氣液熱交換器對(duì)雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)的影響

陳 矞，張普洋

（1.山西林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030009；2.香港華藝設(shè)計(jì)顧問(wèn)（深圳）有限公司，廣東 深圳 518031）

引言

在蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)中布置氣液熱交換器可以增加冷凝器出口制冷劑液體的過(guò)冷度，降低壓縮機(jī)出現(xiàn)液擊的風(fēng)險(xiǎn)，增加系統(tǒng)的制冷性能，還可對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行起到較大保障作用。在較低溫度區(qū)間的制冷中，普通的單級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)較難獲得理想的制冷性能，因此通常使用兩級(jí)或三級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)。

Torrella 等[1]對(duì)帶氣液熱交換器的二氧化碳跨臨界壓縮制冷系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)使用氣液熱交換器可以提高該系統(tǒng)的制冷性能系數(shù)。郭耀君等[2]對(duì)雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)探究分析，認(rèn)為系統(tǒng)效率和制冷系數(shù)會(huì)隨高壓級(jí)氣液熱交換器過(guò)熱度的提高而提高。Klein 等[3]對(duì)帶氣液熱交換器的蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)使用R22、R717、R32 這三種制冷劑時(shí)，氣液熱交換器會(huì)使系統(tǒng)的機(jī)械性能系數(shù)下降。

Shuxue Xu 等[4]建立了雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，分析了系統(tǒng)兩個(gè)壓縮機(jī)的最佳容積比，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。Yang J.等[5]提出兩新型二氧化碳CO2跨臨界雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)，并與二氧化碳CO2單級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)進(jìn)行了探究分析比較，兩種新系統(tǒng)比單級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)制冷系數(shù)（COP）分別提高9.65%和0.72%。張普洋等[6]研究發(fā)現(xiàn)，在復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)中的高低溫級(jí)循環(huán)都布置氣液熱交換器可以明顯使系統(tǒng)的制冷性能系數(shù)和效率上升。

現(xiàn)有對(duì)于帶氣液熱交換器的雙級(jí)壓縮制冷系統(tǒng)（下文簡(jiǎn)稱為雙壓系統(tǒng)）的研究多為在低壓級(jí)支路布置氣液熱交換器，且少有使用新型環(huán)保制冷工質(zhì)的研究。本文以新型環(huán)保制冷劑2，3，3，3-四氟丙烯作為工質(zhì)，對(duì)3 種不同氣液熱交換器布置方式的雙壓系統(tǒng)進(jìn)行了能量及分析，探索了氣液熱交換器的布置方式對(duì)使用新型環(huán)保制冷劑的雙壓系統(tǒng)的影響，為新型環(huán)保制冷劑的應(yīng)用與發(fā)展提供了思路。

1 氣液熱交換器雙壓系統(tǒng)概述

在雙壓系統(tǒng)中一般僅僅在低壓級(jí)支路布置氣液熱交換器，本文對(duì)僅低壓級(jí)支路布置氣液熱交換器、僅高壓級(jí)支路布置氣液熱交換器、高/低壓級(jí)支路都布置氣液熱交換器三種氣液熱交換器布置情況的雙壓系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比研究，此處以高/低壓級(jí)支路都布置氣液熱交換器的系統(tǒng)為例給出系統(tǒng)流程。

圖1-1 為布置氣液熱交換器的雙壓系統(tǒng)的系統(tǒng)圖，圖1-2 為布置氣液熱交換器的雙壓系統(tǒng)的壓焓圖。圖1 中，h 為比焓值，kJ/kg；p 為壓力，Pa。

圖1 布置氣液熱交換器的雙壓系統(tǒng)

雙壓系統(tǒng)由蒸發(fā)/冷凝器、氣液分離器、兩級(jí)的膨脹閥、高/低壓級(jí)壓縮機(jī)與氣液熱交換器組成。在蒸發(fā)器中制冷劑蒸發(fā)、蒸發(fā)制冷之后進(jìn)到低壓級(jí)壓縮機(jī)中，被壓縮后與飽和氣態(tài)制冷劑（來(lái)自氣液分離器）混合之后進(jìn)到高壓級(jí)壓縮機(jī)中，再一次壓縮后排到冷凝器中釋放其熱量，冷凝后的飽和液態(tài)制冷劑經(jīng)過(guò)第一級(jí)膨脹閥一次節(jié)流之后進(jìn)到氣液分離器中，之后被補(bǔ)入高壓級(jí)壓縮機(jī)入口的是其中的飽和氣態(tài)制冷劑，并與來(lái)自低壓級(jí)壓縮機(jī)的制冷劑混合，飽和液態(tài)制冷劑再經(jīng)第二級(jí)膨脹閥節(jié)流后回流到蒸發(fā)器中，完成整個(gè)制冷過(guò)程。

