丁德鋒，陳 武，鄭超瑜，劉世杰

（1.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén)361021；2.上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海201306；3.海南熱帶海洋學(xué)院，海南 三亞572022）

0 引言

冷藏集裝箱具有優(yōu)良的隔熱性和氣密性，并能維持一定低溫，適用于易腐食品的運(yùn)輸和貯存［1］。目前全球正在運(yùn)營(yíng)的全集裝箱船有3 500 艘［2］，全球船用冷藏集裝箱已超過(guò)290 萬(wàn)TEU，當(dāng)前采用蒸汽機(jī)械壓縮式制冷方式的冷藏集裝箱中，以HFCs（氫氟烴）制冷劑為主流［3］。在HFCs 中，常見(jiàn)的制冷工質(zhì)有R134a、R410A、R407C 等，這些制冷工質(zhì)雖臭氧消耗潛能值ODP（ozone depression potential）為0，但溫室效應(yīng)潛能值GWP（global warming potential）較高。近年國(guó)際社會(huì)相繼簽署了相關(guān)法規(guī)，以控制氫氟烴制冷劑的使用和排放。歐盟在2014 年對(duì)F-Gas 法規(guī)進(jìn)行了修訂，新F-Gas法規(guī)規(guī)定自2022 年1 月1 日起禁止在商用冰箱和冷凍機(jī)上使用GWP 大于150 的HFCs 類(lèi)制冷劑［4］。為此，開(kāi)發(fā)環(huán)境性能優(yōu)良的新型制冷工質(zhì)成為冷藏集裝箱行業(yè)的研究熱點(diǎn)。

R1234ze（四氟丙烯）具有無(wú)毒、不可燃等特性，且ODP＝0，GWP＝6，具有良好的環(huán)保性能。Sánchez 等［5］研究了R1234yf、R1234ze、R600a、R290 和R152a 替代R134a 的可行性，結(jié)果表明R1234ze 的COP 比R134a 低8.6%。Mota-Babiloni 等［6］分析了不燃型制冷工質(zhì)R450A（R1234ze 與R134a 的質(zhì)量比為58∶42）的特性，并與R134a 的性能進(jìn)行對(duì)比，R450A 的壓縮機(jī)耗功低于R134a，而在COP 方面，R450A 比R134a 約高1%。王方等［7］對(duì)R1234ze／HCs 非共沸混合工質(zhì)熱泵系統(tǒng)的循環(huán)性能進(jìn)行了分析，研究結(jié)果顯示，在名義工況下，R1234ze／R600 混合工質(zhì)的最優(yōu)質(zhì)量配比為20∶80，而R1234ze／R600a 的最優(yōu)質(zhì)量配比為40：60，在該最優(yōu)質(zhì)量配比下，對(duì)應(yīng)的制熱性能系數(shù)最高，分別為3.41 和3.32，而R1234ze／R290 的性能系數(shù)隨R1234ze 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)單調(diào)下降的趨勢(shì)，R1234ze／R600（20／80）系統(tǒng)的制熱性能系數(shù)比R1234ze／R600a（40／60）、R600、R600a 系統(tǒng)分別高2.7%、16.3%和17.8%。張雷等［8］在焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，在名義工況下，對(duì)分別采用HFO-1234ze、R417A 和R22 作為工質(zhì)的空氣源熱泵熱水器進(jìn)行了測(cè)試，研究表明，HFO-1234ze 可以作為R22 與R417a 的替代制冷劑，在熱泵熱水器中使用。張志巍等［9］優(yōu)化了R32／R1234ze 的交互系數(shù)，建立了PR 方程與混合法則模型，在壓強(qiáng)為500 kPa 時(shí)，R32 與R1234ze 質(zhì)量混合比為0.25∶0.75 時(shí)溫度滑移最大，達(dá)到12.7 ℃。

