汪 磊 Lei 謝 晶 王金鋒 - 楊大章 - 周洪劍 -

(上海海洋大學(xué)，上海 201306)

超低溫是指生產(chǎn)加工過程所用到-40～-80 ℃的溫度范圍，通常用來獲得生物制藥、科學(xué)試驗(yàn)的低溫環(huán)境以及特殊食品的加工[1](如金槍魚速凍冷藏、冰淇淋的速凍)。在實(shí)際運(yùn)用中，該溫度范圍主要通過雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)或復(fù)疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，由于其高能耗嚴(yán)重制約了遠(yuǎn)洋漁業(yè)的發(fā)展以及漁民的捕撈利潤(rùn)，因此推廣節(jié)能減排與提高能源利用率已勢(shì)在必行，多位學(xué)者已在此方面展開了研究[2-5]。鄒泉波等[6]從理論分析出發(fā)分析了系統(tǒng)容積比對(duì)雙級(jí)壓縮超低溫凍結(jié)制冷系統(tǒng)的影響，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)的調(diào)整方案為超低溫雙級(jí)制冷壓縮循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)用提供了一些建議。Widell等[7]采用滑閥對(duì)氨壓縮制冷系統(tǒng)進(jìn)行能量調(diào)節(jié)，在無變頻器驅(qū)動(dòng)下對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)行，使凍結(jié)產(chǎn)品的負(fù)荷與系統(tǒng)制冷量相匹配，從而降低了能源消耗。沈九兵等[8]搭建了R134a/CO2復(fù)疊式超低溫制冷試驗(yàn)臺(tái)，研究不同工況下系統(tǒng)性能參數(shù)的變化規(guī)律，研究結(jié)果表明：壓縮機(jī)的容積效率是影響制冷系統(tǒng)制冷量的主要因素。Aminyavari等[9]對(duì)NH3/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境影響等方面進(jìn)行了分析。關(guān)鵬等[10]在高低壓級(jí)壓縮機(jī)理論輸氣量之比ξ不同的運(yùn)行工況下，對(duì)配組式雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)進(jìn)行了熱力計(jì)算與分析，研究表明，與ξ為1∶3相比當(dāng)ξ為1∶4時(shí)，總制冷量減少了2.6%，總軸功率降低了5.94%。在實(shí)際生產(chǎn)中當(dāng)制冷系統(tǒng)對(duì)金槍魚進(jìn)行凍藏時(shí)，其蒸發(fā)溫度通常低于-55 ℃，這對(duì)制冷系統(tǒng)的運(yùn)行與可靠性不利，且COP值較低。在保證完成超低溫凍結(jié)食品產(chǎn)量的前提下，適當(dāng)提高蒸發(fā)溫度或降低冷凝溫度，可提高制冷系統(tǒng)的運(yùn)行效率。這對(duì)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)的能量利用具有重大的實(shí)際意義。

20世紀(jì)初，氟利昂制冷劑由于其價(jià)格適中、無毒不燃和良好的熱力學(xué)特性，被廣泛用于制冷系統(tǒng)，但后續(xù)研究指出，其分子能夠?qū)Τ粞鯇釉斐善茐腫11]，此后《蒙特利爾議定書》及修正案將R22等34種物質(zhì)列為非空調(diào)用過渡性物質(zhì)，并逐漸被淘汰，尋找R22的替代制冷劑已成為當(dāng)前制冷劑研究領(lǐng)域的熱門課題[12-13]。R404A是一種無氯非共沸制冷劑，與R22相比低溫工況下制冷性能更加優(yōu)越，且R404A對(duì)大氣臭氧層沒有破壞作用以及其熱力學(xué)特性和物理特性接近于共沸制冷劑或純制冷劑，其溫度滑移區(qū)較小，因而被廣泛應(yīng)用于商業(yè)制冷中[14]。目前在超低溫工況下對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行理論與試驗(yàn)研究相對(duì)較少，且大多是研究單一變量對(duì)制冷系統(tǒng)性能的影響，對(duì)于各變量對(duì)制冷效率的影響程度大小沒有進(jìn)行對(duì)比分析。本試驗(yàn)以R404A單機(jī)雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)組成的船用超低溫試驗(yàn)臺(tái)為依托，進(jìn)行變工況的試驗(yàn)研究，以期獲得影響系統(tǒng)運(yùn)行性能的主要因素。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

