R717-R744复叠式制冷系统的热力学分析

R744-R717复叠式制冷系统的热力学分析摘要：本文对R744-R717复叠式制冷系统的热力学特性进行了分析，目的是优化该系统的设计和工艺参数。

本文中考虑的设计和工艺参数包括（1）高温氨循环中的冷凝温度、过冷度、蒸发温度和过热度；（2）复叠式换热器中的换热温差；（3）低温二氧化碳循环中的蒸发温度、过热度、冷凝温度和过冷度。

基于过冷度、过热度、蒸发温度、冷凝温度和复叠式换热器中的温差建立了多线性的数学表达式，旨在得到最大的COP值，同时，得到了最优化的高温循环蒸发温度和R717与R744的质量流量的比率。

关键词：制冷系统；压缩系统；复叠式系统；氨；二氧化碳；R744；计算；性能；优化1.引言两级式复叠式制冷系统（见图1）适合于工业应用，尤其适合于食物冷冻间蒸发温度在-30℃—-50℃的超市制冷工业。

在此系统中，两个单独的制冷系统由复叠式冷凝器连接在一起。

复叠式制冷系统的高温级制冷剂可以由氨（R717）、丙烷（R290）、丙烯（R1270）、乙醇或者R404A来充当。

相反，二氧化碳被用于低温级循环。

氨是一种易得的自然工质，但是由于其可燃性和毒性，限制了它的应用。

丙烷、丙烯和乙醇的缺点是他们具有高度的可燃性。

乙醇的蒸发和冷凝压力均低于环境压力，这会导致气体泄露进系统内部。

然而，毒性和可燃性所带来的风险可以通过选取合适的用于超市和厂区的高温循环温度将这些风险降到最低。

二氧化碳的缺点是当临界温度在31℃时，它的压力就高达7.4MPa，这为管道的设计带来了难度。

因此，将二氧化碳用于低温级循环是经济可行的。

传统的直接膨胀低温制冷系统在冷凝器和蒸发器之间存在大的压差，这直接导致压缩机的压缩效率和容积效率的下降。

另外，全球变暖所带来的一系列问题促使超市所有者必须采取环保的，能提供更低温度的制冷系统。

因此，自然工质在超市制冷工业中的应用引起了大家的注意，尤其是以二氧化碳为低温级循环制冷剂的复叠式制冷系统最为被大家看好。

例如，新西兰的奥克兰市将二氧化碳-丙烯复叠式制冷系统用于低温储存食品，虽然复叠式式制冷系统的最初安装费用要比传统R404A的单循环制冷系统高10%，但是这与复叠式系统运行中所带来的经济效益和环境效益相比是微不足道的。

很重要的一点是，复叠式制冷系统能够大幅度的降低高温循环段的压缩机排气温度，因而可以增加热效率。

同时，如果换热器的尺寸设计合理的话，还可以降低，高温循环段的蒸发和冷凝温度。

目前已经制造出了不同形式的复叠式换热器，有板式的，筛板式的，管壳式的，广泛用于低温和高温循环段。

一些学者已经对两级复叠式制冷系统的热力学性质进行了研究，Lee等人分析认为二氧化碳-氨复叠式制冷系统的最佳热力学点是由低温级二氧化碳的冷凝温度来决定的。

Bhattacharyya等人的研究认为低温级二氧化碳的最佳蒸发温度是有该级的热供应量所决定的。

Bansal和Jain分别以R717，R290、R1270和R404A为高温循环工质，二氧化碳为低温循环工质的情况下研究指出了最佳的二氧化碳冷凝温度。

但是，目前的研究旨在于对二氧化碳-氨复叠式制冷系统的热力学性质进行分析，以获得最佳的氨冷凝温度和制冷剂的流量比率，从而得到最大的COP值。

本文采用新的多线性回归分析法，总结出了最大COP值关于高温循环的最佳蒸发温度以及冷凝温度、最佳流量比率、过冷度、过热度、低温级蒸发和冷凝温度、复叠式换热温差的数学表达式。

