(天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實驗室 天津 300134)

科技和經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展造成環(huán)境和自然資源危機(jī)，嚴(yán)重危害人類健康和生態(tài)環(huán)境。保護(hù)人類，給子孫后代留下一個可供生存、可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境是當(dāng)今社會義不容辭的責(zé)任。自然工質(zhì)是解決環(huán)境問題的最終方案[1]。R290的ODP為0，GWP很小，具有優(yōu)良的熱力性能[2-4]，價格低廉，與普通潤滑油和機(jī)械結(jié)構(gòu)材料具有良好的兼容性。

現(xiàn)有的常規(guī)制冷系統(tǒng)，制冷壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑氣體在冷凝器中與冷卻介質(zhì)間壁式熱交換放出熱量，制冷劑與冷卻介質(zhì)間的熱量傳遞經(jīng)兩側(cè)流體的對流換熱和傳熱壁面的導(dǎo)熱、傳熱壁面材料特性、表面特征等造成潤滑油聚集、形成污垢，導(dǎo)致熱阻增加，傳熱性能下降，制冷劑與冷卻介質(zhì)的傳熱溫差增加，制冷壓縮機(jī)的排氣壓力升高、壓力比增大、容積效率降低、功耗增加，制冷系統(tǒng)的運(yùn)行性能下降，能耗增大。如果采用直接接觸冷凝(direct contact condensation，DCC)，可在較小溫差下實現(xiàn)高效率的換熱[5]、傳熱效率高、避免和降低換熱面結(jié)垢與腐蝕、節(jié)省材料、降低投資成本與運(yùn)行費(fèi)用。目前，直接接觸式換熱器廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中[6-8]，有許多學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究[9-14]，寧靜紅等[15]的前期研究結(jié)果表明，DCC制冷循環(huán)表現(xiàn)出良好的熱力性能。

本文針對冷凍冷藏領(lǐng)域的果蔬冷藏保鮮運(yùn)行工況制冷系統(tǒng)，提出制冷壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑氣體與制冷劑過冷液體直接接觸凝結(jié)換熱的R290制冷循環(huán)，并對R290直接接觸冷凝制冷循環(huán)的性能進(jìn)行分析對比，結(jié)果表明，R290直接接觸冷凝制冷循環(huán)具有很好的發(fā)展前景，為后續(xù)深入研究奠定理論基礎(chǔ)，對保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源具有重要意義。

1 R290直接接觸冷凝制冷循環(huán)

圖1所示為R290直接接觸冷凝制冷循環(huán)原理，該DCC制冷循環(huán)由R290主循環(huán)和R290輔助循環(huán)組成。主循環(huán)由主循環(huán)制冷壓縮機(jī)、直接接觸冷凝器、蒸發(fā)-過冷器、主循環(huán)節(jié)流閥和冷間設(shè)備蒸發(fā)器組成，低溫低壓的R290制冷劑液體在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸熱，為果蔬冷藏保鮮空間提供冷源。R290輔助循環(huán)為R290主循環(huán)直接接觸冷凝器的飽和液體(3點(diǎn))過冷(至4點(diǎn))提供冷源，由輔助循環(huán)制冷壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)-過冷器、輔助循環(huán)節(jié)流閥組成，冷凝器向外界環(huán)境散發(fā)熱量。

圖1 R290直接接觸冷凝制冷循環(huán)原理Fig.1 The principle of R290 direct contact condensation refrigeration cycle

圖2所示為R290直接接觸冷凝制冷循環(huán)的p-h圖，直接接觸冷凝器出口的飽和液體(3)經(jīng)過蒸發(fā)-過冷器過冷后(4)分成兩路：一路進(jìn)入直接接觸冷凝器，另一路經(jīng)過主循環(huán)節(jié)流閥節(jié)流降壓后(5)進(jìn)入蒸發(fā)器，吸熱蒸發(fā)的飽和氣體(1)進(jìn)入主循環(huán)制冷壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮后排出的高溫高壓制冷劑氣體(2)與過冷液(4)接觸換熱冷凝至飽和液體(3)。輔助循環(huán)中制冷壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑氣體(7)進(jìn)入冷凝器與外界環(huán)境空氣熱交換放出熱量冷凝至飽和液體(8)，經(jīng)輔助循環(huán)節(jié)流閥節(jié)流降壓后(9)進(jìn)入蒸發(fā)-過冷器(9-6吸熱過程)吸收主循環(huán)液體(3-4放熱)的熱量，使主循環(huán)液體過冷，蒸發(fā)的飽和氣體(6點(diǎn))進(jìn)入輔助循環(huán)制冷壓縮機(jī)。R290輔助循環(huán)的9-6蒸發(fā)過程為R290主循環(huán)的3-4過程提供冷源，保證液體的過冷度，使主循環(huán)制冷壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣體全部凝結(jié)。相比常規(guī)單級制冷循環(huán)，主循環(huán)制冷壓縮機(jī)的排氣壓力降低，壓力比減小。R290直接接觸冷凝制冷循環(huán)與復(fù)疊式制冷循環(huán)相比，蒸發(fā)-過冷器較冷凝蒸發(fā)器的傳熱溫差減小，制冷壓縮機(jī)的壓力比減小，功耗降低，運(yùn)行性能提高。

