盛峰，吳得卿，周宇翔，朱昱東，李輝*，安雪暉

（1-中電建路橋集團有限公司，北京 100048；2-清華大學(xué)熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室，北京100084；3-清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084；）

0 引言

隨著我國綜合國力及國民生活水平的快速提升，環(huán)保問題得到了社會各界越來越多的關(guān)注，“全球變暖”、“溫室效應(yīng)”、“臭氧層破壞”等話題已成為時下關(guān)注的熱點。截至2018年，我國制冷空調(diào)產(chǎn)量已達世界總產(chǎn)量的80%以上[1]，是名副其實的全球制冷空調(diào)設(shè)備第一生產(chǎn)大國，而我國冷鏈物流行業(yè)亦迎來了高速發(fā)展期[2]。在冷鏈物流的過程中，冷庫一直是整條冷鏈中儲存時間最長，消耗能量最多的環(huán)節(jié)[3]。冷庫，亦稱冷藏庫，是一種通過人工制冷來獲得并保持儲藏物所需低溫的倉儲建筑。對冷庫進行合理的形式設(shè)計及正確的運營管理是控制整條冷鏈物流體系的成本及能耗的關(guān)鍵所在，因此尋找環(huán)保、安全、穩(wěn)定和高效的制冷劑，并構(gòu)建具備較高系統(tǒng)優(yōu)越性的循環(huán)形式成為制冷業(yè)未來研究與發(fā)展的新趨勢。

目前在冷庫應(yīng)用中常見的制冷循環(huán)形式包括了單級壓縮式循環(huán)、雙級壓縮式循環(huán)以及復(fù)疊式循環(huán)三類。單級壓縮式循環(huán)是制冷行業(yè)最為常見，也是應(yīng)用最廣泛的制冷方式之一。單級壓縮式循環(huán)系統(tǒng)包括蒸發(fā)、壓縮、冷凝和節(jié)流4 個部分。該循環(huán)由于只使用了單個壓縮機，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，制造成本較低，運行性能穩(wěn)定，但由于使用的是單一制冷劑，受制冷劑壓縮特性、蒸發(fā)壓力以及循環(huán)壓比的限制，無法實現(xiàn)較大溫度跨度的制冷需求，因此不適用于深冷。雙級壓縮式循環(huán)是在單級壓縮式循環(huán)的基礎(chǔ)上，將流經(jīng)蒸發(fā)器吸熱后的制冷劑蒸氣先經(jīng)過低壓壓縮機壓縮至中間壓力，接著同來自中間冷卻器的制冷劑混合降溫，再通過高壓壓縮機壓縮，最后進入冷凝器冷凝。目前國內(nèi)雙級壓縮式機組的最低蒸發(fā)溫度可達-70 ℃，能滿足金槍魚的超低溫冷凍需求[4]；當(dāng)壓縮機壓比大于8 或蒸發(fā)溫度低于-15 ℃時，雙級壓縮式循環(huán)相比于單級壓縮式循環(huán)具有更高的效率[5]；當(dāng)蒸發(fā)溫度低于-75 ℃時，雙級壓縮式系統(tǒng)中的壓縮機將因吸氣壓力過低而無法工作[6]。相比于單級壓縮式循環(huán)，雙級壓縮式循環(huán)通過多級壓縮拓展了制冷范圍，但由于仍使用的是單一工質(zhì)，因此在深冷應(yīng)用中有所局限。復(fù)疊式循環(huán)則是將較大的溫度跨度分成若干溫度段，在每個溫度段選用合適的制冷劑循環(huán)，再通過蒸發(fā)冷凝器實現(xiàn)不同循環(huán)之間的換熱，從而實現(xiàn)大溫度跨度的降溫。在相同冷凝溫度下，復(fù)疊式循環(huán)的壓比與排氣溫度均低于雙級壓縮式循環(huán)，表現(xiàn)出更高的系統(tǒng)可靠性[7]。復(fù)疊式循環(huán)具有優(yōu)異的系統(tǒng)適應(yīng)性，可以針對具體對象采用對臭氧無破壞作用的能效比高的制冷工質(zhì)[8]，尤其是綠色工質(zhì)組合，滿足環(huán)保的需要[9-10]。此外，當(dāng)蒸發(fā)溫度降低時，復(fù)疊式循環(huán)的性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）隨之降低的趨勢比雙級壓縮式循環(huán)小，在工況偏移時有更好的性能[11]；蒸發(fā)溫度低于-40 ℃時，復(fù)疊式循環(huán)COP 高于雙級壓縮式循環(huán)，綜合各項因素，推薦在低于-25 ℃工況中采用復(fù)疊式循環(huán)[12]。

