210970777_冷库CO2_制冷系统设计及性能测试

（1）
式中 ：yq 为压缩机流量 ；Te 为蒸发温度 ；Tc 为冷凝温度 ；
c1 为常数项回归系数 ；c2、c3 为一次项回归系数 ；c4、c5、
c6 为二次项回归系数 ；c7、c8、c9、c10 为三次项回归系数。
压缩机输出功率的热交换计算如公式（2）所示。
yP c1 c2Te c3Tc c4Te2 c5TeTc c6Tc2 c7Te3 c8TcTe2 c9TeTc2 c10Tc3
图 3 中，横坐标代表了温度的变化，从 2℃一直升高
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到 10℃ ；纵坐标代表了制冷性能参数，用 COP 表 示。从图 2 可以看出，R717/R744，即 NH3/CO2 的制 冷性能最好 ；其次是 R410A/R744，即 R410/ACO2 ； 再次是 R404A/R744，即 R404A/CO2 ；最后是 R134a/ R744，即 R134a/CO2。随着温度从 2℃增加到 10℃， R717/R744，即 NH3/CO2 的制冷性能也从 1.75 下降到 了 1.5。可见，中温情况下，温度升高对 CO2 制冷系 统也产生了一定程度的负面影响。
图 4 中，横坐标代表了温度的变化，从 -30℃ 一直升高到 -20℃；纵坐标代表了制冷性能参数，用 COP 表示。从图 2 可以看出，R717/R744，即 NH3/ CO2 的制冷性能最好；其次是 R410A/R744，即 R410/ ACO2 ；再次是 R404A/R744，即 R404A/CO2 ；最后是 R134a/R744，即 R134a/CO2。随着温度从 -30℃增加 到 -20℃，R717/R744，即 NH3/CO2 的制冷性能也从 1.5 增加到了 1.85。可见，低温情况下，温度升高对 CO2 制冷系统也产生了一定程度的正面影响。这一点 与高温和中温情况是有所区别的。
图 2 中，横坐标代表了温度的变化，从 35℃一直升高 到 45℃ ；纵坐标代表了制冷性能参数，用 COP 表示。从 图 2 可以看出，R717/R744，即 NH3/CO2 的制冷性能最好； 其次是 R410A/R744，即 R410/ACO2；再次是 R404A/R744， 即 R404A/CO2 ；最后是 R134a/R744，即 R134a/CO2。随着 温度从 35℃增加到 45℃，R717/R744，即 NH3/CO2 的制冷 性能也从 1.8 下降到了 1.5。可见，温度升高对 CO2 制冷系 统确实有一定程度的负面影响。
认为其流动方向都是和管道方向一致的。第四，热交换过
程中，认为空气流动的方向与片状结构的延展方向一致。
第五，热交换过程中，认为环境中的风量保持稳定并且均
匀分布。
由此得到蒸发器热交换过程中制冷剂的动量守恒方
程，如公式（4）所示。
'pr
Gr2
ª «vro



fr
¬
vro vri 4di
Lº » ¼
不同工作条件下物种制冷剂制冷性能的变化。
3.2 高温环境对 CO2制冷系统性能的影响
因为制冷系统的设计同时使用了高温回路和低温回 路，这两种回路下又采用不同的制冷剂。因此，在高温环 境下对制冷系统性能进行考察，将五种制冷剂分成四组进 行配置，分别是 ：R717/R744，即 NH3/CO2 ；R404A/R744， 即 R404A/CO2；R410A/R744，即 R410/ACO2；R134a/R744， 即 R134a/CO2。四组配置下随着温度的变化，制冷系统制 冷性能的变化如图 2 所示。
1。
表 1 五种制冷剂的参数对比
分子量/（kg/mol） 临界温度/℃ 临界压力/MPa 沸点温度/℃ 臭氧破坏指数 全球变暖指数
R717 17 133 11.4
-33.3 0 0
R744 44 31 7.4
-78.2 0 1
R404A 98 72 3.7
-46.4 0
38.5
R410A 73 713 4.5
（3）
式中 ：hs 为压缩机制冷过程的吸气总量 ；hd 为压缩机制冷
