王 鵬 王 闖 邢子文

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 西安 710049)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)科技水平的不斷提高，冷鏈迅速發(fā)展，近年來(lái)冷庫(kù)容量不斷擴(kuò)大。目前國(guó)內(nèi)的冷庫(kù)中，主要使用的制冷劑有NH3、CO2及氟利昂，其中NH3與CO2是較為熱門的制冷劑，而氟利昂制冷劑主要應(yīng)用于中小型冷庫(kù)[1-2]。由于技術(shù)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致的諸如臭氧層破壞、全球變暖效應(yīng)等環(huán)境問(wèn)題，人們環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)，對(duì)于低碳型、低能耗的要求也越來(lái)越高，因此冷庫(kù)節(jié)能、制冷流程優(yōu)化以及制冷劑的研究及替代備受關(guān)注[3-5]。

作為天然工質(zhì)的空氣是最符合環(huán)境要求的制冷劑。由于其可靠性高、制冷溫度低、設(shè)備簡(jiǎn)單可靠、流程多樣及使用方便等優(yōu)點(diǎn)，自1844年布雷頓(Brayton)空氣制冷機(jī)發(fā)明以來(lái)，在飛機(jī)空調(diào)、工業(yè)材料的冷卻處理、低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)?zāi)M以及石化工業(yè)的存儲(chǔ)與加工等方面得到了廣泛的應(yīng)用[6-8]，但空氣制冷機(jī)應(yīng)用于冷庫(kù)的研究較少。趙家強(qiáng)等[9]針對(duì)用于-35 ℃急凍的NH3/空氣復(fù)疊循環(huán)和NH3完全中冷雙級(jí)壓縮循環(huán)進(jìn)行了理論對(duì)比，指出兩種循環(huán)COP相差較小，而且與空氣的復(fù)疊循環(huán)能減少氨的充注量，但還沒(méi)有脫離以NH3制冷循環(huán)為基礎(chǔ)。因此需要進(jìn)一步研究空氣制冷機(jī)在冷藏方面的應(yīng)用。

露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)是利用水的蒸發(fā)潛熱，利用空氣的干球溫度和不斷降低的濕球溫度之差進(jìn)行換熱，將空氣溫度冷卻至接近露點(diǎn)溫度。在過(guò)去數(shù)十年中，大量不同的蒸發(fā)冷卻技術(shù)已經(jīng)被提出并應(yīng)用于工業(yè)冷卻、HVAC、小氣候冷卻及其他領(lǐng)域[10-12]。露點(diǎn)間接冷卻器占地面積小，安裝形式靈活，且具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，但很容易受環(huán)境影響，使用場(chǎng)所有一定的限制[13-15]。將機(jī)械制冷與露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)耦合，彌補(bǔ)單獨(dú)使用的不足，可以實(shí)現(xiàn)一定程度上的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。蒸發(fā)冷卻與機(jī)械制冷耦合空調(diào)技術(shù)具有良好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和前景[16]。

若將IEC(indirect evaporative cooler，間接蒸發(fā)冷卻器)應(yīng)用于空氣制冷循環(huán)中，可以進(jìn)一步提高制冷循環(huán)效率，提高空氣制冷應(yīng)用的溫度范圍，進(jìn)而提高其在冷庫(kù)中應(yīng)用的可能。

1 新型復(fù)合制冷循環(huán)

1.1 新型循環(huán)流程

本文提出一種將空氣制冷循環(huán)與IEC耦合的新型空氣制冷循環(huán)。該循環(huán)將IEC與空氣制冷循環(huán)相結(jié)合，主要實(shí)現(xiàn)兩者的協(xié)同運(yùn)行，通過(guò)IEC對(duì)一次空氣的預(yù)冷作用，減少空氣制冷負(fù)荷，并利用二次空氣冷卻壓縮機(jī)出口工質(zhì)，提高空氣制冷的性能。

