王方旭，鄒同華

（天津商業(yè)大學天津市制冷技術重點實驗室，天津300134）

目前，隨著中國的經(jīng)濟和高新技術發(fā)展，包括醫(yī)學、化工、食品、軍工、生物科技等越來越多的行業(yè)的關鍵技術和工藝都需要在特殊的低溫環(huán)境下研究，從而對于低溫制冷的需求越來越多[1]。在需要制取較低的蒸發(fā)溫度時，只用單級壓縮制冷系統(tǒng)很難制取到所需要的蒸發(fā)溫度。想要獲得較低的蒸發(fā)溫度，單級壓縮制冷系統(tǒng)顯然是不合適的，最常用制取較低溫度的制冷方式有雙級（多級）壓縮制冷循環(huán)、兩級復疊式制冷循環(huán)、三級復疊式制冷循環(huán)等。本文介紹了雙級壓縮制冷系統(tǒng)和復疊式制冷系統(tǒng)，通過比較雙級壓縮制冷系統(tǒng)和復疊式制冷系統(tǒng)各自的優(yōu)缺點，從而分析兩者各自所適用的低溫制冷環(huán)境場合。和二級節(jié)流循環(huán)[3]。

1 雙級壓縮制冷循環(huán)

1.1 雙級壓縮制冷原理簡介

所謂雙級壓縮制冷循環(huán)，一般是使用兩臺壓縮機，分別為低壓級壓縮機和高壓級壓縮機。雙級壓縮制冷循環(huán)的工作原理如圖1所示，制冷劑氣體從蒸發(fā)壓力提高到冷凝壓力的過程分2個階段，第一個階段先經(jīng)低壓級壓縮機壓縮到中間壓力，第二個階段中間壓力下的氣體經(jīng)過中間冷卻后再到高壓級壓縮機進一步壓縮到冷凝壓力，往復循環(huán)完成一個制冷過程。在制取低溫時，雙級壓縮制冷循環(huán)的中間冷卻器降低了高壓級壓縮機制冷劑的入口溫度，同時也降低了同一壓縮機的排氣溫度[2]。由于雙級壓縮制冷循環(huán)將整個制冷過程分成2個階段，所以會導致每個階段的壓縮比相對于單級壓縮降低不少，對設備強度的要求降低，使制冷循環(huán)的效率大大提高。兩級壓縮制冷循環(huán)按照中間冷卻方式的不同分為中間完全冷卻循環(huán)和中間不完全冷卻循環(huán)；若按照節(jié)流方式又可以分為一級節(jié)流循環(huán)

圖1 雙級壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)原理圖

1.2 雙級壓縮制冷劑種類

雙級壓縮制冷系統(tǒng)大多選擇中低溫制冷劑，從而使系統(tǒng)可以同時滿足中溫和低溫的溫度環(huán)境。但絕大多數(shù)制冷劑都會對環(huán)境有破壞作用，由于它們被長期使用和較高的GWP值[4]，所以尋找并使用環(huán)境友好型制冷劑變得尤為重要。實驗研究表明，R448A、R455a在能效方面是R404A的良好替代品[4]。與氫氟烴替代品相比，CO2作為環(huán)境友好型工質，是氫氟烴制冷劑的潛在替代品，具有良好的環(huán)境特性[5]。但是用CO2替代R134a會使系統(tǒng)性能惡化，特別是在較高的環(huán)境溫度下，CO2系統(tǒng)的壓力相當高，需要對關鍵部件進行特殊處理，特別是壓縮機[6]。