由于純質(zhì)R1234ze 的汽化潛熱值較小，容積制冷量也較低，制約了它在商業(yè)制冷上的廣泛應(yīng)用，常作為滅火或抑燃劑［10］；而R32 雖具低度可燃性，但其單位容積制冷量較大［11-12］，為此可以嘗試將R1234ze 與R32 相混合，以取長(zhǎng)補(bǔ)短，形成混合工質(zhì)。針對(duì)R1234ze／R32 混合工質(zhì)的實(shí)際應(yīng)用效果，王路路等［13］在人工環(huán)境中對(duì)比分析了R1234ze 質(zhì)量分?jǐn)?shù)占27%的R1234ze／R32 混合工質(zhì)在熱泵系統(tǒng)上的運(yùn)行性能，結(jié)果表明，在相對(duì)高溫區(qū)，混合工質(zhì)替代R410A 具有較好的替代性能。Koyama 等［14］對(duì)R1234ze 質(zhì)量分?jǐn)?shù)占50%的R1234ze／R32 混合工質(zhì)在R410 系統(tǒng)上進(jìn)行直接充灌研究，結(jié)果表明，在R1234ze 中添加R32 可以提高系統(tǒng)性能系數(shù)，且混合工質(zhì)的壓降與R410A 接近，但流量較小。鮮少見(jiàn)到R1234ze／R32 混合工質(zhì)在冷藏集裝箱制冷機(jī)組上的實(shí)驗(yàn)研究。本文主要針對(duì)R1234ze／R32 混合制冷工質(zhì)在冷藏集裝箱制冷機(jī)組上的運(yùn)行特性進(jìn)行循環(huán)分析，并與當(dāng)前常見(jiàn)的HFCs 類(lèi)制冷工質(zhì)進(jìn)行對(duì)比，以探究將R1234ze／R32 混合工質(zhì)應(yīng)用在制冷機(jī)組上的可行性。

1 制冷劑工質(zhì)性質(zhì)

利用Refprop 數(shù)據(jù)庫(kù)軟件對(duì)工質(zhì)物性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于單質(zhì)R134a，利用32 參數(shù)維里方程進(jìn)行計(jì)算，而對(duì)于R410A、R404A 及DN01 等混合工質(zhì)，則采用通用赫姆霍茲自由能混合法則進(jìn)行計(jì)算，該法則可以直接調(diào)用純工質(zhì)狀態(tài)方程，以計(jì)算混合工質(zhì)的熱物性［15-16］。

1.1 環(huán)保和安全性

由表1 可知，這幾種工質(zhì)的ODP 均為0，R1234ze 的GWP 僅為6，且大氣壽命僅為18 d，R410A、R404A 的GWP 分別為2 100、3 520。R32 雖具有弱可燃性，GWP 值為675，屬中等值，故R1234ze 與R32 組成的混合工質(zhì)對(duì)環(huán)境的影響比R410A 和R404A 小得多，具有一定的環(huán)保優(yōu)勢(shì)。為使混合工質(zhì)R1234ze／R32 的GWP 滿(mǎn)足歐盟F-Gas 的法規(guī)要求，R1234ze 所占質(zhì)量不能低于78.4%。

表1 R1234ze、R410A、R404A 與R134a 的熱力性質(zhì)Tab.1 Thermal properties of R1234ze，R410A，R404A and R134a

在可燃性上，R32 屬于低度可燃工質(zhì)，而其他4 種為不可燃工質(zhì)，由于R1234ze 的加入可以顯著降低R32 的可燃性。

1.2 油溶性

由于HFO-1234ze 與礦物油、烷基苯、聚烯醇油、改性聚烯醇油、乙烯醚油、PAG、POE 等都具有良好的互溶性［17］。且R32 與R134a、R404A 同屬HFCs 類(lèi)制冷工質(zhì)，由此可見(jiàn)，R1234ze／R32 能夠有效提高混合工質(zhì)與潤(rùn)滑油的相溶性，對(duì)于當(dāng)前冷藏集裝箱常用的R410A、R404A 及R134a 制冷工質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)直接充注替換，無(wú)需更換原機(jī)組所采用的潤(rùn)滑油。

1.3 溫度滑移特性

溫度滑移是制冷工質(zhì)泡點(diǎn)溫度和露點(diǎn)溫度的差值。在不同壓強(qiáng)下，R1234ze 和R32 組成的混合制冷劑的滑移溫度隨R1234ze 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)如圖1 所示。從圖1 可知，在不同壓強(qiáng)下，滑移溫度隨R1234ze 質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的趨勢(shì)基本相同，在1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，混合工質(zhì)在R1234ze 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82%時(shí)，滑移溫度最大，達(dá)14.1 ℃。壓強(qiáng)為1 MPa、1.5 MPa 和2.0 MPa 時(shí)，滑移溫度均在R1234ze 質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為80%時(shí)達(dá)最大。為使混合工質(zhì)的GWP 低于150，且盡可能利用R32 的熱力性能，本文所用混合制冷工質(zhì)，其R1234ze／R32 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85∶15，記為DN01。

圖1 不同大氣壓力下溫度滑移隨R1234ze質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)Fig.1 Temperature glide with R1234ze content changes at different atmosphere pressures