新型空氣制冷循環(huán)流程圖如圖1所示。在新型空氣制冷循環(huán)中，外界環(huán)境空氣經(jīng)過(guò)濾器后進(jìn)入IEC，被IEC冷卻至露點(diǎn)溫度的一次空氣送入壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮、換熱器冷卻后得到高壓空氣，經(jīng)過(guò)除濕后進(jìn)入膨脹機(jī)得到低溫空氣，膨脹得到的低溫空氣可直接送入庫(kù)內(nèi)制冷送風(fēng)，溫度升至制冷溫度4′的空氣可經(jīng)過(guò)回風(fēng)送入回冷器以冷卻高溫空氣。經(jīng)IEC的二次空氣可用于初步冷卻經(jīng)壓縮后的高溫高壓空氣。

圖1 新型空氣制冷循環(huán)流程圖

新型空氣制冷循環(huán)的T-s圖如圖2所示，其中Ta、Tr分別為環(huán)境溫度和制冷溫度，K。

圖2 新型空氣制冷循環(huán)T-s圖

1.2 制冷循環(huán)的熱力計(jì)算

為了更直觀的了解新型循環(huán)的性能變化，同時(shí)進(jìn)行了未耦合IEC的空氣制冷循環(huán)及NH3蒸氣壓縮制冷循環(huán)的性能參數(shù)的計(jì)算。其中NH3蒸氣壓縮制冷循環(huán)的T-s圖如圖3所示。

圖3 NH3制冷循環(huán)T-s圖

為了方便計(jì)算，對(duì)新型空氣制冷循環(huán)進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，進(jìn)行如下假設(shè)：

1)忽略壓縮機(jī)、膨脹機(jī)換熱的影響，即壓縮過(guò)程和膨脹過(guò)程均按等熵絕熱過(guò)程計(jì)算；

2)設(shè)備和管道中無(wú)阻力損失，即無(wú)壓力降，換熱器中均為等壓換熱；

3)考慮換熱器的傳熱溫差，本文中冷凝器傳熱溫差取10 ℃，其他傳熱溫差取5 ℃[5,17]；

4)露點(diǎn)間接蒸發(fā)冷卻器換熱充分，即一次空氣可冷卻逼近露點(diǎn)溫度；

5)認(rèn)為膨脹器中進(jìn)行的是干空氣的絕熱膨脹過(guò)程。

露點(diǎn)蒸發(fā)器能量守恒過(guò)程：

m(h1-h0)=m′(h0-h0′)

(1)

濕空氣參數(shù)計(jì)算主要參考文獻(xiàn)[18]，其中濕空氣的含濕量計(jì)算：

(2)

當(dāng)濕空氣露點(diǎn)溫度溫度位于0～93 ℃，露點(diǎn)溫度可由式(3)得到：

(3)

式中：α=lnpv；c14=6.54；c15=14.526；c16=0.738 9；c17=0.094 86；C18=0.456 9。

濕空氣的焓值計(jì)算：

h=1.006t+(1.86t+2 501)d

(4)

壓縮機(jī)排氣溫度：

(5)

NH3循環(huán)制冷量：

qNH3=h1′-h4

(6)

空氣制冷循環(huán)制冷量：

qair=h4′-h4

(7)

NH3循環(huán)的性能系數(shù)：

(8)

空氣制冷循環(huán)的性能系數(shù)：

(9)

其中多點(diǎn)工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)可通過(guò)Refprop軟件查詢計(jì)算。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 設(shè)定工況下的計(jì)算結(jié)果

由于文中提及的空氣制冷循環(huán)為開式直接冷卻流程，直接冷卻流程可以消除由熱交換器的傳熱溫差所引起的不可逆損失。而NH3蒸氣壓縮循環(huán)的蒸發(fā)器、冷凝器存在一定的傳熱溫差，因此對(duì)于流程計(jì)算的運(yùn)行參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 工況參數(shù)設(shè)定