2.复叠式系统的热力学分析两级复叠式制冷系统进行热力学分析建立在下面的几点假设之上：⑴高低温循环的绝热压缩等熵效率均为0.7.⑵忽略系统管网中的压力损失和热损失。

⑶膨胀阀中进行的是等焓过程。

⑷忽略流动功和势能。

本文使用软件包查询和计算制冷剂的热物理性能，该软件包就是所谓的工程方程求解（EES），其中有内置许多制冷剂的属性功能。

在EES软件中，第一个参数的所有内置热物理属性函数是该物质的名称。

这种说法是一个字符串，它可以提供一个字符串常量（例如R1$ R2$）或一个字符串变量。

许多的热力学函数可以替代套参数。

例如，蒸汽的焓函数可以作为温度和压力的函数而被访问。

一般情况下，任何有效的参数集可以提供热力学功能。

如果焓熵值已知的，但温度或压力是未知的，温度或压力的功能可以被用来计算其各自的值。

对于所有的制冷剂以焓和分别为200KJ/kg和1KJ/kg.k作为参考，。

其原理图和状态点如图1所示。

（此处省略公式及其简单描述）。

计算所用的氨—二氧化碳复叠式制冷系统的热力学点和物质的热力学属性，例如温度、压力、比焓和熵见表1所示。

其中R1﹩和R2﹩分别表示已二氧化碳为工质的低温循环和以氨为工质的高温循环。

表1中的计算方程式具有计算高低温复叠式循环的一般特性。

牵扯到的状态点的值均认为是饱和状态下所对应的值。

图2和图3的T-S图和P-h图表示了整个循环所对应的饱和点，过热度，过冷度。

在一定的操作条件下，基于以上的计算流程，最佳的低温循环蒸发温度，最佳的流量比率以及整个循环的最大COP值是整个复叠式制冷系统过冷度、过热度、蒸发温度、冷凝温度和复叠式换热温差的函数。

3.高温循环部分通过比较两级复叠式制冷系统的高温循环段使用不同制冷剂对系统性能和流量比率的影响可以确定最佳的制冷剂种类。

图4和图5显示了分别以乙醇、R717、R290、R1270和R404A 为高温循环的制冷剂，二氧化碳为低温循环制冷的条件下，不同制冷剂对系统COP值的影响。

两者唯一不同的地方时过冷度和过热度。

在冷凝温度、低温级蒸发温度、复叠温差过热度和过冷度一定的情况下，采用不同的高温级蒸发温度，在图6中可以看出，在过热度和过冷度均为0K时，乙醇的COP最大，R404A的最小。

但高温级蒸发温度对R1270和R290的COP值变化的影响不大。

但是，0K的过冷度对整个高温循环的参数变化影响较大。

一般来说，过热度会降低整个系统的性能。

但是，上述制冷剂在高的过热度和过热度情况下（见图7），乙醇的COP值依然最大，R1270和R290次之，整个氨循环的整体性能高于R404A，但是低于其他制冷剂的。

高低温级制冷剂的流量比率随高温级蒸发温度的变化见图8，使用乙醇作为制冷剂需要很高的流量比率，从2.7,到3.1，氨因为具有高的蒸发潜热，因此作为制冷剂需要较低的流量比率（从0.33到0.34），R1270和R290无论在系统的最大COP值和流量比率方面差异都很小。

乙醇的质量流率高于氨的，但是其COP值也高于氨的。

氨在高的过冷度和过热度的条件下的性能表现要仅次于乙醇，同时，R1270和R290的表现要好于氨，这仅仅是因为在高的过冷度和过热度的条件下，R1270和R290压缩机前蒸汽压力较低所致。

4.结果与讨论4.1 过热度和过冷度的影响对不同过冷度和过热度对二氧化碳—氨复叠式制冷系统的两个循环的影响研究，是在保持其他的操作条件不变的条件下进行的。

这些操作条件包括：氨的蒸发温度，二氧化碳的蒸发温度，复叠式换热温差，氨的冷凝温度以及压缩机的等熵压缩效率。

4.1.1 过冷度的影响1.低温循环段的过冷度：保持高温循环的过热度和过冷度在0K的时候，低温循环的过冷度从0K变化到10K（见图9），从图中可以看出高的过冷度能够得到较高的COP。