其中，來(lái)自氣液分離器液體出口的液態(tài)制冷劑與蒸發(fā)器出口的氣態(tài)制冷劑在氣液熱交換器1 中相互交換熱量，來(lái)自冷凝器出口的液態(tài)制冷劑與氣液分離器出口的氣態(tài)制冷劑在氣液熱交換器2 中相互交換熱量。

2 影響分析

工商業(yè)領(lǐng)域多要求制冷提供-50～-30℃的低蒸發(fā)溫度[7]，本文對(duì)蒸發(fā)溫度為-30 ℃、冷凝溫度為40 ℃的情形進(jìn)行探究,制冷劑使用新型環(huán)保工質(zhì)2，3，3，3-四氟丙烯，氣液熱交換器效率變化范圍從0～0.9，其中不布置氣液熱交換器的情況用氣液熱交換器效率為0 表示。

2.1 氣液熱交換器對(duì)系統(tǒng)機(jī)械性能的影響

圖2 為在雙壓系統(tǒng)中不同位置布置氣液熱交換器時(shí)，系統(tǒng)制冷量Qe與制冷系數(shù)COP 隨氣液熱交換器效率的變化。圖2-1，僅低壓級(jí)支路布置氣液熱交換器時(shí)，隨氣液熱交換器效率ε 從0 提高至0.9，Qe由3.16 kW 提高至3.27 kW，提高幅度為3.4%，COP 由2.28 提高至2.36，提高幅度為3.67%。

當(dāng)氣液熱交換器布置在低壓級(jí)支路時(shí)，會(huì)使蒸發(fā)器進(jìn)、出口的焓差提高，此時(shí)低壓級(jí)支路的制冷劑質(zhì)量、流量微小降低，因此系統(tǒng)制冷量與制冷系數(shù)同時(shí)提升。

圖2-2，僅高壓級(jí)支路布置氣液熱交換器時(shí)，隨氣液熱交換器效率ε 從0 提高至0.9，Qe由3.16 kW 提高至3.25 kW，提高幅度為2.72%，COP 由2.28 提高至2.39，提高幅度為4.84%。

當(dāng)氣液熱交換器布置在高壓級(jí)支路時(shí)，蒸發(fā)器進(jìn)出口處的焓差會(huì)上升，制冷量與制冷系數(shù)都提高了，因?yàn)檫M(jìn)到氣液分離器里的制冷劑焓值會(huì)更小，從而使氣液分離器出口處的液體制冷劑的焓值下降了。

圖2-3，高/低壓級(jí)支路都布置氣液熱交換器時(shí)，隨氣液熱交換器效率ε 從0 提高至0.9，Qe 由3.16 kW 提高至3.29 kW，提高幅度為4.27%，COP由2.28 提高至2.41，提高幅度為5.77%。

圖2 氣液熱交換器效率對(duì)雙壓系統(tǒng)制冷性能的影響

據(jù)以上分析顯示，在使用2，3，3，3-四氟丙烯作為制冷劑的雙壓系統(tǒng)中，3 種氣液熱交換器布置形式均可提高系統(tǒng)的制冷量與能效系數(shù)，而在高/低壓級(jí)支路同時(shí)布置氣液熱交換器對(duì)于系統(tǒng)制冷量與制冷能效系數(shù)的提升最為顯著。

2.2 氣液熱交換器對(duì)系統(tǒng)各部件損失的影響

下頁(yè)圖3 為在雙壓系統(tǒng)中不同位置布置氣液熱交換器時(shí)，系統(tǒng)中各部件的損失隨氣液熱交換器效率的變化。圖3-1，僅低壓級(jí)支路布置氣液熱交換器時(shí)，隨氣液熱交換器效率ε 從0 提高至0.9，膨脹閥1 的損失明顯降低，冷凝器的損失則有輕微提高，氣液熱交換器1 的損失先升高后降低。

圖3-2，僅高壓級(jí)支路布置氣液熱交換器時(shí)，隨氣液熱交換器效率ε 從0 提高至0.9，膨脹閥2 的用損失明顯降低，冷凝器的損失明顯提高，氣液熱交換器2 的損失先升高后降低。

圖3-3，高/低壓級(jí)支路都布置氣液熱交換器時(shí)，隨氣液熱交換器效率ε 從0 提高至0.9，膨脹閥1、2 的損失均有明顯降低，冷凝器的損失明顯提高，兩個(gè)氣液熱交換器的損失都會(huì)先升高后降低。

