中间温度对复叠式制冷系统影响的(火用)分析_刘江学.pdf

中间温度对复叠式制冷系统影响的分析刘江学1，刘智勇1*，陈晓慧1，魏其嵩2（1.兰州交通大学 环境与市政工程学院，兰州730070；2.兰州真空设备有限责任公司华宇分公司，兰州730030）摘要：为提高R404A/R23复叠制冷系统的热力性能及降低系统能耗，通过建立热力学模型，应用热力分析和分析法，分析中间温度与蒸发温度对复叠式制冷系统总能耗、热力性能、损及效率的影响。结果表明，在无过热、过冷工况下，随着中间温度T3（低温级冷凝温度）升高，系统总功耗和损先减小后增大，热力性能COP和效率先增大后减小。因此，确定工况下存在一个最优中间温度T3使得系统能耗、损最小，系统热力性能COP和效率最大。通过分析系统各部件损随中间温度的变化，得出系统损主要集中在蒸发冷凝器、高温级压缩机、高温级节流阀和冷凝器。随着中间温度T3变化，此四部件损占总损的57.585.7。在最优中间温度T3下，此四部件损占系统总损的66.9。分析蒸发温度对系统的影响，得出蒸发温度变化会改变最优中间温度，且随着蒸发温度升高，最优中间温度也会升高，系统热力性能及效率也显著提高。关键词：复叠制冷；质量流量；中间温度；分析中图分类号：TB657文献标志码：A文章编号：1006-7086（2023）02-0194-06DOI：10.3969/j.issn.1006-7086.2023.02.013Exergy Analysis of Influence of Intermediate Temperature on Cascade Refrigeration SystemLIU Jiangxue1，LIU Zhiyong1*，CHEN Xiaohui1，WEI Qisong2（1.School of Environmental and Municipal Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou730070，China；2.Lanzhou Vacuum Equipment Co.，LTD.Huayu Branch，Lanzhou730030，China）Abstract：In order to improve the thermal performance and reduce the energy consumption of R404A/R23 superposedrefrigeration system，the effects of intermediate temperature and evaporation temperature on total energy consumption，thermal performance，exergic loss and exergic efficiency of superposed refrigeration system are analyzed by establishingthermodynamic model and using thermal analysis and exergic analysis.The results show that under the condition of no superheating and subcooling，with the increase of intermediate temperatureT3（low-temperature cycle condensation temperature），the total power consumption and exergic loss of the system first decrease and then increase，and the thermal performanceCOP and exergic efficiency increase first and then decrease and thus determine conditions exist an optimal intermediatetemperature T3make the system energy consumption，minimum exergic loss，thermal performance COP and exergic efficiency of system is the largest.By analyzing the change of the exergy loss of each component of the system with the intermediate temperature，it is concluded that the exergy loss of the system is mainly concentrated in the evaporative condenser，high temperature level compressor，high temperature level throttle and condenser.With the change of the intermediate tempe-rature T3，the exergy loss of these four components accounts for 57.5%to 85.7%of the total exergy loss.In the optimal intermediate temperature T3，the four parts exergic damage accounted for 66.9%of the system total exergic loss.The influenceof evaporation temperature on the system is analyzed.It is concluded that the change of evaporation temperature will changethe optimal intermediate temperature，and with the increase of evaporation temperature，the optimal intermediate temperature will also increase，and the thermal performance and exergic efficiency of the system will also increase significantly.