渔船用双级循环与复叠式制冷系统对比分析

刘 寒，谢 晶，王金锋

(上海海洋大学食品学院，上海冷链装备性能与节能评价专业技术服务平台，食品科学与工程国家级实验教学示范中心，上海 201306)

在远洋渔船作业中，一些特殊渔获物常需要在-65 ℃～-30 ℃低温下冻结保存[1]，如金枪鱼为-50 ℃冷藏、-55 ℃冻结[2]，南极磷虾为-35 ℃冷藏、-40 ℃冻结[3]。中国渔船对于该低温区间的制取，常采用两种制冷系统：单机双级压缩制冷系统和复叠式制冷系统[4-6]。近年来，国内外学者对这两种系统做了大量的理论分析及试验研究。周丹等[7]通过对R404A双级压缩系统和R404A/CO2复叠式系统进行热力学计算分析得出，在-55 ℃～-20 ℃蒸发温度下，前者的制冷系数与热力完善度随蒸发温度的变化更加明显；刘圣春等[8]通过对两种系统对比研究得出，在-30 ℃以下低温的制取中，复叠式系统制冷系数更大；郭耀君等[9]分析得出，当蒸发温度为-65 ℃、冷凝温度为40 ℃时，复叠式系统运行费用更低。中间温度的变化对复叠式与双级压缩系统高低压质量流量比、压缩机排气温度、制冷系数等性能参数都有很大影响[10-12]。

本研究对船用R404A双级压缩与R404A/R23复叠式制冷系统进行仿真模拟与试验验证，对比分析系统蒸发温度和中间温度对双级循环与复叠式循环高压(温)端压缩比、高低压(温)端制冷剂流量、制冷系数及热力完善度等性能参数的影响。

1 试验方法与模型建立

1.1 试验装置与方法

1.1.1 单机双级压缩系统

图1为R404A单机双级压缩系统原理图，主要由一台型号为S6G-25.2Y的Bitzer半封闭往复式双级压缩机、卧式壳管冷凝器、中间冷却器、蒸发器、回热器、节流阀以及阀板等组成，循环采用单一制冷剂R404A。该系统采用一次节流中间不完全冷却的循环方式。

1.1.2 复叠式制冷系统

图2为R404A/R23复叠式制冷系统原理图，主要由两台型号为4FES-3(Y)的Bitzer半封闭往复式压缩机作机组高低温端压缩机，以及卧式壳管冷凝器、蒸发器、蒸发冷凝器、回热器、节流阀以及阀板等组成。高温端采用制冷剂R404A，低温端采用制冷剂R23，高低温端通过蒸发冷凝器连接。

图1 R404A单机双级循环系统原理图

图2 R404A/R23复叠式制冷系统原理图

1.1.3 试验方法

渔船用超低温[13]冷库由R404A双级压缩制冷系统与R404A/R23复叠式制冷系统组成，运行时可自由切换。库内安装有4个1.5 kW模拟热负荷的电加热，可进行0～100%无级调节。库内随机分布50个WZP-205SPT100热电偶，并通过温度、压力传感器分别在机组压缩机、蒸发器、冷凝器等部件进出口处布置了14个温度测点、8个压力测点，另外，通过在低温端布置1个流量计监测制冷剂流量，在机组布置4个电力测量计测量机组实时运行电流。采用PLC编程控制，将监测到的冷库运行参数通过OPC协议传输至LabView软件编写的采集程序中，从而实现对R404A单机双级压缩与R404A/R23复叠式系统数据的监测与采集。

该试验采用控制单一变量法，复叠式系统试验方法：①打开冷却水总阀，开启系统，设定电动冷却水阀开启度，保持冷凝温度为tk；②待冷库温度稳定在t0时，记录机组数据；③开启电加热并调节其功率，待冷库温度稳定在t1时，记录机组数据；④重复步骤③，进行多次试验。双级压缩系统采用同样的试验方法。

