带经济器补气的R1234yf两级压缩制冷循环的性能分析
时间：2023-02-13 18:40:08 来源：千叶帆 本文已影响人
王 朋 杨启超 迟卫凯
（青岛科技大学机电学院 青岛 266061）
离心式冷水机组因其制冷量大、能效高而广泛应用于大型中央空调、医疗卫生、工业生产等各行各业。现阶段大型的离心式冷水机机组常用制冷剂有R22、R134a、R407C 以及R507C 等[1]。制冷剂伴随机组每年2%左右的不可避免的损耗以及操作不当的泄露等因素排放到大气中，对环境存在一定程度的破坏。随着环境形势的日益严峻和《关于耗损臭氧层物质的蒙特利尔议定书》的签署[2]，R22的OPD（Ozone depletion potential 臭氧层破坏指数）较高，现在已经逐步淘汰，而R134a、R407C 和R507C 虽然不会破坏臭氧层，但是它们的GWP（Global Warming Potential 全球温室效应指数）较高，长期大量使用会导致全球温室效应加剧，根据基加利协议此类制冷剂也会被逐步淘汰[3,4]。因此，针对离心冷水机组制冷剂的替代工作也是其研究的热点问题之一。
目前，R134a 的主流代替工质有R1234ze、R1234zd 和R1234yf[5,6]，R1234ze 和R1234zd 常用于离心式冷水机组[7,8]，也有许多公司推出了相关产品，如丹佛斯、特灵、格力和三菱重工等[9,10]。R1234yf 主要用于汽车空调系统中替代R134a。中国、美国、日本及欧盟的新型车的空调系统都开始采用R1234yf 制冷剂，研究表明其能效水平仅相差2%～4%[11,12]。同时也有许多学者针对采用替代制冷剂的换热器研究，研究成果表明：R1234yf 管内两相蒸发换热系数与R134a 相当[13,14]。从物性上看R1234yf 的分子量、沸点、临界温度、临界压力和饱和蒸汽密度等均与R134a 相近[15]，R1234yf 与R134a 在冷水机组中的作用与可发挥能力相近，且R1234yf 的ODP=0，GWP＜1，安全性方面，R1234yf无毒可燃性差，研究表明R1234yf 在汽车空调工况下运行不可燃，安全性与R134a 相同[16]。由此可见R1234yf 是比较理想的R134a 替代工质。
本文对R1234yf和R134a 在离心式冷水机组中的具体性能表现进行理论对比分析。
本文针对板式换热器作为经济器的两级离心式冷水机组循环系统进行研究分析，系统流程图如图1所示。压缩机采用双叶轮两级压缩离心式压缩机，两叶轮分别实现1—2 压缩过程和4—5 压缩过程，一般情况下称之为压缩机高压级和压缩机低压级。
图1 系统流程图Fig.1 Schematic diagram of the system
循环的基本原理为通过制冷剂在蒸发器A 的气化吸收冷水热量，压缩机低压级B 吸入蒸发器A的制冷剂蒸汽使其压缩到中间压力，吸收经济器出来的制冷剂气体通过压缩机高压级C 压缩到高温高压的气态并送入冷凝器D。从冷凝器D 出来的制冷剂液体一部分经过节流阀E 后进入经济器F进行蒸发后汇入压缩机低压级B 出口，另一部分直接进入经济器F，通过经济器冷一侧的制冷剂蒸发对该部分制冷剂进行降温后通过节流阀G 后进入蒸发器。设置经济器主要目的是使冷凝器D 出来的制冷剂液体过冷从而达到增加制冷量的作用，同时补气也可降低压缩机的排气温度。循环系统p-h图如图2所示。
图2 循环系统p-h 图Fig.2 The p-h diagram of the system
由于制冷剂R134a与R1234yf两种制冷剂的物性存在差异以及循环系统中不可避免存在压力损失和热量散失，为了可以更加清晰的看到不同工况和制冷剂在相同循环下的差异性，故通过如下假设条件简化计算：
（1）循环中节流过程为绝热过程；
（2）换热器和管件不存在压力损失和热量损失；
（3）循环各状态点不随时间的变化而变化；
（4）冷凝器循环水进出口温度不受环境温度影响；
（5）压缩机等熵效率与压缩机的压比相关，用下式计算：。
根据热力学能量守恒定律和质量守恒定律建立系统分析模型，系统的主要性能参数根据以下方程得出。
循环制冷量：