當(dāng)忽略壓縮機(jī)的等熵效率及膨脹機(jī)的等熵效率時(shí)，設(shè)定工況參數(shù)下的耦合IEC前后的空氣制冷循環(huán)及NH3蒸氣壓縮循環(huán)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2可知，相比NH3蒸氣壓縮制冷循環(huán)，即使耦合了IEC的新型空氣制冷循環(huán)也仍然存在容積制冷量少、制冷系數(shù)小等問(wèn)題。但由于NH3蒸氣壓縮循環(huán)的壓比過(guò)高，達(dá)到10.27，一般需要采用復(fù)疊式制冷或雙級(jí)壓縮的形式，這會(huì)造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本增加等問(wèn)題。相比之下空氣制冷循環(huán)的流程與設(shè)備更簡(jiǎn)單。低溫氣流在庫(kù)內(nèi)直接進(jìn)行換熱，省去了冷庫(kù)排管或冷風(fēng)機(jī)等設(shè)備，不僅消除傳熱溫差，而且基本不需要考慮除霜問(wèn)題，減少了很多因除霜造成的操作熱。相比普通空氣制冷循環(huán)，對(duì)于耦合了IEC的空氣制冷循環(huán)，由于IEC的預(yù)冷作用存在，吸氣溫度降低，從而排氣溫度降低，這有利于壓縮機(jī)的運(yùn)行，并使壓縮機(jī)功耗減小。同時(shí)由于吸氣狀態(tài)變化，新型空氣循環(huán)的容積制冷量得到提高，且COP提高了15.69%，效率得到了提高。

表2 計(jì)算結(jié)果

2.2 運(yùn)行參數(shù)對(duì)性能系數(shù)的影響

當(dāng)其他工況參數(shù)設(shè)定不變，容積制冷量及COP隨環(huán)境溫度的變化如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)環(huán)境溫度從20 ℃升至40 ℃時(shí)，容積制冷量及COP均隨環(huán)境溫度的升高近似線性降低。耦合IEC后的空氣制冷循環(huán)的容積制冷量及COP隨著環(huán)境溫度變化而減小的速率最小，但空氣制冷循環(huán)隨環(huán)境溫度降低的速率均較小，而NH3蒸氣壓縮循環(huán)隨環(huán)境溫度的改變變化顯著。

圖4 性能參數(shù)隨環(huán)境溫度的變化

當(dāng)其他工況參數(shù)設(shè)定不變，制冷循環(huán)的容積制冷量及COP隨制冷溫度的變化如圖5所示。制冷溫度改變對(duì)空氣制冷循環(huán)及NH3制冷循環(huán)的影響與環(huán)境溫度的影響恰好相反。綜合圖4、圖5可知，耦合了IEC的新型空氣制冷循環(huán)性能隨參數(shù)的改變而變化較小，具有更好的環(huán)境適應(yīng)力。

圖5 性能參數(shù)隨制冷溫度的變化

當(dāng)其他工況參數(shù)不變時(shí)，耦合IEC前后的空氣制冷循環(huán)的容積制冷量及COP隨工作壓比的變化如圖6所示。由于空氣的容積制冷量小，設(shè)備體積一般較大，因此需要獲得更大的容積制冷量。由圖6(a)可知，需要高壓比。但由圖6(b)可知，在高壓比時(shí)，空氣制冷循環(huán)的COP很小，且壓比過(guò)高對(duì)設(shè)備耐壓會(huì)有更高的要求。因此，最高COP的工作壓比并不是最好的工況點(diǎn)，壓比的選取需要綜合考慮這兩個(gè)因素。對(duì)于耦合IEC前后的空氣制冷循環(huán)，容積制冷量相對(duì)差值保持在5.21%不變，但COP相對(duì)差值隨著工作壓比的升高從34.7%降至12.66%。隨著壓比升高，COP變化幅度先突增后逐漸變小，工作壓比對(duì)COP的影響逐漸變小。

圖6 性能參數(shù)隨工作壓比的變化

圖7所示為耦合了IEC的空氣循環(huán)的制冷系數(shù)隨壓縮機(jī)、膨脹機(jī)的等熵效率的變化。由圖7可知，在一定的壓力比和工作溫度下，耦合IEC后新型空氣制冷循環(huán)COP隨著壓縮機(jī)效率和膨脹機(jī)效率的減小而迅速減小。其中壓縮機(jī)效率影響更大，因此要提高新型空氣制冷循環(huán)的制冷系數(shù)，提高壓縮機(jī)的效率是最有效的途徑。