圖3 氣液熱交換器效率對(duì)雙壓系統(tǒng)各部件損失的影響

據(jù)下頁(yè)圖3 得知，在雙壓系統(tǒng)中，蒸發(fā)器、冷凝器與高壓級(jí)壓縮機(jī)中產(chǎn)生的損失最高，其三部件的損失的和占總損失的比率為57.0%～71.23%；隨著氣液熱交換器效率的提高，膨脹閥的損失顯著降低，氣液分離器的損失始終維持在近似為0的水平，低/高壓級(jí)壓縮機(jī)的損失有微小下降，氣液熱交換器的損失會(huì)先上升后下降。

2.3 氣液熱交換器對(duì)系統(tǒng)效率的影響

圖4 為在雙壓系統(tǒng)中在不同位置布置氣液熱交換器時(shí)，系統(tǒng)總的損失、輸出與效率隨氣液熱交換器效率的變化。圖4-1，僅低壓級(jí)支路布置氣液熱交換器時(shí)，隨氣液熱交換器效率ε 從0 提高至0.9，系統(tǒng)的總損失由0.76 kW 降至0.73 kW，降低了4.71%，系統(tǒng)的輸出由0.625 kW 上升到0.65 kW，提高3.39%；系統(tǒng)的效率由45.01%上升到46.66%，提高了3.65%。

圖4-2，僅高壓級(jí)支路布置氣液熱交換器時(shí)，隨氣液熱交換器效率ε 從0 提高至0.9，系統(tǒng)的總損失由0.76 kW 降至0.72 kW，降低5.89%；系統(tǒng)的用輸出由0.625 kW 上升到0.64 kW，提高了2.71%，系統(tǒng)的效率由45.01%上升到47.20%，提高了4.85%。

圖4 氣液熱交換器效率對(duì)雙壓系統(tǒng)熱力學(xué)性能的影響

圖4-3，高/低壓級(jí)支路都布置氣液熱交換器時(shí)，隨氣液熱交換器效率ε 從0 提高至0.9，系統(tǒng)的總損失由0.76 kW 降低到0.71 kW，降低了6.92%；系統(tǒng)的輸出由0.625 kW 上升到0.65 kW，提高了4.26%；系統(tǒng)的效率由45.01%達(dá)到47.61%，提高了5.78%。

據(jù)以上數(shù)據(jù)顯示，在使用制冷劑2，3，3，3-四氟丙烯的雙壓系統(tǒng)中，三種氣液熱交換器布置方式都可提高系統(tǒng)的效率，其中，在高/ 低壓級(jí)支路都布置氣液熱交換器對(duì)于系統(tǒng)效率的提升最為顯著。

3 結(jié)論

通過(guò)編制雙壓系統(tǒng)的計(jì)算程序，對(duì)三種布置氣液熱交換器的情況進(jìn)行了能量及用分析，探究氣液熱交換器效率對(duì)系統(tǒng)效率與輸出、系統(tǒng)的COP、各部件的損失、制冷量的影響，結(jié)論如下：

1）對(duì)于使用2，3，3，3-四氟丙烯作為制冷劑的雙壓系統(tǒng)，三種氣液熱交換器布置形式對(duì)系統(tǒng)性能均有提高，其中高/低壓級(jí)循環(huán)都布置氣液熱交換器時(shí)，系統(tǒng)性能提高最多，隨氣液熱交換器效率從0提高至0.9，COP 提高5.77%，制冷量提高4.27%。

2）對(duì)于使用2，3，3，3-四氟丙烯作為制冷劑的雙壓系統(tǒng)，僅低壓級(jí)循環(huán)布置氣液熱交換器時(shí)，系統(tǒng)性能提高最少，隨氣液熱交換器效率從0 提高至0.9，COP 可提高3.67%，制冷量可提高3.40%；僅高壓級(jí)循環(huán)布置氣液熱交換器時(shí)，隨氣液熱交換器效率從0 提高至0.9，COP 提高4.84%，制冷量提高2.72%。

3）對(duì)于使用2，3，3，3-四氟丙烯作為制冷劑的雙壓系統(tǒng)，系統(tǒng)中損失的主要由冷凝器、蒸發(fā)器與高壓級(jí)壓縮機(jī)貢獻(xiàn)的，這三個(gè)部件的損失之和占總損的比率達(dá)57.0%～71.23%；在系統(tǒng)中設(shè)置氣液熱交換器能夠顯著降低膨脹閥的損失，從而提高系統(tǒng)效率。

4）對(duì)于使用2，3，3，3-四氟丙烯作為制冷劑的雙壓系統(tǒng)，在三種氣液熱交換器布置情況中，高/低壓級(jí)支路都布置氣液熱交換器時(shí)，系統(tǒng)的效率提升最高，達(dá)5.78%；其次為僅高壓級(jí)支路布置氣液熱交換器時(shí)，系統(tǒng)的效率提高4.85%；僅低壓級(jí)支路布置氣液熱交換器時(shí)，系統(tǒng)的效率提升最低，為3.65%。