1.2 理论分析

利用公式方程求解器(EES)内置制冷剂物性函数对循环过程中制冷工质物性参数的变化进行计算，并利用质量守恒及能量守恒对循环进行分析计算。主要参数计算公式见表1，图3a、3b分别为R404A单机双级压缩制冷循环与R404A/R23复叠式制冷循环lgp-h图。

计算工况设定：冷凝温度tk为40 ℃，蒸发温度t0分别为-65 ℃、-60 ℃、-55 ℃，系统制冷量为4.5 kW，回热器传热温差为5 ℃(其中，双级压缩系统吸气过热度为20 ℃，复叠式系统低温吸气过热度为20 ℃，高温吸气过热度为15 ℃，蒸发冷凝器温差为5 ℃，中间温度tm=t3-2.5[14],t3表示图2中蒸发冷凝器出口点3的温度)。

表1 双级循环与复叠式系统主要参数计算公式

注：h为焓值，kJ/kg；下标表示系统循环各状态点；Q0为制冷量，kW；ηed、ηeg分别为低、高压(温)端压缩机效率，本研究取ηed=ηeg=0.7[15]；εk、εk，分别为相同工况下双级系统与复叠式系统逆卡诺循环性能系数

注：PK、Pm、P0分别为两制循环冷凝压力、中间压力和蒸发压力

1.3 系统数学模型

1.3.1 模型假设

为方便对两种制冷系统进行理论分析，进行以下模型假设：管道内制冷剂因流动或振动产生的能量及压力损失忽略不计；因蒸发器，冷凝器及管道连接处产生的压降、热量损失忽略不计；高低压级压缩过程都为等熵绝热过程，节流过程都为等焓过程。

1.3.2 模型建立

利用EES软件分别对R404A单机双级压缩系统和R404A/R23复叠式系统建立数学模型，图4为系统仿真模拟流程图。最佳中间温度应按照系统性能系数最大原则确定，本次研究利用比例中项法进行理论中间压力的确定[16-17]，并以此确定中间温度：

(5)

式中：Pm、P0、Pk分别为系统中间压力、蒸发压力、冷凝压力，MPa。

以R404A双级压缩为例，设定运行工况为：t0=-55 ℃，tk=40 ℃，Q0=4.5 kW，此时可得结果：

Pm=341.3 kPa,tm=-16.79 ℃。因此，选取中间温度测试区间为-7 ℃～-22 ℃[18]，且从-22 ℃以0.01 ℃依次迭代升温至-7 ℃，依照系统模拟流程图运算得出最佳中间温度。

注：t0为蒸发温度,K；tk为冷凝温度，K

2 结果与分析

2.1 系统热力性能分析与对比

由图5可知，相同中间温度下，相比双级循环，复叠式循环压缩比更高，主要是因为双级压缩高压压缩机吸气压力等于中间压力，而复叠式系统由于蒸发冷凝器存在传热温差，其高温压缩机吸气压力低于中间压力。当中间温度从-22 ℃升高至-7 ℃时，复叠式循环与双级循环高压级压缩比都随之降低；当蒸发温度为-65 ℃时，前者的高压压缩比从7.7下降至3.7，降低51.9%，后者的高压压缩比从6.7降至3.7，降低44.8%。相同运行工况下，随着中间温度的下降，复叠式循环高压压缩比下降更明显，压缩比的降低，既能提高压缩机容积效率，又能增加系统运行的安全性与可靠性。

由图6可知，相同中间温度下，双级循环与复叠式循环高低压质量流量都随蒸发温度的升高而升高，但双级压缩升高幅度更大。当蒸发温度不变时，随着中间温度从-22 ℃上升至-7 ℃，两种循环的高低压级制冷剂流量都呈现升高趋势[19]，中间温度的升高使高压级压缩机吸气温度升高，压缩机进口处制冷剂比容减小，制冷剂密度变大，高压级制冷剂质量流量增加。随着中间温度升高，两循环的低压级压缩比都升高，低压级制冷剂流量也随之升高。当蒸发温度为-55 ℃时，两种循环高低温端制冷剂流量上升最快，复叠式循环高、低温端增幅分别达5.08%、11.54%，双级循环高、低压端增幅分别达18.02%、20.11%。这表明当系统中间温度发生变化时，复叠式系统比双级系统的流量变化更加稳定。