1.4 飽和蒸汽壓力

為進(jìn)行替代，替代工質(zhì)的飽和壓力線需與被替代工質(zhì)盡可能相近，這樣可以減少管路和部件的替代成本。4 種HFCs 工質(zhì)的飽和壓力線如圖2 所示，由圖2 可知，在這4 種工質(zhì)中，R410A 的飽和蒸汽壓力最高，而R134a 最低，R410A 的飽和蒸汽壓力約比R404A、DN01 平均高16.1%、32.7%，同時(shí)DN01 的飽和蒸汽壓力基本與R134a 持平。僅從壓力角度看，將DN01 直接充注在使用R410A、R404A 或R134a 的原型機(jī)上，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，不需對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行大的改動(dòng)，降低了替代成本。

圖2 飽和蒸汽壓力隨溫度的變化Fig.2 Variation of saturation steam pressure with temperature

1.5 汽化潛熱

4 種工質(zhì)的汽化潛熱如圖3 所示。從圖3 可知，4 種工質(zhì)的汽化潛熱均隨壓力的增大逐漸降低，其中R410A 的汽化潛熱最大，R404A 的汽化潛熱最小，R134a、DN01 的汽化潛熱介于R410A 和R404A 之間，當(dāng)壓力在0.1～3.0 MPa 時(shí)，DN01 的汽化潛熱約比R410A 低16.4%，但比R404A、R134a 分別高22.5%、10.6%。

圖3 汽化潛熱隨壓力的變化Fig.3 Variation of the latent heat of vaporization with pressure

1.6 飽和氣體黏度

工質(zhì)黏度影響著制冷劑與管道及管道內(nèi)部的流動(dòng)阻力，進(jìn)而影響著系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。低黏度的工質(zhì)由于在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)附著層小，有利于傳熱系數(shù)的增大。從圖4 可知：四種工質(zhì)的飽和氣體在溫度低于40 ℃時(shí)，黏度隨溫度的變化較為平緩，且DN01 的黏度低于R410A，高于R134a 及R404A。在-50～70 ℃間R410A 的黏度比R404A、DN01 分別約高11.2%、12.0%；在溫度高于40 ℃時(shí)，DN01的黏度隨溫度的變化最為平緩，這有利于制冷工質(zhì)在冷藏集裝箱制冷系統(tǒng)高溫段的換熱。

圖4 飽和氣體黏度比較Fig.4 Viscosity comparison of saturated gases

1.7 飽和氣體導(dǎo)熱系數(shù)

制冷工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)影響著工質(zhì)在蒸發(fā)器和冷凝器內(nèi)的熱量傳遞過(guò)程，導(dǎo)熱系數(shù)越大，越有利于系統(tǒng)換熱。4 種工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化過(guò)程如圖5 所示。從圖5 可以看出，在低溫下4 種工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)相差不大，但在溫度高于0 ℃時(shí)，4 種工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)劇增。在這4 種工質(zhì)中，R410A 的導(dǎo)熱系數(shù)最大，R134a 最小，DN01 的導(dǎo)熱系數(shù)比R134a 高2.2%。

圖5 飽和氣體導(dǎo)熱系數(shù)比較Fig.5 Thermal conductivity comparison of saturated gases

2 混合工質(zhì)循環(huán)性能分析

為分析冷藏集裝箱制冷機(jī)組R1234ze／HFCs 的性能，繪制系統(tǒng)壓焓圖，如圖6 所示。建立冷藏集裝箱制冷機(jī)組的能量分析方程，作如下假設(shè)［18］：工質(zhì)穩(wěn)定流動(dòng)；在各連接管路及設(shè)備內(nèi)工質(zhì)的壓降為零；壓縮和膨脹過(guò)程絕熱；節(jié)流過(guò)程為絕熱節(jié)流。

圖6 系統(tǒng)壓焓圖Fig.6 Diagram of the system pressure enthalpy

混合工質(zhì)在冷藏集裝箱制冷機(jī)組的理論循環(huán)主要計(jì)算公式如下：

壓縮機(jī)的能量方程：Wcom＝qmr·（h2-h1）。式中：qmr為制冷劑質(zhì)量流量，kg／s；h1為壓縮機(jī)進(jìn)口焓值，kJ／kg；h2為壓縮機(jī)的實(shí)際出口焓值，kJ／kg；Wcom為壓縮機(jī)的耗功，kW。

