田雅芬 趙兆瑞 邢子文 楊一凡 馬 進(jìn) 于志強(qiáng)

(1 西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 西安 710049；2 中國制冷學(xué)會秘書處 北京 100142；3 國內(nèi)貿(mào)易工程設(shè)計研究院 北京 100135；4 煙臺冰輪股份有限公司 煙臺 264002)

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CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)與載冷劑制冷系統(tǒng)適用范圍研究

田雅芬1趙兆瑞1邢子文1楊一凡2馬 進(jìn)3于志強(qiáng)4

(1 西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 西安 710049；2 中國制冷學(xué)會秘書處 北京 100142；3 國內(nèi)貿(mào)易工程設(shè)計研究院 北京 100135；4 煙臺冰輪股份有限公司 煙臺 264002)

鑒于自然工質(zhì)制冷劑具有優(yōu)良的環(huán)保特性，相關(guān)技術(shù)的推廣應(yīng)用越來越多地受到人們的關(guān)注，其中CO2與NH3被視為是最適合且最有潛力的自然工質(zhì)。在冷凍冷藏領(lǐng)域，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界使用最為廣泛的制冷系統(tǒng)——NH3/CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)與NH3壓縮CO2載冷劑制冷系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)應(yīng)用的工況范圍并沒有得到清晰而廣泛的共識。對此，本文在常規(guī)商業(yè)冷凍冷藏應(yīng)用溫度區(qū)間內(nèi)，分別對NH3/CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)及NH3壓縮CO2載冷劑制冷系統(tǒng)的制冷性能進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用條件，得出CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)與載冷劑制冷系統(tǒng)各自適合的工作范圍，旨在為CO2制冷系統(tǒng)的合理應(yīng)用提供參考。研究表明，在需求蒸發(fā)溫度低于-25 ℃的場合宜采用NH3/CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)作為供冷系統(tǒng)，并且對于CO2壓縮機(jī)，最高吸氣壓力應(yīng)不小于1.97 MPa，CO2壓縮機(jī)的最高允許排氣壓力也應(yīng)大于4.07 MPa。

CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)；CO2載冷劑制冷系統(tǒng)；適用范圍；自然工質(zhì)；制冷性能；CO2壓縮機(jī)

由于環(huán)保限制協(xié)議等問題，人工合成的制冷劑將逐漸受到更大限制。在2020年之前，HCFC類制冷將削減35%，并在2030年之前被完全替代[1]。另一方面，R407C與R410A等HFC工質(zhì)由于GWP較大也將逐步被替代。未來，新興的制冷劑必須具有以下特質(zhì)：對臭氧層無破壞，較小的溫室氣體性能，較短的環(huán)境周期壽命，較高的使用安全性，較好的熱力學(xué)性能[2]。因此，隨著R22等工質(zhì)被取代，更多的自然工質(zhì)將被應(yīng)用在冷凍冷藏領(lǐng)域，而其中，CO2與NH3被視為最適合且最有潛力的自然工質(zhì)[3-8]。

NH3作為制冷工質(zhì)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在大型冷庫及冷凍冷藏、食品加工、醫(yī)藥等領(lǐng)域[9]。NH3作為制冷工質(zhì)，具有極好的熱力學(xué)性能與傳熱傳質(zhì)性能，同時，其出眾的潛熱密度、較高的單位容積制冷量及吸水性能，對制冷系統(tǒng)也有很重要的意義[10]。然而，由于NH3具有一定的毒性、可燃性，應(yīng)用仍受到一定限制。為最大限度地降低其毒性影響，減少充注量是最有效的措施之一。由此，CO2作為低溫級供冷工質(zhì)受到越發(fā)廣泛地關(guān)注，應(yīng)用量得到快速提升。

CO2作為制冷劑，由于工作壓力較高，往往應(yīng)用在較低溫度工況的制冷循環(huán)中；同時，無毒無嗅、極佳的熱力學(xué)性能使其可以很好的適應(yīng)作為冷庫供冷工質(zhì)的需求[11-13]。常規(guī)CO2與NH3工質(zhì)的低溫制冷系統(tǒng)主要包括NH3/CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)和NH3壓縮CO2載冷劑制冷系統(tǒng)兩種類型[14]，結(jié)合使用可以滿足商業(yè)冷凍領(lǐng)域的絕大部分需求。然而，由于CO2制冷系統(tǒng)在國內(nèi)仍處于上升階段，行業(yè)內(nèi)關(guān)于CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)、載冷劑制冷系統(tǒng)各自的適用范圍存在很多不同的說法，給系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用都帶來了困惑[15]。為此，本文將從實(shí)際工程應(yīng)用的角度，統(tǒng)一比較基準(zhǔn)，在對CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)及載冷劑制冷系統(tǒng)進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，得出各自的適用范圍，為CO2制冷系統(tǒng)的合理應(yīng)用提供參考。