收稿日期：2022-09-01作者简介：刘江学，硕士研究生，主要从事空调与制冷技术研究。E-mail：通信作者：刘智勇，副教授，主要从事空调与制冷技术研究。E-mail：引文信息：刘江学，刘智勇，陈晓慧，等.中间温度对复叠式制冷系统影响的分析J.真空与低温，2023，29（2）：194-199.LIU J X，LIU Z Y，CHEN X H，et al.Exergy analysis of influence of intermediate temperature on cascade refrigerationsystemJ.Vacuum and Cryogenics，2023，29（2）：194-199.真空与低温Vacuum and Cryogenics第29卷第2期2023年3月194Key words：cascade refrigeration；mass flow；intermediate temperature；exergic analysis0引言在制冷技术发展初期，人们主要使用制冷技术来储存食品。随着科技的发展，制冷技术不仅服务于人们的日常生活1-3，还应用于医疗、电子制造、冶金、航空航天等行业。在-60-25 温度区间，复叠制冷系统因其良好的制冷性能而被广泛应用和研究。如黄律皓4对单机双级制冷（R404A）和复叠制冷（R404A/R23）进行了对比分析，表明复叠制冷系统在-50 以下具有明显的优势和更好的热力性能。何永宁等5、刘圣春等6和Nguyen等7的研究均表明，复叠制冷在制冷温度范围和热力性能方面具有较大优势。制冷剂作为实现制冷热交换的媒介，被称为制冷设备的血液。制冷剂的热力性能、安全性及环保性都是评价制冷剂优劣的重要指标。化工合成制冷剂应用广泛，如 R23 与 R404A 等作为ODP（破坏臭氧潜能值）为零的制冷剂在各类场所大量使用。复叠制冷系统中以 R23作为低温级制冷剂、R404A作为高温级制冷剂应用或研究也较多。刘 寒 等8、李 成 浩 等9、Sun 等10和 王 功 亮 等11对R404A和R23作为制冷剂对复叠制冷系统的影响进行了对比研究，表明这两种制冷剂有优良的热力性能且安全环保，适合作为复叠制冷系统制冷剂。评价制冷性能最直接的方式为制冷量与能耗之比，即COP值。系统的COP值大小为制冷量与输入功之比，对能量质量等无法做出全面评价。因此，建议采用数量与质量综合评价方法即分析法。分析法作为能量品质和数量的有效评价方法，广泛应用于复叠制冷系统12-15，具有较高的参考价值。以往研究 R404A/R23制冷系统主要集中在制冷稳定性及温控精度等方面，本文主要研究分析中间温度对 R404A/R23复叠制冷系统热力性能和损失的影响，为 R404A/R23复叠制冷系统节能优化、设计和应用提供参考。1复叠制冷系统原理R404A/R23 复叠制冷系统循环原理如图 1 所示：复叠制冷系统由两个单级制冷系统依靠蒸发冷凝器耦合而成。高温循环（流程56785）使用 R404A 制冷剂，低温循环（12341）使用R23制冷剂。高温循环：高温制冷剂R404A在蒸发冷凝器中吸收低温制冷剂R23的冷凝热，R404A由液相变为气相，气相 R404A 进入高温级压缩机增压，高压气相制冷剂进入冷凝器中冷却、冷凝，最后经过节流阀节流降压重新进入蒸发冷凝器，完成高温段循环。低温循环：低温制冷剂R23在被冷却对象处吸热发生相变，气态R23进入低温级压缩机增压，随后进入蒸发冷凝器冷凝放热，最后节流降压进入蒸发器，完成低温级循环。系统循环过程压力与比焓变化如图2所示。图1复叠制冷系统循环原理图Fig.1Schematic diagram of the cascade refrigeration cycle图2R404A/R23复叠制冷的P-h图Fig.2P-h diagram of R404A/R23 cascade refrigeration刘江学等：中间温度对复叠式制冷系统影响的分析1952热力学模型2.1系统模型设定根据制冷过程中质量守恒和能量守恒，建立热力学模型。为便于研究，模型作如下假设：（1）系统处于稳态运行，忽略系统动能与势能；（2）在蒸发器、冷凝器及蒸发冷凝器出口处，制冷剂处于完全饱和态；（3）各个部件及管道无压降及热量损失；（4）蒸发过程为等压吸热，膨胀过程为等焓节流，压缩过程为绝热压缩，冷凝过程为等压放热。压缩过程机械效率和电效率之积定为 0.9，压缩等熵效率 is14与压缩机进出口压比有关，如式（1）所示。is=0.847-0.0135pscoppecop（1）式中：pecop、pscop分别为压缩机进口及出口压力。2.2热力计算低温制冷剂质量流量：ML=QZh1-h4（2）高温制冷剂质量流量：MH=Qcash5-h8（3）低温级压缩机功耗：WL=ML()h2-h1（4）高温级压缩机功耗：WH=MH()h6-h5（5）总热力性能：COP=QZWL+WH（6）式中：QZ为制冷量，kW；ML、MH分别为低温和高温制冷剂质量流量，kg/s；Qcas为高温级蒸发热量（低温冷凝热量），kW；h1、h2分别为低温级压缩机进出口比焓，kJ/kg；h5、h6分别为高温级压缩机进出口比焓，kJ/kg；h4、h8分别为低、高温级蒸发