R448A和R455A在复叠制冷系统中替代R404A的性能分析

郜文静， 王子龙， 周 颖

（1.上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093；2.上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海 200093）

随着我国经济的快速发展和生产需要，高低温试验箱得到了广泛应用，用来模拟不同的试验环境，检验各类元器件对不同环境温度的适应性、可靠性和安全性[1]。高低温试验箱常用复叠制冷系统来获取−70～−40 ℃的低温，这是因为单级压缩系统受压缩比的限制常用于普冷领域，所以，在更低温的环境中一般采用复叠式制冷系统，将总温差分割成多段，每段温区采用合适的制冷剂，使得低温区的循环蒸发温度更低[2-3]。但是，目前试验箱高温级循环的主要工质是R404A，其GWP值（全球变暖潜能值）较高，将受到欧盟等相关法规的限制而逐步淘汰，所以，对新型制冷剂的探究在低温制冷领域显得非常重要[4]。

国内外学者对R404A作为制冷工质的复叠系统进行了大量研究。Roy等[5]对 R41/R404A和R170/R161复叠制冷循环进行了数值分析，结果表明，当蒸发温度从−60 ℃升高至−30 ℃时，相比R41/R404A的制冷系统而言，R170/R161系统的COP（制冷系数）提高了6.7%～8.9%，㶲损失降低了16.2%～13.4%。Sun等[6]分析了R41/R404A和R23/R404A复叠制冷系统的热力性能，结果表明，蒸发温度为−60～−30 ℃时，R41/R404A系统的低压级压缩机排气温度比R23/R404A系统高，但是，R41/R404A系统的最佳COP优于R23/R404A系统，最大㶲效率比R23/R404A系统的高1.4%。文献[7]从能耗、环保性、管路尺寸及系统成本等方面对超市应用中的R404A/CO2，R22和R404A制冷系统进行了分析，结果表明，R404A/CO2复叠系统的能耗比R22，R404A系统低24.7%，15.5%，且对环境的影响远小于其他2个系统。赖艳华等[8]利用熵产最小法对R404A/CO2复叠制冷系统进行了分析，结果表明，在最佳中间温度下，系统的总熵产最小，高、低温级压缩机、冷凝蒸发器和高温级节流阀的熵产占总熵产的80%。杨俊兰等[9]对R404A/CO2和R290/CO2复叠系统进行了研究，结果表明，R290/CO2系统的COP高于R404A/CO2系统，综合性能更优。宁静红等[10]分析了回热器对 R290 /CO2，NH3/CO2，R404A/CO2等 3 种复叠制冷系统性能的影响，结果表明，在相同工况下，采用回热循环有利于R290，R404A系统性能的提升，但是，会对NH3，CO2系统产生不利的影响。刘寒等[11]基于R404A/R23复叠制冷系统，研究了蒸发温度和冷凝温度对系统性能的影响，结果表明，蒸发温度下降1 ℃比冷凝温度上升1 ℃对系统COP影响更大。

综上所述，目前国内外学者对于复叠制冷系统的研究主要集中在不同系统性能的比较，而在高温级工质R404A的替代方面研究较少。因此，本文对R404A制冷剂的替代工质进行了深入探究。结合国内外复叠制冷系统的研究进展[12-13]，选取R455A和R448A来替代R404A作为复叠制冷系统高温级制冷剂，选取R23为低温级制冷剂。以高低温试验箱为实验平台，对变工况下的复叠制冷系统进行模拟，分析比较了3种制冷系统在不同工况下的性能优劣，结果可为复叠系统的优化设计提供理论基础。

1 制冷剂物性对比

制冷剂R448A，R455A和 R404A的组成成分、物性参数、环境特性指标及安全性如表1所示。R448A和R455A作为HFOs（氢氟烃类）制冷剂，与R404A有着相似的物理性质，其ODP值（臭氧消耗潜能值）为0，GWP值较低，能够改善系统的能效，减少对环境的破坏，在替代R404A时具有一定的优势。

表1 制冷剂物性对比[18-19]Tab.1 Comparison of physical properties of refrigerants[18-19]

R448A的GWP值为1273，相比R404A降低了67.7%。R448A的临界温度比R404A高，所以，压缩蒸汽所需的能量较低，R448A的标准沸点与R404A相当，但温度滑移较高，是一种非共沸混合工质，考虑到该特性，对其系统进行重新设计将会提高能效[14-15]。R448A可作为R404A的替代制冷剂应用于商业制冷、工业制冷、冷库、冷藏运输及空气处理机组等领域[16]。R455A的GWP值为148，远低于R404A和R448A。R455A的临界温度高于R404A，在较高的环境温度下性能会更好。R455A可作为R404A的替代制冷剂应用于空气处理机组等制冷设备中，但在使用过程中要注意其弱可燃性[17]。