式中，Q为系统制冷量，kW；
h9和h0为蒸发器进出口焓，kJ/kg；
qm为制冷剂质量流量，kg/s。
压缩机输入功率：
式中，WL和WH为压缩机高低压功耗，kW；
h1、h2、h4和h5为各状态点焓，kJ/kg；
x为循环系统最佳补气比。
经济器采用板式换热器，通过补气部分3-7（状态点）的蒸发作用使6 点降温到8 点，实现增加过冷度的目的。能量平衡方程：
系统COP：
压缩机低压级、高压级㶲损失：
式中，e为状态点㶲，kJ/kg；
h为状态点焓，kJ/kg；
T0为环境温度，℃；
S为状态点熵，kJ/kg。
蒸发器㶲损失：
冷凝器㶲损失：
经济器㶲损失：
一、二级节流㶲损失：
系统㶲效率：
本文根据上述条件利用MATLAB 建立该制冷系统的数学模型，采用REFPROP 调用各状态点参数，图3 为冷凝温度变化时循环系统模型计算流程图。
图3 计算流程图Fig.3 Diagram of the calculation process
在环境温度为30℃，蒸发温度为2℃时，最佳补气量的情况下，在制冷剂流量相同时对R134a与R1234yf 进行系统性能分析。
带补气的两级压缩制冷系统存在最佳的中间补气温度使得系统的COP 最大，系统的COP 会随着补气温度变化而变化，当蒸发温度2℃、冷凝温度40℃时，R134a 系统与R1234yf 系统COP 随着补气温度变化关系曲线如图4所示。从图可知，R134a 系统COP 大于R1234yf，系统随着中间补气温度的上升先增大后减小，存在最佳补气温度使系统COP 最大，当系统补气温度为19.27℃时，R1234yf 系统COP 到最大值，当系统补气温度为19.75℃时，R134a 系统COP 到最大值，两制冷剂的最佳中间温度差别极小，下面的分析都是在最佳补气温度下获得的结果。
图4 COP 与最佳中间气温度的关系Fig.4 Effect of optimal vapor injection temperature on COP
图5 为分别采用R134a 与R1234yf 制冷剂时冷凝温度对系统制冷量的影响规律。随着冷凝温度的升高系统的最佳补气量随之提高，经过蒸发器的制冷剂量减少，从而系统制冷量随着冷凝温度的升到而降低，其下降幅度大致相同，约为8%，R134a系统制冷量比R1234yf 高19～21%，其主要原因是R134a 的汽化潜热大于R1234yf。
图5 最佳补气量下系统制冷量与冷凝温度关系Fig.5 Variation of system refrigeration capacity with condensing temperature under optimal vapor injection flow
图6 为压缩机高压级和低压级功耗随着冷凝温度变化的关系曲线，R134a 与R1234yf 的压缩机的低压级和高压级的功耗均随着冷凝温度的升高逐渐升高，R1234yf 的压缩机低压级和高压级总功耗比R134a 低17～19%，在采用R1234yf 时冷凝温度变化压缩机对压缩机功耗的上升幅度小于R134a，也就是说输入功率一定的情况下压缩机压缩R1234yf 时更能适应工况的变化。
图6 最佳补气量下功耗与冷凝温度关系Fig.6 Variation of compressors’consumption with condensing temperature under optimal vapor
图7 和图8 分别为在最佳补气量情况下蒸发温度和冷凝温度对系统COP 的影响规律。由图可以看出系统COP 随着冷凝温度的升高而降低，而随着蒸发温度的升高而升高，在蒸发温度和冷凝温度变化时两系统COP 变化幅度大致相同，R1234yf系统COP 始终低于R134a 系统。在蒸发温度5.5℃，冷凝温度40℃时，R134a 的COP 为6.75，R1234yf的COP 为6.61，相比于R134a，采用R1234yf 的COP 下降了约2.11%，可以看出在同一系统中R134a 与R1234yf 在能效水平上大致相近。
图7 最佳补气量下系统COP 与冷凝温度关系Fig.7 Variation of COP with condensing temperature under optimal vapor injection flow