壓縮機(jī)的質(zhì)量流量：qmr＝ηV·Vdis·n／（60·v1）。式中：Vdis為壓縮機(jī)的排氣量，m3／r；n為壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，r／min；υ1為壓縮機(jī)進(jìn)口制冷劑的比體積，m3／kg；ηV為壓 縮機(jī)的容積效率，ηV＝0.9-0.0035·p2／p1。式中：p1為壓縮機(jī)進(jìn)口壓強(qiáng)，MPa；p2為壓縮機(jī)的出口壓強(qiáng)，MPa。

壓縮機(jī)的實(shí)際出口焓值：h2＝h1＋（h3-h1）／ηis。式中：h3為等熵壓縮時(shí)壓縮機(jī)的理論出口焓值，kJ／kg；ηis為等熵效率，ηis＝0.874-0.0135·p2／p1。

冷凝器的能量方程：QH＝qmr·（h2-h6）。式中：h6為冷凝器的出口焓值，kJ／kg。

蒸發(fā)器的能量方程：Qe＝qmr·（h1-h7）。式中：h7為蒸發(fā)器的進(jìn)口焓值，kJ／kg。

本文采用單級(jí)蒸汽壓縮式制冷循環(huán)，選用型號(hào)為S4BCF-5.2（Y）的船用比澤爾壓縮機(jī)作為壓縮機(jī)模型，該壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為1 450 r／min，排氣量為19.0 m3／h。利用Matlab 軟件對(duì)R134a，R410A，R404A，DN01 工質(zhì)進(jìn)行理論模擬計(jì)算，其中工質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)通過(guò)接口程序調(diào)用NIST 開(kāi)發(fā)的Refprop 9.1 軟件得到。

為研究混合工質(zhì)DN01 的循環(huán)特性，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T21145-2007 《運(yùn)輸用制冷機(jī)組》［19］，分別在不同冷凝溫度和蒸發(fā)溫度條件下對(duì)該工質(zhì)的循環(huán)性能進(jìn)行分析：蒸發(fā)溫度為-20 ℃，冷凝溫度為35～70 ℃；冷凝溫度為40 ℃，蒸發(fā)溫度為-25～0 ℃。

2.1 冷凝溫度對(duì)循環(huán)性能的影響

壓縮機(jī)的排氣溫度影響著機(jī)組的安全運(yùn)行，壓縮機(jī)若長(zhǎng)期高溫運(yùn)行，會(huì)降低潤(rùn)滑油的黏度，使壓縮機(jī)性能惡化，對(duì)集裝箱制冷機(jī)組造成一定的危害，故選用制冷替代工質(zhì)時(shí)必須嚴(yán)格控制壓縮機(jī)的排氣溫度。從圖7 可以看出，4 種工質(zhì)的排氣溫度均隨冷凝溫度的升高而升高，DN01 的排氣溫度在62～118 ℃間變化，在壓縮機(jī)的允許范圍內(nèi)，R410A 的排氣溫度最高，比DN01、R134a 和R404A 分別約高18、23、31 ℃。

單位容積制冷量體現(xiàn)著一定體積工質(zhì)的制冷能力，在制冷量一定時(shí)，單位容積制冷量小的工質(zhì)需要更大的循環(huán)量，匹配更大的制冷機(jī)組。在R1234ze 中加入一定量的R32 能夠有效提高工質(zhì)的單位容積制冷量。在圖7 中，虛線顯示的是單位容積制冷量隨冷凝溫度的變化趨勢(shì)，由圖7 可知：當(dāng)壓縮機(jī)輸氣量一定時(shí)，4 種工質(zhì)的單位容積制冷量隨冷凝溫度的升高而降低，其中DN01 的單位容積制冷量基本和R134a 相同，在冷凝溫度為35 ℃時(shí)為990.8 kJ／m3，冷凝溫度為35～70 ℃時(shí)，單位容積制冷量在595～990 kJ／m3間變化，比R410A 平均低60%，比R404A 平均低37%。

圖7 排氣溫度及單位容積制冷量隨冷凝溫度變化關(guān)系Fig.7 Variation of the discharge temperature and volumetric refrigerating capacity with the condensation temperature

壓縮機(jī)耗功隨冷凝溫度的變化關(guān)系如圖8 虛線所示。從圖8 中可以看出：4 種工質(zhì)的壓縮機(jī)耗功均隨冷凝溫度的升高而升高，其中，R404A 的壓縮機(jī)耗功最高，R134a 的壓縮機(jī)耗功最低，DN01 的壓縮機(jī)耗功比R404A 平均低6.0%，比R134a、R410A 分別平均高13.0%、7.5%。