值得注意的是，R455A和R448A在定压下相变过程中温度滑移较大，使得蒸发与冷凝过程的相变温差减小，从而提高制冷系统的性能。由于滑移温度的大小会影响混合工质在换热器出口温度所在区域，滑移温度大的混合工质在换热器的两相区换热，气体为非过热状态，存在一定的能量损失且液击现象会对压缩机产生影响，所以，设计时应适当加大换热器面积。

2 系统模型及模拟方法

2.1 系统简介

高低温试验箱的温度范围是−70～150 ℃，当设定温度为−70～−20 ℃时，复叠制冷机组启动。复叠系统原理图如图1所示。高温级用R448A和R455A作为R404A的替代工质，低温级以R23作为制冷剂。低温部分制冷剂的冷凝放热量用于高温部分制冷剂的蒸发吸热，通过冷凝蒸发器将高温循环和低温循环连接起来，高、低温级均采用泰康压缩机CAJ2464Z，以钎焊板式换热器作为冷凝蒸发器，采用风冷翅片管式冷凝器和蒸发器，使用毛细管作为节流装置，以减少初投资。

图1 复叠式制冷系统原理图Fig.1 Schematic diagram of cascade refrigeration system

2.2 系统热力学模型

根据质量守恒和能量守恒原理建立复叠制冷系统的热力学模型，对系统进行理论计算。复叠制冷系统理论循环的压焓图如图2所示。图2中，1-1′-2′-3-4-4′-5-1 为低温循环部分，6-6′-7′-8-9-9′-10-6为高温循环部分。

图2 复叠式制冷循环p-h图Fig.2 p-h diagram of cascade refrigeration cycle

为简化理论分析的过程，在建立模型的过程中作如下假设：a.系统在稳定工况下运行，忽略振动和工质流动的能量损失；b.近似为等熵压缩过程，等熵效率取0.75；c.忽略工质节流损失以及系统管道内的压降和热损失。

低温级循环计算公式为

高温级循环计算公式为

系统压缩机总耗功

系统制冷系数

式中：Q0为系统制冷量；hi为各状态点焓值；qmh，qml为高、低温循环的质量流量；Wh，Wl为高、低温级压缩机耗功；Qk为冷凝蒸发器的热负荷；ηeh，ηel为高、低温级压缩机效率；COPh，COPl为高、低温级循环的制冷系数。

2.3 数值计算方法

本文研究的高低温试验箱所需冷负荷Q0=400 W。蒸发温度范围为−70～−20 ℃，冷凝温度范围为20～40 ℃，复叠温差∆t=5 ℃。以高温级循环蒸发温度作为中间温度，低温级循环冷凝温度则为中间温度与复叠温差之和。复叠制冷循环的中间温度应根据制冷系数最大或各个压缩机压比大致相等的原则来确定，前者对能量利用最经济，后者对压缩机气缸工作容积利用率较高，由于中间温度在一定范围内变化时对制冷系数影响并不大，所以，根据压比相等原则采用迈勒普拉萨特公式来确定中间温度的范围[20]。

式中：Tm为中间温度；T0为蒸发温度；Tk为冷凝温度；∆T为复叠温差。

应用Matlab软件编写程序，得到高、低温级各状态点的参数关系，然后调用制冷剂热物性软件REFPROP中各状态点的物性参数，通过改变蒸发温度T0、冷凝温度Tk、中间温度Tm以及高、低温级过冷度，比较3种不同高温级制冷剂的复叠系统性能的变化。

3 计算结果与分析

3.1 低温级蒸发温度对系统性能的影响

当冷凝温度为35 ℃时，R404A/R23，R448A/R23和R455A/R23系统的COP随蒸发温度的变化关系如图3中折线图所示。由图3可知，随着蒸发温度升高，3种复叠系统的COP都逐渐增大。这是因为当冷凝温度不变时，随着低温级蒸发温度的上升，低温级压缩机吸气压力升高，压比减小，所以，低温级压缩机耗功减小，系统总耗功减小，系统COP增大。蒸发温度从−70 ℃升高到−20 ℃，R404A/R23，R448A/R23 和 R455A/R23 复叠系统的COP分别从0.913升至2.306，0.963升至2.369，0.977升至2.395。由图3还可知，R455A/R23系统的COP始终高于R448A/R23和R404A/R23系统，R404A/R23系统的COP最低。随着蒸发温度上升，3种系统之间的COP差距逐渐减小，所以，蒸发温度越低，制冷剂替代效果越明显。R455A/R23，R448A/R23系统的COP最大，比R404A/R23系统高6.98%，5.53%。