圖2 R290直接接觸冷凝制冷循環(huán)p-h圖Fig.2 p-h diagram of R290 direct contact condensation

2 制冷循環(huán)熱力性能

制冷循環(huán)熱力性能計算時利用Engineering Equation Solver編程和調(diào)用制冷劑物性數(shù)據(jù)，為了便于分析對比，熱力計算時假設(shè)：1)R290主循環(huán)制冷壓縮機(jī)的入口氣體(1)、R290輔助循環(huán)制冷壓縮機(jī)的入口氣體(6)、直接接觸冷凝器出口液體(3)、冷凝器出口液體(8)均為飽和狀態(tài)；2)直接接觸冷凝換熱混合過程為等壓過程；3)蒸發(fā)-過冷器、直接接觸凝結(jié)器與外界無熱量交換；4)制冷劑在換熱器和管路中的壓降為0。

制冷循環(huán)制冷量Q0=5 kW，冷凝溫度tk=45 ℃。

2.1 DCC制冷循環(huán)的熱力計算

DCC制冷循環(huán)的相關(guān)計算公式如下：

換熱器的質(zhì)量平衡方程：

m3=m2+m4

(1)

換熱器的能量守恒方程：

m3h3=m4h4+m2h2

(2)

蒸發(fā)器制冷劑流量(mDCC=m2)：

(3)

冷凝器散熱量：

Qk，DCC=mf(h7-h8)

(4)

輔助循環(huán)質(zhì)量流量：

(5)

主循環(huán)制冷壓縮機(jī)功耗：

Wz=m2(h2-h1)

(6)

輔助循環(huán)制冷壓縮機(jī)功耗：

Wf=mf(h7-h6)

(7)

主循環(huán)過冷液體過冷度：

Δt=t3-t4

(8)

主循環(huán)制冷壓縮機(jī)等熵效率[16]：

ηz=1.003 -0.021 (p2/p1)

(9)

輔助循環(huán)制冷壓縮機(jī)等熵效率[10]：

ηf=1.003 -0.021 (p7/p6)

(10)

制冷循環(huán)性能系數(shù)：

(11)

式中：h1、h2分別為主循環(huán)制冷壓縮機(jī)進(jìn)、出口的焓，kJ/kg；h3為主循環(huán)飽和液體的焓，kJ/kg；h4為主循環(huán)過冷液體的焓，kJ/kg，h5為主循環(huán)蒸發(fā)器進(jìn)口的焓，kJ/kg，h6、h7為輔助循環(huán)制冷壓縮機(jī)進(jìn)、出口的焓，kJ/kg；h8為冷凝器出口的焓，kJ/kg；h9為輔助循環(huán)蒸發(fā)器進(jìn)口的焓，kJ/kg；m2、m3、m4為直接接觸冷凝器過熱氣體進(jìn)口、飽和液體出口、過冷液體進(jìn)口的質(zhì)量流量，kg/s；mf為輔助循環(huán)的質(zhì)量流量，kg/s；Qk, DCC為冷凝器的熱負(fù)荷，kW；Q0為制冷循環(huán)制冷量，kW；Wf、Wz分別為輔助循環(huán)、主循環(huán)制冷壓縮機(jī)的功耗，kW；Δt為主循環(huán)過冷液體的過冷度，℃。