目前在實際制冷應(yīng)用中使用較廣泛的天然制冷劑包括氨氣、碳氫化合物以及CO2。氨（NH3）由于臭氧消耗潛勢（Ozone Depletion Potential，ODP）為零，全球變暖潛能值（Global Warming Potential，GWP）為零，同時具備優(yōu)良的熱力學(xué)性能以及較大的傳熱系數(shù)，因此廣泛應(yīng)用于食品、飲料和保鮮行業(yè)[13]。應(yīng)注意的是，氨在空氣中的爆炸極限為15.5%～25%，燃點為630 ℃，屬于可燃型制冷劑，且氨具有一定的毒性，安全評級為B2 級[14]，因此當(dāng)充注量較大時，使用氨工質(zhì)的制冷系統(tǒng)存在很大的安全隱患。碳氫化合物（HCs）制冷劑主要包括乙烷（R170）、乙烯（R1150）、丙烷（R290）和丙烯（R1270）等，其來源主要是石油化工流程的產(chǎn)物，因此易于獲取且價格低廉。此類制冷劑ODP 為0、GWP 較小、沸點很低，在低溫制冷領(lǐng)域具有比HFC 制冷劑更好的應(yīng)用前景[15-17]。但碳氫化合物制冷劑在空氣中的爆炸極限低于10%，自燃點在420～600 ℃，屬于極易燃制冷劑，充注量受到嚴格限制，目前僅在小型制冷設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用，在大型制冷系統(tǒng)中還沒有成功案例。CO2是歷史最為悠久的制冷劑，因其ODP 為0，GWP 為1，單位容積制冷量大且價格低廉，CO2成為目前制冷循環(huán)中最有前景的工質(zhì)[18-19]。CO2黏度低、流動傳熱性能良好、壓比較小，可提升壓縮機的等熵效率。相比于氨和碳氫制冷劑，CO2具有無毒、不可燃的特性，使之在制冷系統(tǒng)應(yīng)用中具備更高的安全性。上述關(guān)鍵優(yōu)勢使CO2適合于不同制冷應(yīng)用，包括復(fù)疊式循環(huán)。已有文獻[18-19]指出CO2/NH3復(fù)疊式循環(huán)將成為低溫冷凍領(lǐng)域新的潛在選擇。黃志華等[20]發(fā)現(xiàn)CO2/NH3復(fù)疊的制冷系統(tǒng)在較低的溫度下具有較高的能效比，具有一定的節(jié)能意義。郭珊等[21]針對CO2/NH3復(fù)疊式制冷系統(tǒng)提出了一種能夠利用壓縮機排氣顯熱的噴射復(fù)疊制冷系統(tǒng)，可解決一般制冷系統(tǒng)節(jié)流后閃蒸氣干擾蒸發(fā)換熱等問題，并能顯著提升系統(tǒng)綜合性能。

基于上述分析，本文在以復(fù)疊式循環(huán)為所選制冷模式的前提下，比較了不同天然工質(zhì)組合形式對復(fù)疊式循環(huán)系統(tǒng)性能的影響，完成了CO2部分替代可燃性制冷劑的可行性及適用范圍分析，并選出最優(yōu)的工質(zhì)組合；針對具體水產(chǎn)冷庫的制冷需求提出了新型的串聯(lián)式復(fù)疊循環(huán)的設(shè)計，并針對該系統(tǒng)完成了熱力學(xué)性能分析，以期能夠為冷鏈物流中冷庫有效設(shè)計未來深入研究和應(yīng)用提供新的導(dǎo)向。