2.2 系统性能系数与热力完善度的分析与对比

由图7可知，双级循环与复叠式循环在不同蒸发温度下都分别对应一个使系统制冷系数最大的中间温度，这个中间温度也叫系统最佳中间温度[20]。当蒸发温度分别为-65 ℃、-60 ℃、-55 ℃时，复叠式循环最佳中间温度分别为-16.12 ℃、-12.87 ℃、-10.11 ℃，双级压缩循环最佳中间温度分别为-18.31 ℃、-15.43 ℃、-12.62 ℃，且相同工况下，复叠式循环制冷系数高于双级压缩循环。

如图8所示，双级循环与复叠式循环热力完善度与系统制冷系数随中间温度变化的趋势相同，且分别在最佳中间温度下达到最大值。两种循环的热力完善度都随蒸发温度的升高而升高，当蒸发温度从-65 ℃升高至-55 ℃时，最佳中间温度下，复叠式系统热力完善度增加6.1%，双级压缩系统增加9.3%，说明前者受蒸发温度的影响小于后者，即当系统运行工况发生变化时，复叠式系统表现得更加稳定。

2.3 试验验证

为了验证蒸发温度及中间温度对系统性能的影响，依托船用R404A单机双级与R404A/R23复叠式制冷试验台，分别在冷凝温度为40 ℃、蒸发温度为-65 ℃、-60 ℃和-55 ℃ 3种工况下进行试验。由图9可知，复叠式循环制冷系数分别高于双级循环21.33%、22.25%、22.18%，这说明系统运行工况相同时，复叠式系统性能明显优于双级系统。

利用由R404A双级压缩制冷系统与R404A/R23复叠式制冷系统组成的超低温试验台在3种工况下进行试验，并以蒸发温度和中间温度实测值为准，得出其实际工况下的制冷系数，然后在此工况下仿真计算得到其仿真制冷系数。3种工况下两系统仿真计算结果与试验结果的对比见表2，结果表明，相同运行工况下，复叠式系统仿真与试验制冷系数偏差保持在8.45%～9.39%，双级系统偏差保持在9.95%～10.74%，试验与仿真计算结果吻合度较高[21]。所以，本模型仿真出的最佳中间温度具有一定的实际工程参考意义。

图5 复叠式和双级循环高压(温)压缩比随中间温度的变化

图6 复叠式和双级循环制冷剂流量随中间温度的变化

图7 复叠式和双级循环制冷系数随中间温度的变化

图8 复叠式和双级循环热力完善度随中间温度的变化

图9 复叠/双级系统中间温度与制冷系数随蒸发温度的变化

表2 复叠式系统、双级循环系统仿真与试验性能对比

3 结论

采用控制变量的方法，在保持冷凝温度为40 ℃，蒸发温度分别设定为-65 ℃、-60 ℃、-55 ℃的运行工况下，分别对R404A单机双级循环与R404A/R23复叠式循环进行仿真模拟与试验验证，分析对比中间温度与蒸发温度对系统性能的影响。在设定的3种工况下，复叠式循环制冷系数分别高于双级循环21.33%、22.25%、22.18%，这说明系统运行工况相同时，复叠式系统性能明显优于双级系统。在-65 ℃、-60 ℃、-55 ℃的低温工况下，经仿真模拟与试验验证，复叠式循环在中间温度分别为-16.12 ℃、-12.87 ℃、-10.11 ℃时制冷系数最大，双级压缩循环在中间温度分别为-18.31 ℃、-15.43 ℃、-12.62 ℃时制冷系数最大。利用变频压缩机合理控制双级压缩系统与复叠式系统的中间温度，对于提升系统性能及降低能耗具有重要意义。

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