2.2 DCC制冷循環(huán)熱力性能分析

通過對DCC制冷循環(huán)的熱力計算，得到的結(jié)果如圖3～圖5所示。由圖3可知，DCC制冷循環(huán)的性能系數(shù)COPDCC隨主循環(huán)冷凝溫度t3的升高，呈先增大后減小的趨勢，在最佳t3下，獲得最優(yōu)COPDCC。主循環(huán)過冷液體過冷度增大，最優(yōu)COPDCC降低，獲得最優(yōu)COPDCC的最佳t3升高。原因是在相同的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和過冷液體的過冷度下，t3升高，主循環(huán)的壓比增大，主循環(huán)制冷壓縮機(jī)功耗Wz增大，相應(yīng)的輔助循環(huán)的壓比降低，輔助循環(huán)的功耗Wf降低。當(dāng)Wf降低趨勢小于Wz增大的趨勢時，制冷循環(huán)的COPDCC增大，隨著t3的進(jìn)一步升高，當(dāng)Wf降低趨勢小于Wz增大的趨勢時，COPDCC隨之降低。而主循環(huán)過冷液體的過冷度增大，輔助循環(huán)的蒸發(fā)溫度降低、輔助循環(huán)的制冷負(fù)荷增大，Wf增大，制冷循環(huán)的COPDCC降低。

圖3 DCC制冷循環(huán)的COPDCC隨主循環(huán)冷凝溫度t3的變化Fig.3 COPDCC of DCC refrigeration cycle versus main cycle condensing temperature t3

圖4 DCC制冷循環(huán)冷凝器熱負(fù)荷隨主循環(huán)冷凝溫度t3的變化Fig.4 Heat load of condenser in DCC refrigeration cycle versus main cycle condensing temperature t3

圖5 DCC制冷循環(huán)蒸發(fā)器制冷劑質(zhì)量流量隨主循環(huán)冷凝溫度t3的變化Fig.5 Refrigerant mass flow rate of evaporator in DCC refrigeration cycle versus main cycle condensing temperature t3

由圖4可知，DCC制冷循環(huán)的冷凝器熱負(fù)荷Qk, DCC隨主循環(huán)冷凝溫度t3的升高呈先減小后增大的趨勢，在獲得最優(yōu)COPDCC的最佳t3下，得到最低的Qk, DCC，隨著主循環(huán)過冷液體過冷度的增大，Qk, DCC增大，得到最低Qk, DCC的t3升高。原因是當(dāng)蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和過冷液體的過冷度相同時，t3升高，輔助循環(huán)的壓縮機(jī)功耗Wf減小、輔助循環(huán)的制冷負(fù)荷增大。前期Wf減小的趨勢大于輔助循環(huán)制冷負(fù)荷增大的趨勢，Qk, DCC減少。隨著t3的進(jìn)一步升高，Wf減小的趨勢小于輔助循環(huán)制冷負(fù)荷增大的趨勢，導(dǎo)致Qk, DCC增加。主循環(huán)過冷液體的過冷度增大，輔助循環(huán)的制冷負(fù)荷增大，Qk, DCC增加，導(dǎo)致所需的傳熱面積增大，外形尺寸增大，耗材增多。

由圖5可知，DCC制冷循環(huán)流過蒸發(fā)器的制冷劑質(zhì)量流量隨主循環(huán)冷凝溫度t3的升高而增大，隨著主循環(huán)過冷液體過冷度的增大，流過蒸發(fā)器制冷劑質(zhì)量流量mDCC減少。原因是，在相同的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和過冷液體的過冷度下，t3升高，主循環(huán)節(jié)流降壓后的焓值升高，蒸發(fā)器進(jìn)出口的焓差減小，為用冷空間內(nèi)制取相同的制冷量所需的mDCC增加，當(dāng)蒸發(fā)溫度、t3相同時，主循環(huán)過冷液體過冷度增大，主循環(huán)節(jié)流降壓后的焓值降低，蒸發(fā)器進(jìn)出口的焓差增大，為用冷空間內(nèi)提供相同的制冷量所需的mDCC減少。流過蒸發(fā)器的mDCC減少，冷間內(nèi)R290泄漏的可能性減少，造成的危害降低。

綜上所述：當(dāng)滿足運(yùn)行工況要求時，理論設(shè)計或?qū)嶋H運(yùn)行DCC制冷系統(tǒng)時，選取適宜的t3和主循環(huán)過冷液體的過冷度，可以獲得最佳性能系數(shù)、最小的冷凝器結(jié)構(gòu)尺寸及較小的mDCC，保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