蒸发温度每变化5 ℃时，系统COP的增长率如图3中柱状图所示。蒸发温度越高，COP的增长率越大。其中，R404A/R23系统的COP增长率最高，R455A/R23系统的COP增长率最低。所以，蒸发温度对R404A/R23系统COP的影响较大，对R455A/R23系统的影响最小。R404A/R23，R448A/R23，R455A/R23系统的COP增长率分别从9.13%升至10.79%，8.77%升至10.55%，8.74%升至10.52%。

图3 蒸发温度对系统COP和COP变化率的影响Fig.3 Effect of evaporation temperature on COP and the change rate of COP

高、低温级压缩机耗功随蒸发温度的变化趋势如图4中折线图所示。由图4可知，随着蒸发温度升高，3种系统高、低温级压缩机耗功均逐渐减小，系统总耗功减小，且高温级耗功明显高于低温级耗功。当蒸发温度从−70 ℃升到−20 ℃，R404A/R23R，448A/R23，R455A/R23系统的压缩机总耗功分别从0.438 kW 降到0.173 kW，0.415 kW降到 0.169 kW，0.410 kW 降到0.167 kW。由图4 还可知，R404A/R23系统总耗功始终高于R448A/R23系统，R455A/R23系统总耗功最低。蒸发温度越高，3种系统总耗功的差距越小，R404A/R23系统总耗功最大，分别比R455A/R23，R448A/R23系统高6.53%，5.24%。

图4 蒸发温度对压缩机耗功和耗功变化率的影响Fig.4 Effect of evaporation temperature on compressor power consumption and the rate of change of power consumption

蒸发温度每变化5 ℃时，高、低温级压缩机耗功下降率如图4中柱状图所示。随着蒸发温度的上升，3种系统的高、低温级耗功和总耗功下降率都逐渐增大。其中，R404A/R23系统的总耗功下降率最大，R455A/R23系统的总耗功下降率最小。高温级压缩机耗功的变化幅度大于低温级压缩机。R404A/R23，R448A/R23，R455A/R23系统高温级耗功变化率分别从9.59%增至11.45%，9.18%增至11.15%，9.16%增至11.15%。系统低温级耗功下降率从6.5%增大到7.82%。

3.2 高温级冷凝温度对系统性能的影响

当蒸发温度为−40 ℃时，3种复叠系统的COP随高温级冷凝温度的变化关系如图5中折线图所示。由图5可知，3种复叠系统COP都随着冷凝温度的增大而减小。这是由于当低温级蒸发温度不变时，随着高温级冷凝温度的升高，高温级压缩机排气压力增大，压比增大，所以，高温级压缩机耗功增加，系统总耗功增加，系统COP减小。冷凝温度从20 ℃变化到40 ℃，R404A/R23，R448A/R23和R455A/R23系统的COP分别从2.105降到 1.412，2.147降到 1.475，2.174降到 1.492。由图5还可知，随着冷凝温度升高，R455A/R23，R448A/R23系统的COP最大，比R404A/R23系统高5.7%，4.47%。

图5 冷凝温度对系统COP和COP变化率的影响Fig.5 Effect of condensation temperature on COP and the change rate of COP

冷凝温度每变化5 ℃时，系统COP的下降率如图5中柱状图所示。随着冷凝温度的升高，3种复叠系统的COP下降率均逐渐减小。其中，R404A/R23系统的COP下降率最大，R448A/R23系统的COP下降率最小。R404A/R23，R448A/R23，R455A/R23系统的COP下降率分别从9.69%下降至9.40%，9.28%下降至8.72%，9.30%下降至8.74%。所以，冷凝温度对R404A/R23系统COP的影响最大，对R448A/R23系统COP的影响最小。

高、低温级压缩机耗功与冷凝温度的变化关系曲线如图6中折线图所示。由图6可知，随着冷凝温度的升高，高、低温级压缩机耗功均逐渐增加，系统总耗功增加。冷凝温度从20 ℃升高到40 ℃，R404A/R23，R448A/R23，R455A/R23 系统的总耗功分别从 0.19 kW 升到 0.283 kW，0.186 kW升到 0.271 kW，0.184 kW 升到 0.268 kW。随着冷凝温度上升，R404A/R23系统总耗功始终高于其他2个系统，R455A/R23系统总耗功最低。随着冷凝温度升高，R404A/R23系统的总耗功最大，分别比R455A/R23和R448A/R23系统高5.36%，4.25%。