船用超低溫單機(jī)雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖與系統(tǒng)原理圖見圖1、2。采用一級(jí)節(jié)流中間不完全冷卻形式[15]，試驗(yàn)臺(tái)主要由單機(jī)雙級(jí)壓縮機(jī)、臥式冷凝器、外平衡式熱力膨脹閥、氣液分離器、蒸發(fā)器等設(shè)備組成，庫內(nèi)安裝電加熱裝置以模擬熱負(fù)荷。系統(tǒng)按照船用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和搭建。為了對(duì)制冷系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行更好的監(jiān)測(cè)，在壓縮機(jī)高、低壓級(jí)吸氣口，壓縮機(jī)排氣口，板式換熱器進(jìn)出口均安裝了壓力傳感器與溫度傳感器，共有10個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)、7個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)和1個(gè)質(zhì)量流量測(cè)點(diǎn)，并通過 OPC 協(xié)議與 PLC通信，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)組的智能監(jiān)測(cè)。

壓縮機(jī)組上采用PT100溫度傳感器，丹佛斯質(zhì)量流量計(jì)，壓力點(diǎn)采用Danfoss型AKS33-06G2051與AKS33-06G2049壓力傳感器；庫內(nèi)測(cè)點(diǎn)采用PT100熱電偶進(jìn)行測(cè)量；電流采用多功能電力儀表測(cè)量。壓縮機(jī)：選取比澤爾，型號(hào)為 S6H-20.2Y的半封閉式雙級(jí)壓縮機(jī)；冷凝器：選取型號(hào)為CWNF-9-2/Z船用臥式殼管式冷凝器；蒸發(fā)器：采用擱架式。

圖1 船用超低溫R404A單機(jī)雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng) 試驗(yàn)臺(tái)部分實(shí)物圖

Figure 1 Part physical drawing of the marine ultra-low temperature R404A single stage two-stage compres-sion refrigeration system

1. 擱架式蒸發(fā)器 2. 風(fēng)機(jī) 3. 潮氣指示器 4. 中間冷卻器 5. 熱交換器 6. 氣液分離器 7. 干燥過濾器 8. 油分離器 9. 半封閉單機(jī)雙級(jí)壓縮機(jī) 10. 貯液器 11. 冷凝器

圖2 船用超低溫R404A單機(jī)雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)原理圖

Figure 2 Schematic diagram of marine ultra-low temperature R404A single stage two-stage compression refrigeration system

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)臺(tái)采用4個(gè)電加熱模塊進(jìn)行熱負(fù)荷模擬，每個(gè)電加熱模塊的功率為1.5 kW，可進(jìn)行0～100%無級(jí)調(diào)節(jié)。為了使庫房?jī)?nèi)熱負(fù)荷分布均勻，將4個(gè)電加熱裝置分別安裝在4個(gè)風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口，通過風(fēng)機(jī)強(qiáng)制對(duì)流作用，使電加熱模塊熱量在庫房?jī)?nèi)均勻分布。

蒸發(fā)溫度調(diào)節(jié)：試驗(yàn)前庫溫保持為8 ℃，打開冷卻水閥確認(rèn)冷卻水路暢通。開啟風(fēng)機(jī)與電加熱裝置(100%全開)，運(yùn)行單機(jī)雙極壓縮制冷試驗(yàn)臺(tái)，待庫內(nèi)空氣溫度穩(wěn)定在T0時(shí)，記錄機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，同時(shí)一直保持冷卻水調(diào)節(jié)閥全開，在保持冷凝溫度不變的前提下，① 調(diào)節(jié)電加熱裝置開度每次減小20%；② 待庫內(nèi)空氣溫度穩(wěn)定在某一溫度T0時(shí)，記錄機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)；③ 檢查電加熱裝置與風(fēng)機(jī)是否運(yùn)行正常；④ 改變電加熱裝置開啟度，重復(fù)以上步驟。

冷凝溫度調(diào)節(jié)：打開冷卻水閥、開啟風(fēng)機(jī)，運(yùn)行單機(jī)雙極壓縮制冷試驗(yàn)臺(tái)，待庫內(nèi)空氣溫度穩(wěn)定在-45 ℃時(shí)，在保持蒸發(fā)溫度不變的條件下，① 調(diào)整冷卻水調(diào)節(jié)閥每次減小12.5%，待機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)；② 檢查風(fēng)機(jī)是否運(yùn)行正常；③ 重復(fù)以上步驟。

2 雙級(jí)壓縮系統(tǒng)的仿真計(jì)算

雙級(jí)壓縮制冷循環(huán)p-h圖見圖3。根據(jù)質(zhì)量守恒與能量守恒定律建立雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)熱力學(xué)模型，主要計(jì)算公式：

(1)

Q0=h0-h9，

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：

Pm——中間壓力，MPa；

Q0——單位制冷量，kJ/kg；

ηig——高壓級(jí)指示效率；

ηid——低壓級(jí)指示效率；

圖3 一次節(jié)流中間不完全冷卻雙級(jí)壓縮系統(tǒng)運(yùn)行p-h圖Figure 3 p-h diagram of two-stage compression system with primary throttling and incomplete cooling