1 系統(tǒng)描述與評價指標(biāo)

作為兩種截然不同的自然工質(zhì)低溫制冷系統(tǒng)，NH3/CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)與NH3壓縮CO2載冷劑制冷系統(tǒng)主要針對低溫冷凍冷藏、食品冷鏈等應(yīng)用領(lǐng)域的供冷需求。然而，由于系統(tǒng)特性，二者所針對的供冷溫區(qū)有較大差別，而目前工程應(yīng)用中對在不同溫區(qū)如何選擇并沒有定量的分析與指導(dǎo)，對系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)與后期維護(hù)造成諸多不便。本文結(jié)合兩種系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中的參數(shù)，給出性能評價指標(biāo)，并在不同工況范圍與級間壓力等參數(shù)變化的基礎(chǔ)上，判斷二種系統(tǒng)的優(yōu)劣勢，旨在給出兩種系統(tǒng)的最優(yōu)工況范圍。1.1 NH3/CO2復(fù)疊制冷與載冷劑制冷系統(tǒng)

為陳述簡便，在本文中復(fù)疊系統(tǒng)所指即NH3/CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)，載冷劑制冷系統(tǒng)指單級/雙級NH3壓縮CO2載冷劑制冷系統(tǒng)。

圖1給出了復(fù)疊制冷系統(tǒng)示意圖。如圖所示，系統(tǒng)分兩個循環(huán)，高溫級NH3壓縮制冷循環(huán)與低溫級CO2制冷循環(huán)通過冷凝蒸發(fā)器換熱[16]，CO2級蒸發(fā)器為制冷系統(tǒng)供冷，NH3級冷凝器與外界換熱，兩者換熱溫度取決于環(huán)境溫度與系統(tǒng)設(shè)定。圖2與圖3給出了復(fù)疊制冷系統(tǒng)循環(huán)p-h與T-s圖，4-1為冷庫供冷的低溫級蒸發(fā)過程，1-2為CO2壓縮過程，2-3為CO2冷凝過程，與NH3系統(tǒng)中的8-5蒸發(fā)過程換熱，3-4為節(jié)流過程；NH3系統(tǒng)類似，6-7為與外界換熱的冷凝過程?？梢钥闯?，通過兩級復(fù)疊系統(tǒng)的換熱，既可以利用CO2在制冷系統(tǒng)中的優(yōu)勢，又避免了過高壓力帶來的壓縮機(jī)性能下降，通過合理的系統(tǒng)控制、最優(yōu)級間溫度設(shè)計與換熱器優(yōu)化，可以保證較高的低溫制冷效率。

圖1 復(fù)疊制冷系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of cascade refrigeration system

圖2 復(fù)疊制冷系統(tǒng)循環(huán)p-h圖Fig.2 p-h diagram of cascade refrigeration system

圖3 復(fù)疊制冷系統(tǒng)循環(huán)T-s圖Fig.3 T-s diagram of cascade refrigeration system

圖4給出了CO2載冷劑制冷系統(tǒng)的示意圖[14]，NH3壓縮機(jī)可以為單級或雙級。在較低蒸發(fā)溫度的工況下，通過兩級壓縮可以將NH3制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)、冷凝溫差保持在較高的水平，同時保證壓縮機(jī)的效率。圖中，高壓高溫NH3與外界換熱冷凝后，經(jīng)節(jié)流閥流至冷凝蒸發(fā)器與CO2換熱，使CO2載冷劑液化。在泵的驅(qū)動下，CO2載冷劑為冷庫提供冷量，氣化后進(jìn)入下一個循環(huán)。值得一提的是，由于CO2載冷劑需要與NH3換熱液化，又為冷庫供冷氣化，其中需要兩級的換熱溫差提供換熱量，因此換熱器的優(yōu)化設(shè)計非常重要，如若換熱溫差較大，則無法保證系統(tǒng)較高的COP。載冷劑制冷系統(tǒng)的p-h圖與T-s圖如圖5與圖6所示。