图6 冷凝温度对压缩机耗功和耗功变化率的影响Fig.6 Effect of condensing temperature on power consumption and power consumption change rate of compressor

冷凝温度每变化5 ℃时，高、低温级压缩机耗功上升率如图6中柱状图所示。随着冷凝温度的升高，3种系统的高、低温级耗功和总耗功上升率都逐渐减小。其中，R404A/R23系统总耗功上升率最大，R448A/R23系统总耗功下降率最小。R404A/R23，R448A/R23，R455A/R23系统高温级耗功变化率分别从10.73%降到10.34%，10.23%降到9.55%，10.25%增至9.58%。系统低温级耗功下降率从9.34%降到8.21%。

3.3 中间温度对系统性能的影响

在蒸发温度为-40 ℃，冷凝温度为35 ℃，冷凝蒸发器的传热温差为5 ℃的工况下，3种复叠系统的COP随中间温度的变化曲线如图7所示。由图7可知，随着中间温度的升高，3种系统的COP均呈现先增大后减小的趋势，且存在一个最佳中间温度使得COP达到最大值。这是因为随着中间温度即高温级蒸发温度增大，高温级压缩机压比减小，所以，高温级压缩机耗功减小；低温级冷凝温度随着中间温度的增大而增大，低温级压缩机压比增大，所以，低温级压缩机耗功增加。当中间温度较低时，高温级压缩机减少的功耗大于低温级压缩机增加的功耗，所以，系统COP逐渐增大，直到在某一点达到最大值；之后随着中间温度的增加，高温级压缩机减少的功耗小于低温级压缩机增加的功耗，系统COP减小。

图7 中间温度对系统COP的影响Fig.7 Effect of interstage temperature on COP

对比3种系统的性能系数，R404A/R23，R448A/R23，R455A/R23系统的COP分别在中间温度为−10.5，−14，−15 ℃ 时达到最大值，对应的最佳COP分别为1.5616，1.6324，1.6564。其中，R455A/R23系统的最佳COP分别比R448A/R23，R404A/R23系统高1.47%，6.07%，R448A/R23系统的最佳COP比R404A/R23系统高4.53%。

冷凝温度为35 ℃时，系统的最佳中间温度以及最佳COP随蒸发温度的变化关系如图8和图9所示。由图8和图9可知，随着蒸发温度的升高，3种复叠系统的最佳中间温度都逐渐增大，最佳COP也逐渐增大。这主要是因为当蒸发温度上升时，低温级压缩机入口处的密度增加，质量流量增大。虽然低温循环的单位质量制热量减小，但其质量流量增加幅度更大，所以，低温循环在中间换热器内换热量增加。高温循环为满足相同的换热量，应提高中间温度。由图8和图9还可知，在不同的蒸发温度下，R455A/R23系统的最佳中间温度最低，最佳COP最大；R404A/R23系统的最佳中间温度最高，最佳COP最小。蒸发温度从−70 ℃ 升到−20 ℃，R404A/R23，R448A/R23，R455A/R23系统的最佳中间温度分别从−21.5 ℃增大到−3 ℃，−27 ℃ 增大到−5.5 ℃，−28 ℃ 增大到−6 ℃，最佳COP分别从0.916增大到2.348，0.964增大到 2.447，0.978增大到 2.485。R455A/R23，R448A/R23系统的最佳COP最大，分别比R404A/R23系统高6.77%，5.25%。

图8 蒸发温度对最佳中间温度的影响Fig.8 Effect of evaporation temperature on optimum interstage temperature

图9 蒸发温度对最佳COP的影响Fig.9 Effect of evaporation temperature on optimum COP

3.4 高温级过冷度对系统性能的影响

通过在高温级设置回热器实现过冷。冷凝温度为35 ℃时，不同蒸发温度下3种复叠系统的COP随高温级过冷度的变化趋势如图10所示。由图10可知，在同一高温级过冷度下，蒸发温度越高，系统COP越大。在同一蒸发温度下，3种不同高温工质系统的COP均随高温级过冷度的增大而增大。这是因为高温级过冷度增大会使高温级单位质量制冷量增加，但同时回热过热度也会增大，使压缩机吸气口比体积增大，质量流量减少，还会导致高温级单位耗功增加，但是，单位理论功的增加幅度小于质量流量的减小幅度，所以高温级压缩机耗功减少，系统总耗功减少，系统COP增大。