1.3 雙級壓縮制冷的優(yōu)化研究

雙級壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化研究是當下的熱點之一，劉業(yè)鳳等[7]等通過對系統(tǒng)的中間冷卻器和空氣冷卻器的管排數(shù)優(yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)增加中間冷卻器的管排數(shù)的同時，減少空氣冷卻器中的管排數(shù)，可以在增大中間冷卻器的換熱面積的同時減少由于空氣冷卻器中管排數(shù)較多導致空氣回到其入口，通過以上改進可以降低2℃左右的中間冷卻器進口溫度，同時還能保證空氣冷卻器的冷卻效果。楊永安等[8]保持低壓級壓縮機的頻率恒定，改變高壓級壓縮機的頻率，從而改變高壓級壓縮機的氣體輸氣量之比，蒸發(fā)溫度恒定為-20℃時，COP最大值為3.374，最大COP對應的輸氣量比為1.819。劉圣春等[9]對比了幾種常見的CO2跨臨界雙級壓縮制冷系統(tǒng)后得出結論，由于氣體冷卻器的出口溫度和低壓級壓縮機的效率在給定壓力時對循環(huán)的影響大，所以如果想提高系統(tǒng)效率，就要降低氣體冷卻器出口溫度和選擇運行效率高的低壓級壓縮機。

2 復疊制冷循環(huán)

2.1 兩級復疊制冷原理簡介

兩級復疊制冷循環(huán)的工作原理如圖2所示，冷凝蒸發(fā)器作為高溫級制冷循環(huán)的蒸發(fā)器同時也負擔著低溫級制冷循環(huán)的冷凝器的作用。復疊制冷系統(tǒng)采用了幾個單獨的制冷系統(tǒng)，它們使用不同的制冷劑，通過冷凝蒸發(fā)器換熱，以實現(xiàn)較低的工作溫度和合理的冷凝壓力。但是如果考慮到經(jīng)濟性，使用復疊制冷系統(tǒng)經(jīng)濟性是較差的，因為不同的制冷系統(tǒng)必須同時運行，驅動兩臺或多臺壓縮機的功率很高。所以只有在使用復疊制冷系統(tǒng)制取較低蒸發(fā)溫度時比較有效。

圖2 兩級復疊制冷循環(huán)系統(tǒng)原理圖

2.2 三級復疊制冷原理簡介

三級復疊制冷循環(huán)的工作原理如圖3所示，它由3個單級制冷壓縮循環(huán)疊加組成，其中第一級冷凝蒸發(fā)器作為高溫級制冷循環(huán)蒸發(fā)器的同時也負擔著中溫級制冷循環(huán)中冷凝器的作用，第二級冷凝蒸發(fā)器作為中溫級制冷循環(huán)蒸發(fā)器的同時也負擔著低溫級制冷循環(huán)中冷凝器的作用。

圖3 三級復疊制冷循環(huán)系統(tǒng)原理圖

2.3 復疊制冷劑種類

在復疊制冷系統(tǒng)中，對于兩級復疊系統(tǒng)來說，高溫級使用的是中溫制冷工質，低溫級使用的是低溫制冷工質；對于三級復疊系統(tǒng)來說，高溫級使用的是高溫制冷工質，中溫級使用的是中溫制冷工質，低溫級使用的是低溫制冷工質。系統(tǒng)所使用的制冷工質應與制冷系統(tǒng)中的設備和管路等材質兼容，不腐蝕、不氧化，有較穩(wěn)定的化學性質，且與潤滑油不互溶。

R404A既不破壞臭氧層，又有較高的單位容積制冷量，所以R404A可暫時作為替代R22和R502的中長期替代物[10]。低溫級的制冷循環(huán)中通常采用R23和R508B作為制冷劑，但R23的GWP較高，是強溫室氣體；R23在實際制冷系統(tǒng)應用時，最大的缺點是損壞壓縮機運動部件，且會分解潤滑油，導致電機短路等危險[11]。雖然R508B的GWP也較高，但其ODP為0，且在單位容積制冷量上有明顯優(yōu)勢[12]，所以應優(yōu)先考慮R508B作為復疊制冷系統(tǒng)低溫級制冷劑。由于臭氧層的破壞和溫室效應的加劇，對自然環(huán)保型的制冷劑研究變得更加重要，尤其對以R717/R744為復疊制冷系統(tǒng)工質的研究越來越多。從國內外對于復疊制冷系統(tǒng)中制冷劑組的研究大趨勢上來看，自然環(huán)保型的制冷劑正在慢慢取代對環(huán)境造成破壞的制冷劑。