圖4 載冷劑制冷系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of secondary refrigerant system

圖5 載冷劑制冷系統(tǒng)循環(huán)p-h圖Fig.5 p-h diagram of secondary refrigerant system

圖6 載冷劑制冷系統(tǒng)循環(huán)T-s圖Fig.6 T-s diagram of secondary refrigerant system

1.2 性能評價指標(biāo)

從工程應(yīng)用角度出發(fā)，對制冷系統(tǒng)尤其是低溫制冷系統(tǒng)的評價，往往通過對COP的計算來分析。因此，本次通過對兩種系統(tǒng)COP的模擬計算，分析二者在不同工況條件下的變化規(guī)律，尋找最優(yōu)工況點(diǎn)，旨在判斷每種系統(tǒng)最優(yōu)的應(yīng)用范圍。

本文中對COP計算做出幾點(diǎn)設(shè)定與假設(shè)，主要包括：

1)穩(wěn)定工況假設(shè)，認(rèn)為系統(tǒng)在設(shè)定的參數(shù)范圍內(nèi)，穩(wěn)定工作，壓縮機(jī)、換熱器、閥組等部件運(yùn)作正常且穩(wěn)定不變[17]。

2)高溫側(cè)冷凝溫度為35 ℃，低溫蒸發(fā)溫度變化范圍為-55 ℃～-5 ℃。為了保證NH3壓縮機(jī)工作在安全壓力范圍內(nèi)，當(dāng)蒸發(fā)溫度高于-20 ℃時，載冷劑制冷系統(tǒng)使用單級壓縮，低于-20 ℃時，采用雙級壓縮。

3)泵功率忽略不計，忽略制冷劑在換熱器中的流動損失以及蒸發(fā)器出口過熱與冷凝器出口過冷，忽略兩級壓縮機(jī)排量配比的影響，認(rèn)為壓縮機(jī)工作在最佳工況點(diǎn)。

4)針對冷凝器、蒸發(fā)器、冷凝蒸發(fā)器等換熱器部件，設(shè)定換熱統(tǒng)一溫差為5 ℃，且不隨工況變化。 由于CO2載冷劑的存在，故在相同工況下載冷劑制冷系統(tǒng)的NH3側(cè)蒸發(fā)溫度比復(fù)疊制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度低5 ℃。

1.2.1 系統(tǒng)COP

針對復(fù)疊系統(tǒng)，COP應(yīng)通過CO2級制冷量與兩臺壓縮機(jī)功耗之比得到，即：

(1)

而NH3與CO2壓縮機(jī)功耗則取決于等熵壓縮功與絕熱效率，即：

(2)

(3)

式中：ηNH3、ηCO2分別為NH3、CO2壓縮機(jī)絕熱效率。

而針對載冷劑制冷系統(tǒng)，COP應(yīng)通過CO2載冷劑制冷量與NH3壓縮機(jī)功耗之比得到，即：

(4)

式中：COPsr為載冷劑制冷系統(tǒng)的COP；wNH3為 NH3壓縮機(jī)功耗，J/kg。

同樣的，NH3壓縮機(jī)的功耗也可以通過等熵壓縮功與絕熱效率計算，即：

(5)

針對系統(tǒng)COP的計算過程，有兩點(diǎn)需要確定，即制冷劑參數(shù)的確定和壓縮機(jī)絕熱效率的計算。

1.2.2 制冷劑物性

對于制冷劑物性的計算，本文采用Refprop7.0物性計算軟件進(jìn)行確定，通過壓力、溫度、熵等參數(shù)，確定各點(diǎn)的比焓值，進(jìn)而確定壓縮機(jī)理論耗功與蒸發(fā)、冷凝器的換熱量。

以復(fù)疊系統(tǒng)中的低溫級CO2循環(huán)為例，其余循環(huán)類似不再贅述：

CO2的吸氣壓力取決于設(shè)定工況的蒸發(fā)溫度，即：

psuc=f(Teva,Q)

(6)

式中：psuc為CO2吸氣壓力，Pa；Teva為CO2蒸發(fā)溫度，℃；Q為干度，此處取1。

因此，CO2壓縮機(jī)吸氣狀態(tài)可以確定：

Ssuc=f(Teva,psuc)