COP——制冷性能系數(shù)；

Pk、P0——分別為冷凝壓力與蒸發(fā)壓力，MPa；

Gd、Gg——分別為高壓級(jí)與低壓級(jí)制冷劑質(zhì)量流量，kg/h；

hi——各狀態(tài)點(diǎn)焓值，kJ/kg；

Tk——冷凝溫度，K；

T0——蒸發(fā)溫度，K；

Tm——中間溫度，K；

tm——中間溫度，℃；

t0——蒸發(fā)溫度，℃。

采用EES軟件對(duì)雙級(jí)壓縮系統(tǒng)熱力學(xué)模型編寫計(jì)算程序?qū)404A單機(jī)雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算流程框圖(見圖4)，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證其可靠性。

圖4 計(jì)算程序流程圖Figure 4 Flow chart of calculation program

3 結(jié)果與分析

3.1 蒸發(fā)溫度對(duì)壓縮機(jī)性能的影響

當(dāng)冷凝溫度為28 ℃，蒸發(fā)溫度從-40 ℃降低到-60 ℃時(shí)，蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響見圖5～7。從仿真與試驗(yàn)結(jié)果中可以看出壓縮機(jī)的排氣溫度隨著蒸發(fā)溫度的降低呈增大趨勢(shì)，且隨著蒸發(fā)溫度的降低兩者之間的差值從2 ℃逐漸增大至15 ℃，其原因：① 壓縮機(jī)的排氣溫度主要受壓縮比的影響，在保持冷凝溫度不變的前提下，隨著蒸發(fā)溫度的降低，壓縮機(jī)低壓級(jí)壓縮比與高壓級(jí)壓縮比逐漸增大(見圖6)，壓縮機(jī)運(yùn)行工況變得惡劣，導(dǎo)致壓縮機(jī)的排氣溫度隨著蒸發(fā)溫度的降低逐漸上升；② 在對(duì)雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)進(jìn)行模擬時(shí)，為使模擬計(jì)算簡(jiǎn)化而沒有考慮系統(tǒng)的不可逆損失，在壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行工作時(shí)這種不可逆損失必將轉(zhuǎn)化為熱量導(dǎo)致排氣溫度上升，以及由于蒸發(fā)溫度降低導(dǎo)致制冷劑流量降低，使得系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件不能夠及時(shí)得到更好的冷卻，從而導(dǎo)致差值逐漸增大。從兩者的結(jié)果來看模擬計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，其偏差在工程允許的波動(dòng)范圍之內(nèi)。模擬計(jì)算過程中采用比例法來確定中間溫度使得高低壓壓縮比相等，在實(shí)際運(yùn)行過程中由于試驗(yàn)臺(tái)采用的是手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，且無相應(yīng)的控制算法與控制程序進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制精度相對(duì)較差，導(dǎo)致模擬計(jì)算高低壓壓縮比與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果有一定的誤差(見圖6)。

圖5 排氣溫度變化曲線Figure 5 Curve of exhaust temperature change

圖6 系統(tǒng)壓縮比變化曲線Figure 6 Curve of pressure ratio change

圖7 壓縮機(jī)軸功率變化曲線Figure 7 Curve of compressor shaft power change

從仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果可以看出，單位壓縮機(jī)軸功率隨著蒸發(fā)溫度的增大呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，即隨著蒸發(fā)溫度的上升單位壓縮機(jī)軸功率逐漸降低，當(dāng)蒸發(fā)溫度分別為-60 ℃與-40 ℃時(shí)，壓縮機(jī)功率達(dá)到最小值與最大值。壓縮機(jī)軸功率主要受系統(tǒng)壓縮比與制冷劑流量?jī)蓚€(gè)因素影響：① 當(dāng)蒸發(fā)溫度升高時(shí)雙極壓縮制冷系統(tǒng)高壓級(jí)與低壓級(jí)壓縮比逐漸減小(見圖6)，高壓級(jí)壓縮機(jī)與低壓級(jí)壓縮機(jī)單位壓縮軸功率逐漸降低；② 雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)制冷劑流量隨著蒸發(fā)溫度的上升而增大，因制冷劑流量的提升而增加的壓縮機(jī)軸功率要高于系統(tǒng)壓縮比的降低而減少的壓縮機(jī)軸功率，從而導(dǎo)致系統(tǒng)軸功率的增加。而制冷系統(tǒng)在運(yùn)行過程中由于運(yùn)動(dòng)部件之間的摩擦等因素導(dǎo)致仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在一定偏差。

