CO₂/低GWP工质复叠制冷循环的性能解析

任志峰 邵长胜

摘 要：为了能将临近城区和居民区的R22 或 NH3 冷库系统取代，站在热力学角度分析 GWP 工质的复叠制冷循环的性能，探查到该系统存有最优中间冷凝温度，对应最大系统是COP。在最优工况下对比了差异化高温级工质的CO2/低GWP系统，统计发现高温级R152a 的系统COP抵达峰值;R32系统的单位容积制冷量最大，有益于减少系统造价。站在优化系统性能的视角，建议用 CO2/R152a系统将R22或CO2/NH3系统取代;以减少早期成本为目的时，推荐选用CO2 /R32系统。

关键词：复叠制冷;高温级低GWP工质;低温级CO2;性能分析

引言

氨制冷是我国制冷库项目建设中的常见形式，但其发生事故的概率较高，增加了人们主观上的顾虑。结合现有规范要求，设计低温级CO2复叠取代氨冷库与冷链车间具有很大必要性。CO2是常见的环保工质之一，具有十分广泛的应用空间，当下CO2冷循环及热泵系统均是CO2成熟技术。基于CO2低温循环构建的复叠制冷系统广泛被用于在超市制冷与冷库制冷领域中。而在高温级循环内，可以尝试利用低 GWP 的制冷剂代替R22，这是建设CO2复叠制冷系统的重要基础。本文主要站在热力学视角，分析对比高、低温级分别是低GWP工质、CO2的复叠制冷循环情况，希望能对相关项目实施提供可靠依据。

1、选择工质对

本课题研究中共计选择了10个工质对，多数制冷剂的GWP低于150，R22、R134a在工程建设领域中有较广泛应用。对于R32，其GWP是675，因为其比热较偏大，故而经常和其他工质混合成为非共沸工质。R22、R134a的GWP值偏低，当下其应用情况也得到社会的关注。故而时常会把以上3种工质和他类低GWP工质作对比分析。[1]

2、建设复叠系统及模型

CO2/R290 復叠制冷循环系统是选用工质是CO2的低、高温级制冷循环，其中高温级制冷剂为是图1内列出的工质。利用冷凝蒸发器连接以上两个循环，维持冷冻空间的低温状态。

本文将CO2/NH3为例进行分析，图1、2分别是复叠系统T-s、p-h图。图内1-2-3-4-1实线部分是CO2低温级循环，状态1代表的是过热CO2，被压缩后转变成过热态2，而后朝向高温级释放热量，冷凝到过冷液态3，经降压工序处理后呈气液两相态4，随后冷冻空间的热量被蒸发、吸收后转变成状态1，此时低温级循环过程便结束。5-6-7-8-5虚线代表的是NH3高温级循环，过热 NH3对应的是状态5，高温级压缩机能将其压缩成过热态6，流进冷凝器后朝向周边环境散热，冷凝到过冷态7，随后降压至气液两相态8，经蒸发、吸收工序后成维状态5，高温级循环至此终止。[2]设定的标准工况：CO2 蒸发、中间冷凝、中间蒸发温度分别是-40℃、-12℃、-15℃，蒸发器换热温差是3℃，高低温级的过热及过冷度都是5℃。

3、统计与分析结果

3.1中间冷凝温度对CO2 /NH3系统性能的影响

伴随中间冷凝温度上升过程，系统COP值呈先增后减的趋势，在TMC = -10℃周边达到最大。这主要是由于伴随中间冷凝温升过程，低温级COP逐步下降，但高温级COP改变趋势和其相反，系统存有最优中间冷凝温度TMC，opt。

3.2中间冷凝温度对系统热力学完善程度的影响

标准工况下标准工况下 COPCarnot是定值时，与COP值之间呈正比关系。[3]

综合分析，现复叠系统存有和最大系统COP相对应的最优中间冷凝温度，其被认定成最优工况，为了能在标准工况下对比不同高温级工质的CO2复叠系统的效能，均以最优工况为基础展开分析。

经比较后发现，伴随蒸发温升过程，不同复叠系统对应的最优中间冷凝温度都呈现出增大趋势，最优温度最高、最低分别是R1234yf、R152a，和不同工质相对应的最优冷凝温度的有一定差异。伴随最优中间冷凝温度上升，和其相对应的CO2低温级的冷凝压力、压缩 比与排气温度均有增加的趋势。

对比分析最优工况下差异化工质对的最大系统COP，发现COP值大小和蒸发器温度升降过程表现出正相关性，不同介质的COP值大小存在着一定差异。当蒸发器温度-40℃时，各类工质对应的COP最大，高温级R152a系统的性能最优良，-40℃工况下COP值是1.27，其次是R161与NH3;COP最低是R32，对应值1.20，和R152a系统相比较减小了4.7%左右。分析以上现象的成因，主要是由于R32临界温度偏低，而临界压力相对较高。

对比不同工质的高压级排气温度情况。即便是蒸发温度改变时，R1234yf、R1234ze的排气温度也不会出现显著改变，在这样的工况下，过热度（T6 - TC）都在5℃以下，在T-s图上上以上这两种工质的饱和气线的斜率均陡峭，这是压缩机排气过热度偏低，排气温度下降的主要原因。NH3、R32等工质的排气温度显著提升，且伴随蒸发升温过程而逐渐下降。当排气温度过高时，润滑油的黏度会降低，润滑效果下降，影响压缩机自身的性能。

伴随蒸发温度的改变，不同高温级工质形成单位质量制冷量并没有出现显著改变。和其他工质相比较，NH3单位质量制冷量相对较高，主要是因其有较多的潜热。

相比之下，R32 的单位容积制冷量最多，且伴随蒸发温度改变过程，其出现显著改变，这主要是由于 R32 的临界温度偏低，排气状态和临界点更为靠近，过热气密明显高于远离临界点的状态。如果工程实践中能使用大的单 容积制冷量，则有助于提升复叠系统结构的紧凑型，并且会减少早期建设成本。

结束语：

本课题研究中，在在最优工况下对比了差异化高温级工质的CO2/低GWP系统，统计发现高温级R152a的系统COP抵达峰值;R32系统的单位容积制冷量最大，有益于减少系统造价。站在优化系统性能的视角，建议用CO2/R152a系统将R22或CO2/NH3系统取代;以减少早期成本为目的时，推荐选用CO2/R32系统。

参考文献：

[1]梁政、申江、韩思雨.回热器与制冷工质对复叠制冷系统性能的影响[J].食品与机械，2020，v.36;No.228（10）：71-76+92.

[2]孔德霞.NH3和CO2制冷剂及其复叠式制冷系统[J].农村经济与科技，2020，031（008）：345-346.

[3]任继鹏，孙远新，张良.R1270/CO2复叠式制冷系统热力学分析与研究[J].科学与财富，2019，000（006）：258.