(7)

h1=f(Teav,psuc)

(8)

式中：Ssuc為壓縮機(jī)吸氣熵，J/(kg·℃)；h1為圖中1點(diǎn)比焓值，即壓縮機(jī)理論吸氣比焓，J/kg。

而2點(diǎn)即壓縮機(jī)排氣過程狀態(tài)，可以通過排氣壓力與熵值確定，即：

h2=f(pdis,Ssuc)

(9)

pdis=f(Tcond,Q)

(10)

式中：pdis為排氣壓力，Pa；Tcond為冷凝溫度，℃。

考慮壓縮機(jī)實(shí)際絕熱效率小于1，則實(shí)際排氣狀態(tài)應(yīng)為：

(11)

式中：h2為實(shí)際壓縮機(jī)排氣比焓，J/kg。

冷凝器出口狀態(tài)同樣可以通過冷凝溫度與干度

(此處為0)確定，即：

h3=f(Tcond,Q)

(12)

節(jié)流過程均為等焓過程，即：

h3=h4

(13)

確定各點(diǎn)比焓值后，即可通過前文所述公式進(jìn)行COP計算。

1.2.3 壓縮機(jī)絕熱效率

壓縮機(jī)絕熱效率的確定，不僅對COP與制冷量的計算，也對中間壓力的確定、換熱器等有重要意義，因此如何更為客觀的確定壓縮機(jī)效率至關(guān)重要。本文運(yùn)行制冷系數(shù)及實(shí)際絕熱效率等均按照前川公司MYCOM選型軟件查取。

針對復(fù)疊系統(tǒng)，按照設(shè)定容量預(yù)設(shè)選擇高溫級NH3制冷壓縮機(jī)，并在設(shè)定工況下計算蒸發(fā)冷凝器換熱量，并作為低溫級CO2系統(tǒng)冷凝換熱量；根據(jù)CO2冷凝換熱量確定CO2壓縮機(jī)流量，確定CO2壓縮機(jī)選型。針對載冷劑制冷系統(tǒng)，根據(jù)工況范圍選擇單/雙級壓縮。同理，在設(shè)定工況下，根據(jù)不同機(jī)型流量計算蒸發(fā)器換熱量，再由中間換熱器的換熱量，確定單級/雙級NH3壓縮機(jī)。

在機(jī)型選定的情況下，根據(jù)不同的工況在MYCOM軟件中計算得到所有相關(guān)參數(shù)，主要包括軸功率與吸排氣狀態(tài)等；進(jìn)而，根據(jù)理論計算所得等熵壓縮功，最終確定在某一工況下的絕熱效率ηNH3、ηCO2。

1.2.4 復(fù)疊系統(tǒng)最佳中間溫度

復(fù)疊系統(tǒng)的中間溫度同時影響NH3壓縮機(jī)的吸氣狀態(tài)與CO2壓縮機(jī)排氣狀態(tài)，由于壓縮機(jī)在不同工況下的運(yùn)行性能差別，復(fù)疊系統(tǒng)存在最優(yōu)中間溫度。

以-35/35 ℃為例對計算過程加以說明，高溫級蒸發(fā)溫度比低溫級冷凝溫度低5 ℃，此5 ℃即為冷凝蒸發(fā)器換熱溫差。以2 ℃溫差為間隔選取一系列中間溫度，首先計算不同中間溫度下的絕熱效率，計算方式如前文所述，取用MYCOM選型軟件中的制冷量、流量、軸功率等參數(shù)，對比理論等熵壓縮過程，得到絕熱效率。計算結(jié)果見表1。

表1 復(fù)疊循環(huán)-35/35 ℃工況不同中間溫度對應(yīng)的絕熱效率

根據(jù)表1中絕熱效率的計算結(jié)果，針對每一組中間溫度工況，得到低溫級制冷量、CO2/NH3壓縮機(jī)軸功率等參數(shù)，并計算得到系統(tǒng)COP。計算結(jié)果如圖7所示，圖中橫坐標(biāo)為高溫級NH3的蒸發(fā)溫度，在現(xiàn)有假設(shè)下，等于低溫級CO2冷凝溫度再減少5 ℃。