2.3 與單級壓縮制冷循環(huán)熱力性能對比

將R290直接接觸冷凝制冷循環(huán)與R290常規(guī)單級壓縮(one stage compression，OSC)制冷循環(huán)的熱力性能進(jìn)行分析對比，R290單級壓縮制冷循環(huán)的制冷量為5 kW，冷凝溫度為45 ℃，冷間內(nèi)設(shè)備蒸發(fā)器的制冷劑質(zhì)量流量為mOSC，kg/s；冷凝器的熱負(fù)荷為Qk,OSC，kW；制冷循環(huán)的性能系數(shù)為COPOSC，假設(shè)制冷壓縮機(jī)的入口氣體、冷凝器出口液體為飽和狀態(tài)。R290直接接觸冷凝制冷循環(huán)的制冷量為5 kW、冷凝溫度為45 ℃、過冷液體過冷度為6 ℃，當(dāng)蒸發(fā)溫度為-15～-6 ℃時，設(shè)計或運(yùn)行時控制在最佳的主循環(huán)冷凝溫度下，獲得最優(yōu)性能系數(shù)和最低冷凝器熱負(fù)荷，在同樣工況下得到蒸發(fā)器的制冷劑質(zhì)量流量，對比結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 制冷循環(huán)性能系數(shù)隨蒸發(fā)溫度的變化Fig.6 The COP of refrigeration cycle change with evaporating temperature

圖7 蒸發(fā)器制冷劑流量隨蒸發(fā)溫度的變化Fig.7 Evaporator refrigerant mass flow rate change with evaporating temperature

圖8 冷凝器熱負(fù)荷隨蒸發(fā)溫度的變化Fig.8 Condenser heat load change with evaporating temperature

由圖6可知，兩個制冷循環(huán)的性能系數(shù)隨蒸發(fā)溫度的升高而增大，與OSC制冷循環(huán)相比，DCC制冷循環(huán)的性能系數(shù)明顯升高，當(dāng)蒸發(fā)溫度為-15～-6 ℃時，升高了7.5%～14.9%，因此采用DCC制冷循環(huán)，能效提高，能源消耗明顯降低。

由圖7可知，與OSC制冷循環(huán)相比，DCC制冷循環(huán)的蒸發(fā)器制冷劑流量明顯減少。原因是R290直接接觸冷凝制冷循環(huán)蒸發(fā)器入口的焓值降低，蒸發(fā)潛熱增大，為用冷空間提供相同的制冷量所需的制冷劑流量減少。當(dāng)蒸發(fā)溫度為-15～-6 ℃時，制冷劑質(zhì)量流量減少了26.5%～36.7%。因此采用DCC制冷循環(huán)，冷間供冷設(shè)備蒸發(fā)器的制冷劑質(zhì)量流量大大減少，可以有效降低因泄漏造成的危險。

由圖8可知，兩個制冷循環(huán)的冷凝器熱負(fù)荷均隨蒸發(fā)溫度的升高而降低，與OSC制冷循環(huán)相比，DCC制冷循環(huán)的冷凝器熱負(fù)荷明顯減少，當(dāng)蒸發(fā)溫度為-15～-6 ℃時，減少了1.5%～3.7%。因此DCC制冷循環(huán)對環(huán)境的熱污染更小，冷凝器的結(jié)構(gòu)尺寸減小，投資成本降低。

3 結(jié)論

本文針對冷凍冷藏領(lǐng)域的果蔬冷藏保鮮工況，提出制冷壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑氣體與制冷劑過冷液體直接接觸凝結(jié)換熱的R290制冷循環(huán)，對R290直接接觸冷凝制冷循環(huán)的性能進(jìn)行分析，并與R290常規(guī)單級壓縮制冷循環(huán)的熱力性能進(jìn)行對比，得到如下結(jié)論：

1)R290直接接觸冷凝制冷循環(huán)在最佳主循環(huán)冷凝溫度下，獲得最優(yōu)性能系數(shù)和最低冷凝器熱負(fù)荷；主循環(huán)過冷液體過冷度增大，最優(yōu)性能系數(shù)降低、最低冷凝器熱負(fù)荷增大、蒸發(fā)器的制冷劑質(zhì)量流量減少，獲得最優(yōu)性能系數(shù)和最低冷凝器熱負(fù)荷的最佳主循環(huán)冷凝溫度升高。

2)當(dāng)蒸發(fā)溫度為-15～-6 ℃時，與R290單級壓縮制冷循環(huán)相比，R290直接接觸冷凝制冷循環(huán)的性能系數(shù)提高了7.5%～14.9%，冷間供冷設(shè)備蒸發(fā)器的制冷劑質(zhì)量流量減少了26.5%～36.7%，冷凝器熱負(fù)荷減少了1.5%～3.7%。

3)采用R290直接接觸冷凝制冷循環(huán)，可以降低制冷系統(tǒng)的能源消耗，減少對環(huán)境的熱污染，減小設(shè)備的投資成本，同時有效降低因R290泄漏造成的危險，對節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境具有重要意義，具有很好的應(yīng)用前景。

本文受天津市自然科學(xué)基金(18JCYBJC22200)項目資助。(The project was supported by the Tianjin Natural Science Foundation (No. 18JCYBJC22200).)