图8 最佳补气量下系统COP 与蒸发温度关系Fig.8 Variation of COP with evaporation temperature under optimal vapor injection flow
带补气的两级压缩冷水机组循环系统各状态点输入㶲、输出㶲、㶲损失及所占比例如图9 和表1所示，在相同质量流量下采用R134a 的系统压缩机高低压级、冷凝器高于R1234yf 系统，而蒸发器、经济器和一、二级节流阀低于R1234yf 系统，采用R134a 系统和R1234yf 系统中各部件㶲损失中冷凝器㶲损失最高，分别占总损失的36.56%和23.29%，蒸发器次之，分别占总损失的17.71%和20.42%，总㶲损失R134a 系统比R1234yf 系统高约13.27%，其差异来源主要是冷凝器和压缩机高低压级的㶲损失，由此可见在相同工况下的同一系统中采用R1234yf，冷凝器和压缩机性能要优于R134a 系统，蒸发器㶲损失略高于R134a 系统。
图9 循环各部件㶲损失Fig.9 Exergy loss of system components
表1 循环各状态点㶲参数Table 1 Parameters of each status point of the cycle
系统㶲效率随冷凝温度变化规律如图10所示。在质量流量相同的情况下，㶲效率随着冷凝温度的升高而降低，两种工质降低程度大致保持一致。在上述工况条件下采用R134a 的㶲效率为0.64；
R1234yf 为0.62，差异仅有2～3%。图11 为系统在不同环境温度下的㶲效率，由图可知在冷凝温度不变的情况下环境温度升高系统㶲效率均有所升高，采用两种工种不同工质的系统㶲效率差异也只有2～3%。由此可见两种制冷剂在不可逆损失的相关性质上大致相同。
图10 最佳补气量下系统㶲效率与冷凝温度关系Fig.10 Variation of exergy efficiency with condensing temperature under optimal vapor injection flow
图11 最佳补气量下系统㶲效率与环境温度关系Fig.11 Variation of exergy efficiency with the ambient temperature under optimal vapor injection flow
本文对用于两级离心式冷水机组中的带补气的制冷循环系统，建立了理论分析模型并编制计算程序，采用R1234yf 和R134a 两种制冷剂，在相同质量流量下对系统的制冷量、压缩机功耗、COP、各部件不可逆损失和㶲效率进行性能分析对比，得出如下主要结论：
（1）R134a 和R1234yf 系统制冷量随着蒸发温度的升高而升高，随着冷凝温度的升高而略有下降，压缩机功耗随蒸发温度的升高而降低，随着冷凝温度的升高而升高，R134a 系统制冷量较R1234yf 系统制冷量高19～21%，压缩机总功耗高约17～19%，R1234yf 系统COP 仅比R134a 系统低2～3%，故在系统性能方面考虑R1234yf 可以作为R134a 代替工质用于离心式冷水机组。
（2）R134a 和R1234yf 系统㶲损失随着冷凝温度的升高而升高，系统㶲效率随着冷凝温度的升高而降低，系统㶲效率随着在冷凝温度不变的情况下随环境温度的升高而降升高，R134a 系统总㶲损失比R1234yf 系统高约13.27%，由于R1234yf 系统蒸发器和冷凝器㶲损失相对较高，所以R1234yf系统㶲效率略低于R134a 系统，相差约2.79%。从系统㶲效率情况看R1234yf可以作为R134a 的代替工质用于离心式冷水机组。
综上所述，R1234yf 从环保方面来说均优于R134a，从系统能效和㶲效率方面来说略低于R134a，R1234yf 是代替R134a 用于两级离心式冷水机组的比较理想的工质。
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