圖7 NH3/CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)中間溫度影響Fig.7 Effect of intermediate temperature on the performance of NH3/CO2 cascade refrigeration system

由圖中可以看出，復(fù)疊系統(tǒng)在NH3蒸發(fā)溫度-12 ℃，CO2冷凝溫度-7 ℃處達(dá)到最高COP，因此針對-35/35 ℃的工況，采用-12 ℃(NH3側(cè)蒸發(fā))/-7 ℃(CO2側(cè)冷凝)作為最佳中間點(diǎn)。針對其余工況點(diǎn)，采用相應(yīng)的計算方法確定最優(yōu)COP。

2 結(jié)果分析

2.1 各系統(tǒng)COP比較

在確定各工況點(diǎn)最優(yōu)中間溫度與壓力后，可以計算系統(tǒng)在不同工況下的COP，進(jìn)而分析各個系統(tǒng)的最佳工作范圍，以便在不同應(yīng)用場合中進(jìn)行選擇與設(shè)計。本文重點(diǎn)研究五種系統(tǒng)在不同工況下的運(yùn)行性能，包括復(fù)疊系統(tǒng)、單級NH3壓縮CO2載冷劑制冷系統(tǒng)、雙級NH3壓縮CO2載冷劑制冷系統(tǒng)、單級NH3制冷系統(tǒng)、雙級NH3制冷系統(tǒng)，圖8所示為復(fù)疊系統(tǒng)與雙級壓縮系統(tǒng)在不同蒸發(fā)溫度下的系統(tǒng)COP，主要針對蒸發(fā)溫度較低的制冷系統(tǒng)，冷凝溫度均控制在35 ℃。

由圖8可以看出，在-15 ℃以下，復(fù)疊系統(tǒng)COP要高于雙級壓縮載冷劑制冷系統(tǒng)，而在-40 ℃以下，甚至要高于雙級NH3壓縮制冷系統(tǒng)，并且隨著蒸發(fā)溫度的下降，這一優(yōu)勢越發(fā)明顯：復(fù)疊系統(tǒng)COP在-25 ℃時較載冷劑制冷系統(tǒng)高約5%，在-30 ℃時高約9%。

從另一個角度來說，載冷劑的有無對雙級NH3壓縮制冷系統(tǒng)有較大的影響。從圖8可以看出，由于載冷劑制冷系統(tǒng)在相同工況下需要更低的NH3蒸發(fā)溫度，導(dǎo)致COP相比NH3制冷系統(tǒng)有明顯的差距。雖然這一差別數(shù)值上隨工況變化不大，但從比例上講，蒸發(fā)溫度越低時，復(fù)疊系統(tǒng)的損失越大，這一差別可達(dá)到17%左右。因此，需要綜合考慮性能與安全性等問題，確定在不同工況范圍內(nèi)使用最合適的制冷系統(tǒng)。

圖8 復(fù)疊系統(tǒng)與雙級氨壓縮系統(tǒng)對比Fig.8 Comparison diagram of the performance between cascade and NH3 two-stage compression refrigeration system

圖9 復(fù)疊系統(tǒng)與單級氨壓縮系統(tǒng)對比Fig.9 Comparison diagram of the performance between cascade and NH3 single-stage compression refrigeration system

如前文所述，在蒸發(fā)溫度較高的情況下，往往采用單級壓縮制冷系統(tǒng)。圖9給出了復(fù)疊系統(tǒng)對比單級NH3壓縮制冷系統(tǒng)隨蒸發(fā)溫度的變化趨勢，可以看出，在-20 ℃以下，復(fù)疊系統(tǒng)的COP要超過單級NH3壓縮制冷系統(tǒng)，而在-5 ℃以下均超過單級NH3壓縮載冷劑制冷系統(tǒng)。但由于CO2工質(zhì)在較高工作溫度下高壓的特性，并不適合在蒸發(fā)溫度過高的工況下運(yùn)行，因此一般建議在低于-25 ℃的工況時采用復(fù)疊系統(tǒng)代替單級NH3壓縮載冷劑制冷系統(tǒng)。2.2 過冷、過熱及阻力損失影響