1 天然工質(zhì)的復(fù)疊式循環(huán)熱力學(xué)分析

首先構(gòu)建復(fù)疊式循環(huán)熱力性能理論分析的簡化數(shù)學(xué)模型，再結(jié)合設(shè)定工況，選取合適的天然工質(zhì)組合進行復(fù)疊式循環(huán)熱力性能的計算，通過比較工質(zhì)物性、循環(huán)壓比和系統(tǒng)性能等參數(shù)，確立最優(yōu)的天然工質(zhì)組合，作為后續(xù)水產(chǎn)冷庫設(shè)計的基礎(chǔ)。

1.1 理論分析

復(fù)疊式制冷系統(tǒng)是由兩套蒸氣壓縮式系統(tǒng)組合形成的，對于各級蒸氣壓縮式系統(tǒng)，其主要制冷設(shè)備包括了壓縮機、冷凝器/蒸發(fā)器、儲液器、節(jié)流閥、冷凝蒸發(fā)器。復(fù)疊式系統(tǒng)制冷循環(huán)流程如圖1所示。對于單側(cè)制冷循環(huán)，高溫高壓的制冷劑氣體流經(jīng)冷凝器（或冷凝蒸發(fā)器）后形成低溫高壓的液體，制冷劑液體在重力作用下進入儲液器，然后通過節(jié)流閥降壓達到飽和態(tài)，低溫飽和態(tài)制冷劑再被送入冷凝蒸發(fā)器（或蒸發(fā)器）蒸發(fā)吸熱，通過壓縮機壓縮后重新形成高溫高壓的氣體，再次進入冷凝器（或冷凝蒸發(fā)器）進行冷凝，從而完成一次循環(huán)。

圖1 復(fù)疊式制冷循環(huán)流程原理

為簡化分析過程，作如下假設(shè)：1）該復(fù)疊式系統(tǒng)為一孤立系統(tǒng)，忽略各部件與環(huán)境之間的換熱；2）壓縮過程等熵絕熱，節(jié)流過程前后焓相等，無漏熱損失；3）忽略管道內(nèi)部熱損失及壓降；4）制冷劑在蒸發(fā)器、冷凝器及蒸發(fā)冷凝器的出口均為飽和狀態(tài)；5）冷凝蒸發(fā)器內(nèi)換熱溫差為定值ΔT，高低溫制冷回路中壓縮機的吸氣過熱度為定值ts；6）系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，忽略機械振動及工質(zhì)流動帶來的能量損失，壓縮機效率取為定值η。

在假設(shè)的基礎(chǔ)上，復(fù)疊式循環(huán)整體性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）：

式中，Q0為制冷負荷，W；Wl為低溫制冷回路中的壓縮機耗功，W；Wh為高溫制冷回路中的壓縮機耗功，W。

我想勸她幾句。她卻立刻止住了哭，說，你走吧，各人有各人的命。不過，這一天我過得非常真誠，非常痛快，多少年也沒這樣了，真的。

由式(1)可知，在假設(shè)條件下，復(fù)疊式系統(tǒng)整體的COP 僅與高低溫制冷循環(huán)中各狀態(tài)點的焓值及壓縮機效率相關(guān)。在固定壓縮機效率的前提下可直接通過對復(fù)疊式系統(tǒng)各部件所處工況的設(shè)置來求得系統(tǒng)整體性能系數(shù)，本文將采用所推得的式(1)進行不同天然工質(zhì)組合的復(fù)疊式系統(tǒng)性能計算。