圖7 COP隨等熵效率的變化

2.3 吸氣參數(shù)對(duì)壓縮機(jī)性能的影響

前文的計(jì)算分析均建立在壓縮機(jī)等熵絕熱運(yùn)行的條件下，而實(shí)際壓縮過(guò)程都帶有冷卻裝置且與外界有熱量交換，空壓機(jī)的實(shí)際工作過(guò)程應(yīng)為多變壓縮過(guò)程，壓縮機(jī)效率是不可忽視的參數(shù)。而吸氣參數(shù)對(duì)空壓機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)的影響很大[19-20]。因此，本節(jié)主要討論由于吸氣溫度的不同而導(dǎo)致的配置IEC前后性能差異。

秦莉等[19]通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明：對(duì)于螺桿空壓機(jī)，溫度每增加1 ℃，變頻螺桿式空壓機(jī)多變效率降低約0.898%。因此，在一定范圍內(nèi)可近似認(rèn)為空壓機(jī)吸氣溫度變化與多變效率變化的關(guān)系為：

Δη=-0.898%Δt

(10)

選取計(jì)算工況為文獻(xiàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[19]，未耦合IEC的空氣制冷循環(huán)的空壓機(jī)吸氣溫度為31 ℃，含濕量13.1 g/(kg干空氣)，空壓機(jī)效率為81.2%，配置IEC前后的空壓機(jī)含濕量不變。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 空壓機(jī)計(jì)算結(jié)果

由表3可知，由于IEC的存在使得空壓機(jī)吸氣溫度降低，含濕量保持不變，其多變效率更高，為93.1%。即考慮壓縮機(jī)效率造成的功耗增幅也就更小，表2中空壓機(jī)功耗相對(duì)降幅由5.0%升至16.6%。同時(shí)因?yàn)槲鼩鉁囟扰c空壓機(jī)多變效率的雙重影響，配置IEC后空氣制冷循環(huán)的COP提升達(dá)到了37.8%。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)提出的配置IEC的新型空氣制冷循環(huán)的熱力計(jì)算與分析，并將其與未耦合IEC的空氣循環(huán)、NH3蒸氣壓縮制冷循環(huán)進(jìn)行了對(duì)比，得到如下結(jié)論：

1)耦合IEC前后的空氣制冷循環(huán)相比蒸氣壓縮循環(huán)，均存在容積制冷量少，制冷系數(shù)小等問(wèn)題。但空氣制冷循環(huán)的流程與設(shè)備更簡(jiǎn)單，且可以基本解決傳熱溫差及除霜問(wèn)題。

2)相比普通空氣制冷循環(huán)，耦合了IEC的新型空氣制冷循環(huán)的吸排氣溫度更低，容積制冷量提高，設(shè)定工況下COP可提高15.69%。

3)制冷循環(huán)性能系數(shù)均隨制冷溫度的升高而升高，隨環(huán)境溫度的升高而減小。NH3制冷循環(huán)受參數(shù)變化的影響較大，而空氣制冷循環(huán)具有更好的環(huán)境適應(yīng)力。

4)最佳壓比要綜合考慮容積制冷量及COP等因素，隨著壓比升高，壓比對(duì)性能參數(shù)的影響逐漸減小。

5)壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的等熵效率對(duì)空氣制冷循環(huán)的性能影響較大，在本文中的新型制冷循環(huán)，壓縮機(jī)的效率影響更大。

6)配置了IEC的空氣制冷循環(huán)，由于吸氣參數(shù)對(duì)空壓機(jī)的影響，其效率得到了更大的提升，性能優(yōu)勢(shì)更顯著，COP提升達(dá)到37.8%。

符號(hào)說(shuō)明

m——一次空氣質(zhì)量，kg

m′——二次空氣質(zhì)量，kg

h——焓值，kJ/kg

d——含濕量，g/(kg干空氣)

p——壓力，kPa

t——溫度，℃

t1——吸氣溫度，℃

t2——排氣溫度，℃

k——絕熱指數(shù)

q——單位質(zhì)量制冷量，kJ/kg

qv——單位容積制冷量，kJ/m3

w——單位質(zhì)量壓縮機(jī)功耗，kJ/kg

w′——單位質(zhì)量膨脹功，kJ/kg

COP——性能系數(shù)

η——多變效率，%

下標(biāo)

0′——進(jìn)口溫度下飽和狀態(tài)

v——濕空氣中的水蒸氣

d——露點(diǎn)

NH3——NH3循環(huán)

air——空氣制冷循環(huán)