為簡化計算過程，在計算中忽略了系統(tǒng)的阻力損失及過熱過冷，因此有必要對以上幾項(xiàng)條件對各制冷系統(tǒng)制冷系數(shù)的影響進(jìn)行定性分析。在相同工況下，復(fù)疊系統(tǒng)與載冷劑系統(tǒng)二者的高溫側(cè)工況基本相同，因此僅就阻力損失、過熱、過冷對三類系統(tǒng)低溫側(cè)的影響進(jìn)行分析比較。由于復(fù)疊系統(tǒng)及NH3雙級壓縮CO2載冷劑制冷系統(tǒng)的冷凝蒸發(fā)器換熱溫差均為5 ℃，故載冷劑制冷系統(tǒng)的NH3側(cè)蒸發(fā)溫度比復(fù)疊系統(tǒng)蒸發(fā)溫度低5 ℃。

選取下面3個工況為例，過熱、過冷、阻力按表2取值，其中阻力的取值參考《冷庫制冷設(shè)計手冊》NH3制冷管道允許壓力降規(guī)定。以不考慮過熱、過冷、阻力的系統(tǒng)制冷系數(shù)作為比較基準(zhǔn)，給出各因素分別對系統(tǒng)制冷系數(shù)影響的百分比。

通過表2可以看出，如果考慮過熱、過冷、阻力等實(shí)際因素，各制冷系統(tǒng)的制冷系數(shù)都會降低，復(fù)疊系統(tǒng)所降低百分比小于載冷劑制冷系統(tǒng)，換言之，如若考慮以上因素進(jìn)行比較，復(fù)疊系統(tǒng)將受更小的影響。

表2 過熱、過冷、阻力對系統(tǒng)COP影響的百分比(%)

2.3 CO2壓縮機(jī)應(yīng)用范圍討論

CO2壓縮機(jī)的工作壓力也是需要特別注意的問題。隨著系統(tǒng)蒸發(fā)溫度或冷凝壓力的升高，中間級換熱溫度同樣升高，這將導(dǎo)致CO2壓縮機(jī)工作在較高的壓力下，需要選用承載能力更高的壓縮機(jī)。CO2壓縮機(jī)的最高允許吸氣壓力應(yīng)不小于-20 ℃對應(yīng)的飽和壓力1.97 MPa。根據(jù)NH3壓縮機(jī)及其機(jī)組的設(shè)計和使用條件，冷凝溫度最高可到45 ℃，而當(dāng)NH3冷凝溫度為45 ℃時，CO2蒸發(fā)溫度-20 ℃對應(yīng)的最佳效率工況為-20/6 ℃，6 ℃對應(yīng)的CO2飽和壓力為4.07 MPa。CO2壓縮機(jī)的最高允許排氣壓力應(yīng)大于此壓力值。

在本文中，由于前川機(jī)型適用性的問題，所有計算過程均采用往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)行計算，但從能效角度出發(fā)，各型式的壓縮機(jī)等熵效率相差不大，因此本文結(jié)論可以在一定范圍內(nèi)推演至螺桿壓縮機(jī)等其它制式壓縮機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中。

以螺桿壓縮機(jī)為例，當(dāng)復(fù)疊系統(tǒng)蒸發(fā)溫度高于-35 ℃時，低溫級CO2冷凝溫度已經(jīng)超過-7 ℃，這時CO2極高的工作壓力不僅對軸承提出很高的要求，并且由于大壓差帶來的泄漏問題，壓縮機(jī)效率也相應(yīng)降低。因此，當(dāng)復(fù)疊系統(tǒng)蒸發(fā)溫度升高時，需要謹(jǐn)慎考慮CO2螺桿壓縮機(jī)的承受能力與運(yùn)行效率，選擇穩(wěn)定、承壓能力強(qiáng)、高效的壓縮機(jī)，方能保證復(fù)疊系統(tǒng)的長期運(yùn)行，體現(xiàn)節(jié)能優(yōu)勢。

3 結(jié)論

本文通過對NH3/CO2復(fù)疊系統(tǒng)、NH3壓縮CO2載冷制冷系統(tǒng)和NH3壓縮制冷系統(tǒng)的分析與計算，確定各系統(tǒng)在不同工況下的最優(yōu)中間溫度與中間壓力，進(jìn)而計算比較不同工況的系統(tǒng)性能，尤其是不同蒸發(fā)溫度情況下的系統(tǒng)COP。對于NH3/ CO2復(fù)疊制冷、雙級NH3壓縮、雙級NH3壓縮CO2載冷、單級NH3壓縮、單級NH3壓縮CO2載冷制冷這五種常用低溫制冷系統(tǒng)，綜合考慮系統(tǒng)復(fù)雜度與成本，確定了其最優(yōu)工作范圍，并得到以下結(jié)論：

