低温工况下不同制冷系统对比分析

王方旭，邹同华

（天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津300134）

目前，随着中国的经济和高新技术发展，包括医学、化工、食品、军工、生物科技等越来越多的行业的关键技术和工艺都需要在特殊的低温环境下研究，从而对于低温制冷的需求越来越多[1]。在需要制取较低的蒸发温度时，只用单级压缩制冷系统很难制取到所需要的蒸发温度。想要获得较低的蒸发温度，单级压缩制冷系统显然是不合适的，最常用制取较低温度的制冷方式有双级（多级）压缩制冷循环、两级复叠式制冷循环、三级复叠式制冷循环等。本文介绍了双级压缩制冷系统和复叠式制冷系统，通过比较双级压缩制冷系统和复叠式制冷系统各自的优缺点，从而分析两者各自所适用的低温制冷环境场合。和二级节流循环[3]。

1 双级压缩制冷循环

1.1 双级压缩制冷原理简介

所谓双级压缩制冷循环，一般是使用两台压缩机，分别为低压级压缩机和高压级压缩机。双级压缩制冷循环的工作原理如图1所示，制冷剂气体从蒸发压力提高到冷凝压力的过程分2个阶段，第一个阶段先经低压级压缩机压缩到中间压力，第二个阶段中间压力下的气体经过中间冷却后再到高压级压缩机进一步压缩到冷凝压力，往复循环完成一个制冷过程。在制取低温时，双级压缩制冷循环的中间冷却器降低了高压级压缩机制冷剂的入口温度，同时也降低了同一压缩机的排气温度[2]。由于双级压缩制冷循环将整个制冷过程分成2个阶段，所以会导致每个阶段的压缩比相对于单级压缩降低不少，对设备强度的要求降低，使制冷循环的效率大大提高。两级压缩制冷循环按照中间冷却方式的不同分为中间完全冷却循环和中间不完全冷却循环；若按照节流方式又可以分为一级节流循环

图1 双级压缩制冷循环系统原理图

1.2 双级压缩制冷剂种类

双级压缩制冷系统大多选择中低温制冷剂，从而使系统可以同时满足中温和低温的温度环境。但绝大多数制冷剂都会对环境有破坏作用，由于它们被长期使用和较高的GWP值[4]，所以寻找并使用环境友好型制冷剂变得尤为重要。实验研究表明，R448A、R455a在能效方面是R404A的良好替代品[4]。与氢氟烃替代品相比，CO2作为环境友好型工质，是氢氟烃制冷剂的潜在替代品，具有良好的环境特性[5]。但是用CO2替代R134a会使系统性能恶化，特别是在较高的环境温度下，CO2系统的压力相当高，需要对关键部件进行特殊处理，特别是压缩机[6]。

1.3 双级压缩制冷的优化研究

双级压缩制冷循环系统的优化研究是当下的热点之一，刘业凤等[7]等通过对系统的中间冷却器和空气冷却器的管排数优化分析，发现增加中间冷却器的管排数的同时，减少空气冷却器中的管排数，可以在增大中间冷却器的换热面积的同时减少由于空气冷却器中管排数较多导致空气回到其入口，通过以上改进可以降低2℃左右的中间冷却器进口温度，同时还能保证空气冷却器的冷却效果。杨永安等[8]保持低压级压缩机的频率恒定，改变高压级压缩机的频率，从而改变高压级压缩机的气体输气量之比，蒸发温度恒定为-20℃时，COP最大值为3.374，最大COP对应的输气量比为1.819。刘圣春等[9]对比了几种常见的CO2跨临界双级压缩制冷系统后得出结论，由于气体冷却器的出口温度和低压级压缩机的效率在给定压力时对循环的影响大，所以如果想提高系统效率，就要降低气体冷却器出口温度和选择运行效率高的低压级压缩机。

2 复叠制冷循环

2.1 两级复叠制冷原理简介

两级复叠制冷循环的工作原理如图2所示，冷凝蒸发器作为高温级制冷循环的蒸发器同时也负担着低温级制冷循环的冷凝器的作用。复叠制冷系统采用了几个单独的制冷系统，它们使用不同的制冷剂，通过冷凝蒸发器换热，以实现较低的工作温度和合理的冷凝压力。但是如果考虑到经济性，使用复叠制冷系统经济性是较差的，因为不同的制冷系统必须同时运行，驱动两台或多台压缩机的功率很高。所以只有在使用复叠制冷系统制取较低蒸发温度时比较有效。