1.2 天然工質(zhì)的復(fù)疊式循環(huán)計算

圖2所示為天然工質(zhì)的復(fù)疊式循環(huán)計算流程。

圖2 復(fù)疊式循環(huán)計算流程

在保證流動、傳熱及狀態(tài)條件滿足以上假設(shè)同時，需給定以下計算條件：1）低溫回路蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度T0為-50 ℃，高溫回路冷凝器冷凝溫度Tk為30 ℃；2）冷凝蒸發(fā)器中高、低溫制冷回路換熱溫差ΔT為5 ℃，高低溫制冷回路中壓縮機吸氣過熱度ts為5 ℃；3）高低溫制冷回路中壓縮機效率η為0.7。

在計算過程中，控制低溫回路蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度與高溫回路冷凝器冷凝溫度不變，改變冷凝蒸發(fā)器中低溫回路的冷凝溫度，即復(fù)疊式系統(tǒng)的中間溫度Tm，復(fù)疊式系統(tǒng)的COP 將隨之改變。當(dāng)達到某一溫度時，復(fù)疊式系統(tǒng)的COP 達到最大，這一溫度即為該復(fù)疊式系統(tǒng)的最佳中間溫度Tm,opt。在制冷工業(yè)的實際應(yīng)用中，對于兩級的復(fù)疊式系統(tǒng)，常采用邁勒普拉薩特公式來確定理論中間溫度[24]：

為節(jié)約計算時間，先通過邁勒普拉薩特公式確定設(shè)計工況的理論中間溫度，再以算得的理論中間溫度為基礎(chǔ)，在一定范圍內(nèi)改變復(fù)疊式系統(tǒng)的中間溫度，以求得不同天然工質(zhì)組合的最佳中間溫度。

1.3 計算結(jié)果分析

根據(jù)所設(shè)定的-50 ℃蒸發(fā)溫度需求，結(jié)合天然制冷劑自身的物性，選擇了包括 CO2/NH3、CO2/C3H8、CO2/C3H6、CO2/C4H10、CO2/iso-C4H10、C2H6/NH3、C2H4/NH3、C3H6/NH3在內(nèi)的8 種天然工質(zhì)的組合，按照圖2所示計算流程，圖3 與表1給出了對采用8 種天然工質(zhì)組合的復(fù)疊式循環(huán)COP與壓比的整體比較分析結(jié)果。

表1 天然工質(zhì)復(fù)疊式循環(huán)性能系數(shù)與壓比對比

圖3 復(fù)疊式循環(huán)天然工質(zhì)組合性能比較

從上述結(jié)果可以看出，在全部的8 種工質(zhì)組合中，C3H6/NH3的復(fù)疊式組合具有最佳的 COP（0.8525），作為低溫制冷循環(huán)具有優(yōu)良的系統(tǒng)性能；而CO2/C3H6的復(fù)疊式組合則具有相對較小的高溫級壓比（Kh）和低溫級壓比（Kl），表現(xiàn)出了更優(yōu)良的壓縮性能，在實際應(yīng)用中可降低壓縮機性能要求并減小其能耗。但考慮到HC 制冷劑極高的可燃性以及在充注量方面嚴格的控制，上述兩種組合在實際水產(chǎn)冷庫的應(yīng)用中將受到限制。CO2/NH3的復(fù)疊式組合在COP 與高低溫級壓比兩方面同前兩種組合相差不大的情況下，由于CO2具有不可燃的特性以及較優(yōu)良的傳熱性能，可將C3H6/NH3作為復(fù)疊式組合使用的制冷劑。

2 船用串聯(lián)式復(fù)疊冷庫系統(tǒng)設(shè)計

通過前文分析，已得到了熱力性能優(yōu)良的C3H6/NH3組合與CO2/NH3組合兩種復(fù)疊式循環(huán)方式，其中C3H6/NH3組合的COP 最大，但受限于C3H6的充注量，實際深冷應(yīng)用中提供的制冷量相對有限，而CO2/NH3組合雖然COP 略遜于前者，但考慮到CO2的安全性以及更優(yōu)良的傳熱特性，在實際設(shè)計中，可通過兩種組合的合理搭配，實現(xiàn)二者的優(yōu)勢互補，構(gòu)建最優(yōu)的系統(tǒng)組合模式。本節(jié)將結(jié)合具體船用冷庫的制冷需求，提出一種新型的串聯(lián)式復(fù)疊循環(huán)，并完成相關(guān)的熱力學(xué)與經(jīng)濟性分析。