1)結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，將蒸發(fā)冷凝器等換熱器換熱溫差設(shè)定為5 ℃，并經(jīng)過計算確定，在蒸發(fā)溫度低于-20 ℃的工況下，復(fù)疊系統(tǒng)COP高于單級NH3壓縮制冷系統(tǒng)、單級NH3壓縮載冷劑制冷系統(tǒng)與雙級NH3壓縮載冷劑制冷系統(tǒng)；在低于-40 ℃的工況下，復(fù)疊系統(tǒng)COP高于雙級NH3壓縮制冷系統(tǒng)。綜合考慮安全性與成本回收等因素，推薦在低于-25 ℃工況中，采用復(fù)疊系統(tǒng)作為供冷系統(tǒng)。

2)載冷劑的使用對單級/雙級NH3壓縮制冷系統(tǒng)有一定的影響，并且隨著蒸發(fā)溫度的不斷降低，采用載冷劑對COP的削減越發(fā)明顯，可達(dá)到13%～17%；另一方面，在蒸發(fā)溫度較低時，宜采用雙級壓縮代替單級壓縮，以起到提高能效的目的。

3)過熱、過冷、阻力損失等均對模擬結(jié)果有一定影響。通過靈敏性分析可以看出，其影響均在可接受范圍內(nèi)，且復(fù)疊系統(tǒng)的抗干擾性更強(qiáng)，所受到的影響更低，更適宜在工況偏移的情況下保證相對較好的系統(tǒng)性能。

4)在較高蒸發(fā)溫度的復(fù)疊系統(tǒng)中，CO2壓縮機(jī)的許用壓力與高壓力下的運(yùn)行性能至關(guān)重要。CO2壓縮機(jī)的最高允許吸氣壓力應(yīng)不小于-20 ℃對應(yīng)的飽和壓力1.97 MPa，CO2壓縮機(jī)的最高允許排氣壓力也應(yīng)大于6 ℃對應(yīng)的飽和壓力4.07 MPa。

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Study on Application Scope for CO2Cascade Refrigeration System and CO2Secondary Refrigerant System

Tian Yafen1Zhao Zhaorui1Xing Ziwen1Yang Yifan2Ma Jin3Yu Zhiqiang4

(1. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, 710049,China; 2.Chinese Association of Refrigeration，Beijing,100142, China;3. Internal Trade Engineering Design & Research Institute, Beijing, 100135, China;4. Yantai Moon Co.,Ltd., Yantai, 264002, China)

The employment of natural refrigerant have drawn widespread attention, since natural refrigerant are completely environmentally friendly and they have high potential in refrigeration application. Among them, the NH3/CO2cascade refrigeration system and NH3compression refrigeration system with CO2as secondary refrigerant have been viewed as the most promising refrigeration methods in freezer and cold storage especially. Nevertheless, there is limited agreement on the scope of application for these two types of system since no strictly related investigation has been conducted. In this paper, the refrigeration performance of the two systems above is analyzed, and conclusion is drawn on the basis of practical engineering applications. The range of application for these two types of system is marked off and explained in detail, aiming at providing reasonable suggestion for design and optimization of CO2refrigeration systems in the future. It is shown that NH3/CO2cascade refrigeration system is more competitive when the evaporating temperature is below -25 ℃, and the maximum suction pressure and the maximum discharge pressure of CO2compressor should not be lower than 1.97 MPa and 4.07 MPa respectively.

CO2cascade refrigeration system; CO2secondary refrigerant; application scope; natural refrigerant; refrigeration performance；CO2compressor

0253- 4339(2016) 02- 0022- 08

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.02.022

2015年8月5日

TB69;TB652;U295.2

A

簡介

田雅芬，女，在讀碩士研究生，西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，13488148617, E-mail：TYF2010031084@stu.xjtu.edu.cn。研究方向: 螺桿壓縮機(jī)的優(yōu)化與設(shè)計。

About the corresponding authorTian Yafen, female, master degree candidate, School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, +86 13488148617, E-mail：TYF2010031084@stu.xjtu.edu.cn. Research fields: sesign and optimization of twin screw compressor.