3.2 冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

當(dāng)蒸發(fā)溫度為-55 ℃，冷凝溫度從12 ℃上升到32 ℃時(shí)，冷凝溫度對(duì)制冷系統(tǒng)性能的影響見圖8～10。從圖8、10中可以看出，壓縮機(jī)的排氣溫度以及單位壓縮軸功率均隨著冷凝溫度的增大呈上升的趨勢(shì)，其主要原因在于冷凝溫度的上升導(dǎo)致系統(tǒng)高低壓壓縮比的增大。當(dāng)冷凝溫度從12 ℃上升到32 ℃時(shí)，壓縮機(jī)排氣溫度的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的偏差范圍為4.5～15.0 ℃，系統(tǒng)單位壓縮軸功率的試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算偏差保持在5%左右。從圖9可以看出，系統(tǒng)高壓級(jí)與低壓級(jí)的壓縮比的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果并不相等，表明制冷系統(tǒng)并沒有按照由比例法確定的中間溫度下運(yùn)行，這在一定程度上加大了兩者之間的偏差。

圖8 排氣溫度變化曲線Figure 8 Curve of exhaust temperature change

圖9 系統(tǒng)壓縮比變化曲線Figure 9 Curve of pressure ratio change

圖10 壓縮機(jī)軸功率變化曲線Figure 10 Curve of compressor shaft power change

3.3 制冷系數(shù)的對(duì)比分析

制冷性能系數(shù)是制冷系統(tǒng)一項(xiàng)重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。制冷性能系數(shù)越大，表示制冷系統(tǒng)能源利用效率越高。從圖11中可以看出，當(dāng)蒸發(fā)溫度從-40 ℃降低到-60 ℃時(shí)，制冷COP降低了31%，試驗(yàn)結(jié)果與仿真測(cè)試偏差絕對(duì)值為0.460～0.782；當(dāng)冷凝溫度從12 ℃上升到32 ℃時(shí)，COP下降了27.6%，試驗(yàn)結(jié)果與仿真測(cè)試偏差范圍為0.30～0.36。制冷系統(tǒng)在運(yùn)行過程中制冷劑在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)并不是一個(gè)理想過程而具有一定的壓力降，在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)忽略了這些問題，這必然導(dǎo)致模擬值與試驗(yàn)值存在一定的偏差。

圖11 制冷COP變化曲線Figure 11 Curve of coefficient of performance

圖12 制冷COP變化曲線Figure 12 Curve of coefficient of performance

由逆卡諾循環(huán)可知蒸發(fā)溫度下降1 ℃比冷凝溫度上升1 ℃ 使COP下降的影響要大。本實(shí)驗(yàn)中當(dāng)蒸發(fā)溫度升高或冷凝溫度降低所造成的制冷COP的變化率見表1～2，即當(dāng)蒸發(fā)溫度上升或冷凝溫度下降5 ℃時(shí)，制冷性能系數(shù)增長(zhǎng)率較冷凝溫度下降5 ℃時(shí)要高。因此，在船用單機(jī)雙級(jí)活塞式壓縮制冷系統(tǒng)來獲取-55 ℃超低溫環(huán)境，對(duì)捕獲的金槍魚進(jìn)行冷凍保藏時(shí)，可優(yōu)先考慮適當(dāng)提高蒸發(fā)溫度來提高制冷系統(tǒng)的能源利用效率，提高制冷系統(tǒng)的可靠性以及漁船的捕撈利潤(rùn)。

表1 制冷COP隨蒸發(fā)溫度的變化率Table 1 Change rate of COP with evaporating temperature

表2 制冷COP隨冷凝溫度的變化率Table 2 Change rate of COP with condensing temperature

4 結(jié)論

通過試驗(yàn)研究分析了在給定蒸發(fā)溫度或冷凝溫度下，采用EES對(duì)R404A單機(jī)雙級(jí)制冷系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試，冷凝溫度與蒸發(fā)溫度對(duì)單機(jī)雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)性能的影響，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比分析了蒸發(fā)溫度與冷凝溫度對(duì)制冷性能的影響差別。

(1) 從仿真計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試來看，仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，在工程允許的偏差范圍之內(nèi)，且從系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行狀況比較可以看出蒸發(fā)溫度每上升5 ℃時(shí)，制冷性能系數(shù)增長(zhǎng)率較冷凝溫度下降5 ℃要高。

(2) 排氣溫度隨著蒸發(fā)溫度的下降與冷凝溫度的上升逐漸增大，且仿真測(cè)試結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果偏差均保持在2～15 ℃。

(3) 系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中的中間溫度與比例法確定的值有一定的偏差，從而在一定程度增大了模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的偏差，在后續(xù)工作中可以進(jìn)一步研究系統(tǒng)中間溫度對(duì)其性能的影響。

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