过程的排气总量 ；W 为压缩机制冷过程中的功率消耗 ；f
为压缩机制冷过程的热损耗系数 ；V 为压缩机制冷过程中
的吸气比容 ；η 为压缩机制冷过程中的等熵效率 ；m 为压
缩机制冷过程中的质量流量。
2.2 蒸发器的热交换计算
在 CO2 制冷系统的制冷过程中，蒸发器发挥了重要的 作用。在蒸发器的热交换过程中，制冷剂一开始以液态形
3 冷库 CO2制冷系统性能测试试验
对压缩机的热交换计算涉及压缩机的流量、压缩机的
输出功率、压缩机的排气温度等关键指标。虽然这些指标
不同，但是可以采用统一的多回归系数计算法。其中，压
缩机流量的热交换计算如公式（1）所示。 yq c1 c2Te c3Tc c4Te2 c5TeTc c6Tc2 c7Te3 c8TcTe2 c9TeTc2 c10Tc3
制冷过程中，压缩机会产生大量的高温气体，这就需要用 冷凝器进行散热处理。以水冷板式冷凝器为例，当水泵提供动力 后，用于冷却的液态水就可以和高温的 NH3 进行热量交换。当 然，冷凝器也有采用风冷结构的。但相对而言水冷式的冷凝器 不仅工作原理简单，散热效果更好，也不需要占用太多的空间。
在压缩机、蒸发器、冷凝器等关键组件的支撑下，该文 设计的冷库 CO2 制冷系统结构如图 1 所示。
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2 冷库 CO2制冷系统热交换计算
为了确保 CO2 制冷系统的制冷量和制冷效果能够满足 冷库的使用需求，需要对制冷系统中的关键组件进行热交 换计算。这里，主要针对压缩机和蒸发器的热交换进行计 算。
2.1 压缩机的热交换计算
式中 ：∆pr 为蒸发器热交换过程中的压降 ；Gr 为蒸发器换 热管界面上的各种状态的制冷剂的流量 ；vro 为蒸发器流出 制冷剂的体积 ；vri 为蒸发器流入制冷剂的体积 ；fr 为热交 换过程中的摩擦系数 ；L 为参与热交换计算的微元长度 ； di 为第 i 个换热管的直径大小。
蒸发器是制冷效果实现的关键组件。当气态 CO2 节流以 后变为液态，这时的 CO2 流过蒸发器，形成真正意义上的制 冷剂。随着 CO2 由液态变成气态蒸发，吸取了大量的热能， 然后通过蒸发器形成对外部环境空间的制冷。从结构形式上 看，蒸发器一般采用多片管状的设计，这种设计可以增大 CO2 的交换面积，进而得到更好的制冷效果。
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冷库CO2制冷系统设计及性能测试
李爽
（大连冰山集团工程有限公司，辽宁 大连 116630）
摘 要 ：该文以 CO2为主要制冷剂，对冷库进行了制冷系统设计。CO2作为主要制冷剂取代氟利昂，有利于大气 臭氧层的保护。对压缩机、蒸发器、冷凝器等关键部件进行了分析，并由此进行了 CO2制冷系统的结构设计。以 回归系数法对压缩机和蒸发器进行了热交换计算。以五种制冷剂、四组制冷剂配置分别在高温、中温、低温环境
式存在，逐步进入液态、气态共存的状态，最后到具有较
高温度的气体状态。
为了使蒸发器热交换计算趋于合理，在计算过程中要
遵循这样几个假设条件 ：第一，制冷系统的蒸发器传热过
程自始至终保持一种稳定的状态。第二，热交换过程中，
忽略蒸发器一些局部微小单元的换热，如弯管微元处的换
热。第三，热交换过程中，无论是气态还是液态的制冷剂，
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注：1-高温回路的压缩机；2-冷凝器；3-冷凝水箱；4-冷凝器水泵；5-泄压装置；6-液体储存器；7-过滤器； 8-观察器；9-电磁阀；10-膨胀阀；11-冷凝器；12-蒸发器；13-低温回路的压缩机。
图 1 该文设计的冷库 CO2 制冷系统结构
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3.3 中温环境对 CO2制冷系统性能的影响