2.4 復疊制冷的優(yōu)化研究

近幾年對于復疊制冷系統(tǒng)的優(yōu)化研究體現(xiàn)在多方面。

HASHMI等[13]建立了基于復疊制冷變溫系統(tǒng)能效分析的熱力學模型。增加蓄冷器和制冷劑回路，提高了能效，減小了壓縮機的尺寸，使系統(tǒng)更加節(jié)能。劉秀芳等[14]提出了一種雙運行復疊制冷系統(tǒng)，該制冷系統(tǒng)設置了一個中間回熱器，運行穩(wěn)定，可達到-60℃的制冷溫度。根據(jù)計算，系統(tǒng)的COP會隨著低溫級循環(huán)壓比增加而增至1.1。李軍[15]通過計算發(fā)現(xiàn)在-55℃左右的蒸發(fā)溫度時，蒸發(fā)器減少1℃的傳熱溫差，可以增大系統(tǒng)3.7%的制冷量，提高2.2%的系統(tǒng)COP值；同時提出可以在低溫級循環(huán)內加入排氣冷卻器用于壓縮機排氣的冷卻來減少冷凝蒸發(fā)器的熱負荷，從而提高能效比。劉井龍等[16]通過對復疊制冷系統(tǒng)中潤滑油的選擇和分離的研究表明，低溫級制冷循環(huán)中的潤滑油除了具有普通制冷劑潤滑油的特性外，還應該保證潤滑油擁有較低的傾點溫度（能夠保證流動的最低溫度），并提出在低溫級制冷循環(huán)系統(tǒng)中應設置一個高效的油分離器。同時，將膨脹容器添加到低溫階段循環(huán)中，以防止由于低溫階段制冷循環(huán)的高氣化壓力而導致單元的高設計壓力。

對三級復疊制冷系統(tǒng)研究更多的還是針對制冷劑組選擇的優(yōu)化，SUN等[17]采用熱力學分析方法研究了運行參數(shù)隨蒸發(fā)溫度的變化，結果表明，R1150在低溫循環(huán)中能替代R14；R41和R170可在中溫循環(huán)中替代R23；R170被優(yōu)先推薦使用。孫志利等[18]通過對比R1150/R170/R717、R50/R170/R717、R14/R170/R717三組制冷劑組研究發(fā)現(xiàn)，R1150/R170/R717的COP和熱力學完善度最大、?損失最小、?效率最大。

3 對比分析

所需蒸發(fā)溫度在-30℃～-60℃時，通常采用中溫制冷劑的雙級壓縮制冷系統(tǒng)[19]；在-60℃蒸發(fā)溫度以下時復疊式制冷與雙級壓縮制冷相比，吸氣壓力更高、壓縮機效率更高、蒸發(fā)溫度更低。因此復疊式制冷應用在低溫區(qū)間效率更高，是很有應用前景的低溫制冷系統(tǒng)[20]。但是兩級復疊制冷循環(huán)所制取的蒸發(fā)溫度有限，在低于-80℃時，由于壓縮機的壓比限制，兩級復疊制冷系統(tǒng)顯然是不合適的[17]。在這種情況下，三級復疊制冷系統(tǒng)更加合適，通過3個制冷循環(huán)的復疊來制取較低的溫度，三級復疊制冷系統(tǒng)可以制取到-120℃的低溫環(huán)境。

4 結論

本文重點分析了在制取不同低溫環(huán)境時最常用到的雙級壓縮制冷系統(tǒng)、兩級復疊式制冷系統(tǒng)和三級復疊制冷系統(tǒng)的工作原理、適用制冷劑的種類以及近些年對這3類制冷系統(tǒng)的優(yōu)化改進。

通過對比分析發(fā)現(xiàn)當所需的制冷溫度高于-60℃時，雙級壓縮制冷系統(tǒng)的效率普遍高于復疊制冷系統(tǒng)；當所需制冷溫度低于-60℃時，復疊制冷系統(tǒng)的效率普遍會高于雙級壓縮制冷系統(tǒng)；當所需制冷溫度低于-80℃時，三級復疊制冷系統(tǒng)相比較兩級復疊制冷系統(tǒng)來說是更加合適的。

由于絕大多數(shù)制冷劑對環(huán)境有破壞作用，所以對于像氨、二氧化碳等自然工質的研究將成為所用制冷劑未來的主要方向。