2.1 循環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)建

作為水產(chǎn)冷鏈的起點，水產(chǎn)冷庫需從源頭上實現(xiàn)對捕撈水產(chǎn)的及時冷凍，以保證水產(chǎn)的品質(zhì)及產(chǎn)量。針對漁獲品，主要有高、低兩類制冷需求：低冷凍需求和高冷凍需求。低冷凍需求要求凍魚表面溫度低于-18 ℃，高冷凍需求要求冷凍溫度在-60 ℃甚至更低。對于上述溫度需求，考慮到使用CO2工質(zhì)時無法獲得-60 ℃的低溫（CO2三相點為-56.6 ℃），故只能通過C3H6工質(zhì)來實現(xiàn)-60 ℃的低溫?？紤]到C3H6工質(zhì)的充注量受到嚴格限制，因此可通過少量C3H6工質(zhì)實現(xiàn)對少量制冷條件苛刻的漁獲品，主要是金槍魚的冷凍，并借助安全性較高的CO2工質(zhì)實現(xiàn)對剩余大量凍魚的冷凍。基于上述想法，為滿足水產(chǎn)冷庫的需求，提出了一種如圖4所示的串聯(lián)式的復(fù)疊式冷庫制冷循環(huán)。由圖中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知，凍魚與金槍魚分置于冷庫的不同冷凍區(qū)中，分別由兩個獨立的CO2制冷循環(huán)與C3H6制冷循環(huán)進行冷凍降溫，兩個獨立循環(huán)又通過冷凝蒸發(fā)器串聯(lián)在同一個NH3制冷循環(huán)中，從而實現(xiàn)了借助同一高溫回路實現(xiàn)不同低溫回路制冷溫度的需求。由于串聯(lián)式復(fù)疊設(shè)計相比于分立系統(tǒng)減少了相關(guān)換熱、壓縮及節(jié)流部件的使用，因而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到簡化，系統(tǒng)操作更簡單易行。

圖4 船用串聯(lián)式復(fù)疊冷庫循環(huán)

2.2 串聯(lián)式復(fù)疊冷庫的熱力學(xué)分析

針對新構(gòu)建的串聯(lián)式復(fù)疊制冷循環(huán)，仍采用1.1節(jié)的假設(shè)條件，在系統(tǒng)總制冷量為Q0，CO2回路與C3H6回路的制冷量分別為xQ0、(1-x)Q0的情況下，CO2制冷回路中的工質(zhì)流量：

CO2制冷回路中的壓縮機功耗：

CO2制冷回路的冷凝熱：

C3H6制冷回路中的工質(zhì)流量：

C3H6制冷回路中的壓縮機功耗：

C3H6制冷回路的冷凝熱：

NH3制冷回路中的工質(zhì)流量：

即：

NH3制冷回路中的壓縮機功耗：

串聯(lián)式復(fù)疊制冷循環(huán)整體性能系數(shù)：

式(12)表明，在本文假設(shè)條件下，串聯(lián)式復(fù)疊制冷循環(huán)的性能系數(shù)僅與循環(huán)中各部件出、入口焓值，壓縮機效率及兩低溫回路中制冷量的分配有關(guān)，可沿用圖2 的計算流程進行系統(tǒng)最佳COP 的分析與計算。