在中温环境下对制冷系统性能进行考察，仍将五种 制冷剂分成四组进行配置，分别是 ：R717/R744，即 NH3/ CO2；R404A/R744，即 R404A/CO2；R410A/R744，即 R410/ ACO2；R134a/R744，即 R134a/CO2。四组配置下随着温度 的变化，制冷系统制冷性能的变化如图 3 所示。
（2）
式中 ：yp 为压缩机输出功率 ；Te 为蒸发温度 ；Tc 为冷凝温 度 ；c1 为常数项回归系数 ；c2、c3 为一次项回归系数 ；c4、 c5、c6 为二次项回归系数 ；c7、c8、c9、c10 为三次项回归系 数。
压缩机制冷过程中的吸气总量，按照公式（3）计算。
hs
=
hd
− WfVη m
下对 CO2制冷系统进行了制冷性能的测试试验，试验结果表明 ：NH3/CO2组合制冷剂的制冷性能最好。
关键词 ：冷库 ；CO2 ；制冷系统 ；性能测试
中图分类号 ：TB 66
文献标志码 ：A
随着全球人口持续增加和物质生活水平的提高，世界范 围内的食物需求量不断增加，这也使食品供应行业获得了持 续快速的增长。在各类食品工业中，冷链食物供应占有十分 重要的地位，猪牛羊、海鲜等肉类的远距离运输都涉及冷链 存储问题 [1]。冷库对冷链食品供应起到了非常重要的作用。 为了维持冷库的正常工作，制冷系统的设计十分关键。长期 以来，冷库制冷系统以氟利昂为主要制冷剂 [2]。但目前氟利 昂对臭氧层的破坏作用已经得到充分证实，其已经无法作为 主要制冷剂继续使用。在这种情况下，CO2 作为一种替代品 成为制冷剂的首选 [3]。一方面，CO2 的制备相对比较容易。 另一方面，CO2 对臭氧层没有破坏作用，是相对安全和环保 的制冷材料。所以，以 CO2 为制冷剂的制冷系统设计就成为 冷库建造的未来发展趋势。该文以此为研究内容，进行冷库 的 CO2 制冷系统设计并通过试验进行性能测试。
3.4 低温环境对 CO2制冷系统性能的影响
在低温环境下对制冷系统性能的考察，仍将五 种制冷剂分成四组进行配置，分别是 ：R717/R744， 即 NH3/CO2 ；R404A/R744， 即 R404A/CO2 ；R410A/ R744，即 R410/ACO2 ；R134a/R744，即 R134a/CO2。 四组配置下随着温度的变化，制冷系统制冷性能的 变化如图 4 所示。
1 冷库 CO2制冷系统设计
为了实现冷库系统的制冷功能，CO2 制冷系统一般要用 到刀压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀、辅助设备等。通过 这些关键组件的合理配置，形成循环复用的制冷回路，进而 形成稳定可靠的制冷系统。
在冷库 CO2 制冷系统各构成组件中，压缩机是最重要的 部分之一。压缩机位是为整个制冷过程提供动力的装置，同
时压缩机也决定了 CO2 制冷系统的工作性能优劣。压缩机制 冷的工作状态可以根据温度的不同分为两大类，一类是中低 温情况下的压缩制冷，一类是高温情况下的压缩制冷。在中 低温情况下的压缩制冷主要以 CO2 气体为工作介质 ；在高温 情况下的压缩制冷，主要以 NH3 气体为工作介质。对冷库这 种制冷范围比较大的工作场景，压缩机的结构形式可以采用 半封闭的结构，这种结构制冷体积更大，热效率也可以达到 较高的水平。需要注意的是，在压缩机工作过程中，制冷介 质不能和电动机放置在一起，以免引起工作故障。
（4）
3.1 五种制冷剂的选择
为了验证该文构建的冷库 CO2 制冷系统的设计效果， 进一步进行性能测试试验。这里选择了五种制冷剂：第一
种制冷剂是 NH3，也称 R717；第二种制冷剂是 CO2，也称 R744；第三种制冷剂是 R404A，第四种制冷剂是 R410A，
第五种制冷剂是 R134a。上述制冷剂的性能参数对比见表
-51.6 0
19.7
R134a 102 101 4.1 -26.2 0 13.1
从表 1 的主要参数看，五种制冷剂对臭氧层的破坏程
度均为 0，要明显强于氟利昂型制冷剂。从全球变暖指数
看，R717 即 NH3 的影响为 0；R744 即 CO2 的影响为 1；其 余三种制冷剂的影响则较大。
接下来分别选择高温环境、中温环境、低温环境三种