。

        [1] 馬飆,冀兆良.二氧化碳制冷劑的應(yīng)用研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].REFRIGERATION,2012,3(31):36-43.

        [2] W R Kitzmiller.Advantages of CO2-Ammonia system for low-temperatures refrigeration[J].Power,1932,(1):92-94.

        [3] Alberto Dopazo J,Jose Fernandez-Seara.Theoretical analysis of a CO2-NH3cascade refrigeration system for cooling applications at low-temperatures[J].Applied Thermal Engineering,2009,29(8-9):1577-1583.

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        [6] 賴艷華,董震,邵長波,等.R404A與CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的熱力學(xué)分析與優(yōu)化[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2011,41(2):149-153.

        [7] 寧靜紅,曾凡星.CO2為低溫循環(huán)工質(zhì)的復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的分析比較[J].熱科學(xué)與技術(shù),2015,14(2):155-160.

        [8] Thomas W.Davies,Ottone Caretta.A low carbon,low TEWI refrigeration system design[J].Applied Thermal Engineering,2004,24(8-9):1119-1121.

        [9] Bansal P.K,Jain S.Cascade systems:past,present,and future[J].ASHRAE Trans,2007,113(1):245-252.

        [10] 王軍.R134a/R744復(fù)疊式制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2015.

        [11] 賴艷華,王慶為,呂明新,等.R404A/ CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的分析[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2011,41(6):115-121.

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