2.高温循环段的过冷度：保持低温循环的过热度和过冷度在0K的时候，高温循环的过冷度从0K变化到10K（见图9），从图中可以看出虽然随着过冷度的增大，COP增大，但增大的幅度小于低温段和整个系统的。

3.高低温循环段相同过冷度的影响：在保持两个循环段过热度在0K不变的情况下，过冷度从0K变化到10K（见图9），这直接导致高温循环段的COP的增加，在特定的操作条件下，比参考的COP值（1.28）高了9%。

因此，该复叠式制冷系统的最大COP值随着二氧化碳的蒸发温度和整个系统过冷度的变化情况如图10所示。

大致的趋势是最大COP随着过冷度的增加而增加，比如，同时，该复叠式制冷系统的制冷剂流量比率也随着二氧化碳蒸发温度的降低而减小（见图11）。

但是，过冷度的增加将导致流量比率的上升。

4.1.2 过热度的影响1.低温循环段过热度：保持高温循环过热度和过冷度均为0K不变，低温循环的过热度从0K变化到20K（见图9）。

这导致COP的降低的程度大于整个系统的过热度的降低值。

2.高温循环段的过热度：保持高温循环过热度和过冷度均为0K不变，低温循环的过热度从0K变化到20K（见图9）。

他虽然可以增加系统的COP值，但这与低温系统增加的COP 值相比可以忽略。

3. 高低温循环段相同过热度的影响：保持高温循环过热度和过冷度均为0K不变，低温循环的过热度从0K变化到20K（见图9）。

过热度对整个系统COP值的影响要大于单个循环的过热度对系统COP值的影响，比如它能使参考COP值降低4.7%。

另一方面，图12显示了复叠冷凝温度在-25℃—0℃变化的时候，系统不同的过热度对最大COP的影响。

系统过热度和过冷度对系统的COP提高起相反作用。

比如，COP的变化与过热度的变化趋势相反。

过冷度从10K变化到20K，COP最大值从0K时的1.34分别下降了2.6%和4.9%。

然而，过热度对流量比率的影响和过冷度对其的影响差不多（见图13）。

流量比率随着过冷度的升高而增加。

一般地，在特定的操作条件下和等熵压缩效率一定的条件下，在图9中所示，系统的最大COP值被限制与一个狭小的区域内，在区域内，存在一个最大值和最小值。

因此，在两个循环中相同的过热和过冷度讲给出系统的平均的COP值。

4.2冷凝温度，蒸发温度，复叠温差的影响。

图14显示了COP值随着低温循环冷凝温度、蒸发温度、高温循环冷凝温度以及复叠换热温差的变化。

高温循环冷凝温度从20℃变化到50℃，同时其他温度，如低温循环蒸发温度、复叠换热温差、过冷度和过热度保持不变。

低温循环蒸发温度从-25℃变化到-55℃，同时保持高温循环冷凝温度，换热温差、过热度和过冷度不变。

接着，换热温差从0℃变化到10℃，同时保持高温循环冷凝温度，低温循环蒸发温度、过热度和过冷度不变。

最后，高温循环蒸发温度从-25℃变化到0℃，同时保持高温循环冷凝温度、换热温差、低温循环蒸发温度、过热度和过冷度不变。

正如所期望的，随着冷凝温度和换热温差的上升，COP下降。

但是，蒸发温度的上升将引起系统性能的大幅度提高。

与此同时，高温循环冷凝温度的曲线显示，存在一个使得COP取最大值的温度值。

上述分析数据还可以应用到分析制冷剂的质量流量比率上（见图15）。

流量比率随着领凝温度的上升而升高。

然而，它随着低温循环的蒸发温度、冷凝温度、换热温差的升高而降低。

这里值得注意的是，换热温差并不是在在所有条件下都能使流量比率下降，这还取决于系统其他的操作条件。

4.3 等熵压缩效率的影响研究高低温循环等熵效率的变化，需要保持复叠式制冷系统的其他操作条件不变（见图16.17）。