图10 不同蒸发温度下高温级过冷度对系统COP的影响Fig.10 Effect of high temperature stage subcooling on COP of cascade system at different evaporation temperatures

高温级采用的制冷剂不同，回热过冷度对其性能的影响程度也不同[21]。随着高温级过冷度的增大，R404A/R23系统COP的增大幅度最明显，所以，高温级过冷度对R404A/R23系统的影响最大，对R448A/R23系统的影响最小。这是因为随着高温级过冷度的增大，高温级单位质量制冷量的增长率大于单位理论功的增长率，在R404A/R23系统中两者的差值最大，而在R448A/R23系统中两者差值最小。所以，R404A/R23系统COP的增长幅度最大，R448A/R23系统COP的增长幅度最小。经计算可得，在蒸发温度为−40 ℃时，高温级过冷度每提高1 ℃，R404A/R23，R448A/R23，R455A/R23系统COP的平均增长率约为0.1568%，0.0222%，0.0415%。理论分析显示，高温级过冷是对制冷循环有利的，可以使系统制冷系数增大，相同制冷量时压缩机耗功减少，能耗下降，从而实现系统的节能。但并不是过冷度越大越好，因为，过冷度的增大需要以增大回热器的面积为代价，增加了设备的费用。因此，为了既能满足一定的过冷度，又能提高性价比，实际一般取3～5 ℃的过冷度。

3.5 低温级回热过冷度对系统性能的影响

比较不同蒸发温度下3种复叠系统的COP随低温级过冷度的变化趋势，如图11所示。在同一蒸发温度下，3种系统的COP均随低温级过冷度的增大而减小。这是因为随着低温级过冷度的增大，低温级回热过热度也增大，且由于液体的比热容始终大于气体的比热容，回热过热度始终大于回热过冷度。根据能量守恒定律，低温级压缩机单位耗功增加，质量流量减少，且单位理论功增加幅度大于质量流量增加幅度，所以，低温级压缩机耗功增加，系统总耗功增加，系统性能下降。R455A/R23系统COP的下降幅度最大，R404A/R23系统COP的下降幅度最小。经计算可得，蒸发温度为−40 ℃时，低温级过冷度每提高1 ℃，R404A/R23，R448A/R23，R455A/R23系统的COP平均下降率约为0.1161%，0.119%，0.12%。所以，对于R23作为低温级制冷剂的复叠系统，在低温级增加回热过冷度对系统性能会产生不利影响。

图11 不同蒸发温度下低温级过冷度对系统COP的影响Fig.11 Effect of low temperature stage subcooling on COP of cascade system at different evaporation temperatures

4 结 论

通过建立复叠制冷系统的热力学模型，研究究了低温级蒸发温度、高温级冷凝温度、中间温度以及高、低温级过冷度对R455A/R23，R448A/R23，R404A/R23这3种复叠制冷系统性能的影响，得出以下结论：

a.随着低温级蒸发温度的升高，R455A/R23，R448A/R23系统的COP最大比R404A/R23系统高6.98%，5.53%。R404A/R23系统COP的增长幅度最大，R455A/R23系统COP的增长幅度最小。

b.随着高温级冷凝温度升高，R455A/R23，R448A/R23系统的COP最大比R404A/R23系统高5.7%，4.47%。R404A/R23系统COP的下降幅度最大，R448A/R23系统COP的下降幅度最小。

c.复叠制冷系统存在最佳中间温度，使得COP达到最大值。R455A/R23系统的最佳中间温度低于R404A/R23和R448A/R23系统，R455A/R23和R448A/R23系统的最佳COP最大，分别比R404A/R23系统高6.77%，5.25%。

d.随着高温级过冷度的增大，3种复叠系统的COP均逐渐增大。R404A/R23系统COP的增加幅度最大，R448A/R23系统COP的增加幅度最小。随着低温级过冷度的增大，3种复叠系统的COP均逐渐减小，R404A/R23系统COP的下降幅度最小，R455A/R23系统COP的下降幅度最大。

e.R448A/R23和 R455A/R23系统性能相近，相比于R404A制冷剂，采用R448A和R455A作为高温工质的复叠制冷系统性能更好，可以提高系统能效，具有良好的应用前景。但R448A和R455A在定压相变过程中存在温度滑移，尤其是R455A，要实现与R404A系统相同的制冷量和性能系数，需要优化制冷剂流动设计，增加系统换热器的传热面积，或者采用高性能的传热材料以提高传热效率。