考慮到實際凍魚和金槍魚的冷凍溫度需求及捕撈量占比，設(shè)置如下計算條件：1）串聯(lián)式復(fù)疊冷庫的制冷量：Q0=80 kW，CO2回路與C3H6回路的制冷量按9:1 分配，即x=0.9；2）C3H6回路蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度：T0,C3H6=-65 ℃，CO2回路蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度T0,CO2為-30 ℃，NH3回路冷凝器冷凝溫度Tk為30 ℃；3）換熱器（蒸發(fā)器、冷凝器）與環(huán)境空氣的換熱溫差dT為5 ℃；4）冷凝蒸發(fā)器中高、低溫制冷回路換熱溫差ΔT為5 ℃，高低溫制冷回路中壓縮機吸氣過熱度ts為5 ℃；5）高低溫制冷回路中壓縮機效率η為0.7；6）其余流動、傳熱及狀態(tài)條件與1.1 節(jié)中假設(shè)一致。

結(jié)合上述計算條件，對串聯(lián)式復(fù)疊系統(tǒng)的最佳中間溫度以及系統(tǒng)最大COP 進行了迭代計算，并與相同制冷條件下兩個分立的C3H6/NH3、CO2/NH3復(fù)疊式循環(huán)按相同制冷量比例組合后形成的復(fù)合系統(tǒng)的性能系數(shù)進行對比，得到如圖5 和表2所示的計算結(jié)果。計算結(jié)果可以看出，由于3 個系統(tǒng)的最佳中間溫度相近，使得兩個分立的復(fù)疊式系統(tǒng)按制冷量比例組合后的系統(tǒng)性能系數(shù)與串聯(lián)式復(fù)疊系統(tǒng)的性能系數(shù)相同，同時同一工質(zhì)在不同循環(huán)形式的制冷回路中的壓比相近，且基本符合制冷工業(yè)中常用的2～10 的壓比范圍[24]，具備在漁船上實際應(yīng)用的可能。此外，相比于分立的復(fù)疊式系統(tǒng)，串聯(lián)式的復(fù)疊系統(tǒng)通過一個NH3制冷回路實現(xiàn)了原本兩個制冷回路的制冷效果，減少了壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥等循環(huán)部件的使用個數(shù)，可降低冷庫建設(shè)的初始投資，在實際制冷設(shè)計中具備更好的應(yīng)用前景。

圖5 串聯(lián)式復(fù)疊系統(tǒng)性能對比

表2 串聯(lián)式復(fù)疊系統(tǒng)性能系數(shù)與壓比對比

3 結(jié)論

本文研究了常規(guī)復(fù)疊式循環(huán)，進行了系統(tǒng)性能分析的簡化數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，針對設(shè)定工況選擇了8 組天然工質(zhì)的組合進行了單側(cè)回路工質(zhì)物性的分析及系統(tǒng)性能系數(shù)的計算，基于實際漁船漁獲品保鮮品質(zhì)的溫度需求，結(jié)合天然制冷劑C3H6與CO2的使用條件，提出了一種串聯(lián)式的復(fù)疊制冷系統(tǒng)，分析了相關(guān)系統(tǒng)性能分析，得出如下結(jié)論：

1）所有8 種組合中，C3H6/NH3組合的COP 最高，但受C3H6充注量的限制有一定的應(yīng)用局限；CO2/NH3組合在具備較高COP 及較優(yōu)良壓縮性能的前提下，由于CO2不可燃，系統(tǒng)安全性更強，具有較好的實際應(yīng)用前景；

2）串聯(lián)式復(fù)疊系統(tǒng)通過能量的梯級利用實現(xiàn)對溫度需求對象的冷凍，通過制冷量的合理分配，借助CO2部分替代了C3H6，減少了C3H6的充注量，提高了系統(tǒng)的安全性；

3）由于系統(tǒng)最佳中間溫度的接近，使用串聯(lián)式復(fù)疊系統(tǒng)能實現(xiàn)相同制冷量分配下兩個分立的復(fù)疊式系統(tǒng)組合的性能系數(shù)（COP 為1.0801），且相比于分立系統(tǒng)減少了相關(guān)換熱、壓縮及節(jié)流部件的使用，降低了冷庫初期建設(shè)成本，在實際應(yīng)用中具有更好的系統(tǒng)優(yōu)越性。