系統(tǒng)在4 種工質(zhì)下的COP 如圖8 實(shí)線所示?？梢钥闯?，隨冷凝溫度的升高，4 種工質(zhì)的COP 均逐漸下降。其中，R404A 的COP 隨冷凝溫度的升高，下降最為劇烈，而R134a 的COP 最高，在冷凝溫度35 ℃時(shí)為2.32，在冷凝溫度為70 ℃時(shí)為0.85。

圖8 COP 和壓縮機(jī)耗功隨冷凝溫度變化關(guān)系Fig.8 Variation of COP and the power consumption of compressor with the condensation temperature

2.2 蒸發(fā)溫度對(duì)循環(huán)性能的影響

在冷藏集裝箱制冷系統(tǒng)中，當(dāng)冷凝溫度一定時(shí)，蒸發(fā)溫度的升高會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣壓力增大，吸氣比容降低，壓縮機(jī)的質(zhì)量流量增加。圖9 和圖10 分別表示4 種工質(zhì)的循環(huán)特性隨蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系。

由圖9 可知：對(duì)于4 種工質(zhì)，當(dāng)蒸發(fā)溫度低于0 ℃時(shí)，壓縮機(jī)的排氣溫度都隨蒸發(fā)溫度的升高而降低，其中，R410A 的壓縮機(jī)排氣溫度最高，R134a次之，R404A 的排氣溫度隨蒸發(fā)溫度的升高變化最為平緩，DN01 的排氣溫度最低，為56.6～74.3 ℃；虛線顯示的是4 種工質(zhì)的COP 隨蒸發(fā)溫度變化的趨勢(shì)，可以看出，4 種工質(zhì)的COP 均隨蒸發(fā)溫度的升高而增大，其中，DN01 最大，在蒸發(fā)溫度為0 ℃時(shí)，COP 達(dá)到3.5，R404A 最小，R410A 的COP 在蒸發(fā)溫度為0 ℃時(shí)，與R404A 基本一致，蒸發(fā)溫度在-25～0 ℃的變化過(guò)程中，DN01 的COP 較R134a，R410A，R404A 分別平均高7.2%，12.3%，15.0%。

圖9 排氣溫度及COP 隨蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系Fig.9 Variation of the discharge temperature and COP with the evaporation temperature

由圖10 可知：4 種工質(zhì)的單位容積制冷量均隨蒸發(fā)溫度的升高而升高，其中R410A 的單位容積制冷量最高，R404A 次之，而DN01 和R134a基本持平。當(dāng)蒸發(fā)溫度在-25～0 ℃間變化時(shí)，R410A 的單位容積制冷量較R404A 平均高46.2%，較DN01 平均高140.3%；隨蒸發(fā)溫度的變化，R134a 的壓縮比最大，DN01 次之，R410A與R404A 基本相同。

圖10 單位容積制冷量及壓縮比隨蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系Fig.10 Variation of volumetric heating capacity and compression ratio with the evaporation temperature

3 結(jié)論

本文對(duì)DN01、R410A、R404A 和R134a 4 種制冷工質(zhì)的熱力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比，同時(shí)對(duì)工質(zhì)在冷藏集裝箱制冷機(jī)組上的循環(huán)性能進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

1）DN01（R1234ze／R32 質(zhì)量比為85∶15）的GWP 值低，油溶性好，飽和蒸汽壓力與R134a 持平，比R410A、R404A 低；DN01 的汽化潛熱介于R410A、R404A 之間，比R134a 高10.6%；在溫度高于40℃時(shí)，運(yùn)動(dòng)黏度隨溫度的變化比較平緩，導(dǎo)熱系數(shù)低于R410A、R404A，比R134a 高2.2%。

2）4 種工質(zhì)的COP 均隨冷凝溫度的升高而逐漸下降，其中DN01 下降最為平緩，R134a 的COP最高，冷凝溫度在35～70 ℃間變化時(shí)，DN01 平均約比R134a 低11.3%；蒸發(fā)溫度在-25～0 ℃的變化過(guò)程中，隨著蒸發(fā)溫度的升高，4 種工質(zhì)的COP 均逐漸升高，同時(shí)DN01 的COP 較R134a、R410A、R404A 平均高7.2%、12.3%、15.0%。在變冷凝溫度和變蒸發(fā)溫度工況下，DN01 的冷凝壓力低于2.4 MPa，排氣溫度在120 ℃以下，符合設(shè)計(jì)要求。