图2 两级复叠制冷循环系统原理图

2.2 三级复叠制冷原理简介

三级复叠制冷循环的工作原理如图3所示，它由3个单级制冷压缩循环叠加组成，其中第一级冷凝蒸发器作为高温级制冷循环蒸发器的同时也负担着中温级制冷循环中冷凝器的作用，第二级冷凝蒸发器作为中温级制冷循环蒸发器的同时也负担着低温级制冷循环中冷凝器的作用。

图3 三级复叠制冷循环系统原理图

2.3 复叠制冷剂种类

在复叠制冷系统中，对于两级复叠系统来说，高温级使用的是中温制冷工质，低温级使用的是低温制冷工质；对于三级复叠系统来说，高温级使用的是高温制冷工质，中温级使用的是中温制冷工质，低温级使用的是低温制冷工质。系统所使用的制冷工质应与制冷系统中的设备和管路等材质兼容，不腐蚀、不氧化，有较稳定的化学性质，且与润滑油不互溶。

R404A既不破坏臭氧层，又有较高的单位容积制冷量，所以R404A可暂时作为替代R22和R502的中长期替代物[10]。低温级的制冷循环中通常采用R23和R508B作为制冷剂，但R23的GWP较高，是强温室气体；R23在实际制冷系统应用时，最大的缺点是损坏压缩机运动部件，且会分解润滑油，导致电机短路等危险[11]。虽然R508B的GWP也较高，但其ODP为0，且在单位容积制冷量上有明显优势[12]，所以应优先考虑R508B作为复叠制冷系统低温级制冷剂。由于臭氧层的破坏和温室效应的加剧，对自然环保型的制冷剂研究变得更加重要，尤其对以R717/R744为复叠制冷系统工质的研究越来越多。从国内外对于复叠制冷系统中制冷剂组的研究大趋势上来看，自然环保型的制冷剂正在慢慢取代对环境造成破坏的制冷剂。

2.4 复叠制冷的优化研究

近几年对于复叠制冷系统的优化研究体现在多方面。

HASHMI等[13]建立了基于复叠制冷变温系统能效分析的热力学模型。增加蓄冷器和制冷剂回路，提高了能效，减小了压缩机的尺寸，使系统更加节能。刘秀芳等[14]提出了一种双运行复叠制冷系统，该制冷系统设置了一个中间回热器，运行稳定，可达到-60℃的制冷温度。根据计算，系统的COP会随着低温级循环压比增加而增至1.1。李军[15]通过计算发现在-55℃左右的蒸发温度时，蒸发器减少1℃的传热温差，可以增大系统3.7%的制冷量，提高2.2%的系统COP值；同时提出可以在低温级循环内加入排气冷却器用于压缩机排气的冷却来减少冷凝蒸发器的热负荷，从而提高能效比。刘井龙等[16]通过对复叠制冷系统中润滑油的选择和分离的研究表明，低温级制冷循环中的润滑油除了具有普通制冷剂润滑油的特性外，还应该保证润滑油拥有较低的倾点温度（能够保证流动的最低温度），并提出在低温级制冷循环系统中应设置一个高效的油分离器。同时，将膨胀容器添加到低温阶段循环中，以防止由于低温阶段制冷循环的高气化压力而导致单元的高设计压力。

对三级复叠制冷系统研究更多的还是针对制冷剂组选择的优化，SUN等[17]采用热力学分析方法研究了运行参数随蒸发温度的变化，结果表明，R1150在低温循环中能替代R14；R41和R170可在中温循环中替代R23；R170被优先推荐使用。孙志利等[18]通过对比R1150/R170/R717、R50/R170/R717、R14/R170/R717三组制冷剂组研究发现，R1150/R170/R717的COP和热力学完善度最大、㶲损失最小、㶲效率最大。

3 对比分析

所需蒸发温度在-30℃～-60℃时，通常采用中温制冷剂的双级压缩制冷系统[19]；在-60℃蒸发温度以下时复叠式制冷与双级压缩制冷相比，吸气压力更高、压缩机效率更高、蒸发温度更低。因此复叠式制冷应用在低温区间效率更高，是很有应用前景的低温制冷系统[20]。但是两级复叠制冷循环所制取的蒸发温度有限，在低于-80℃时，由于压缩机的压比限制，两级复叠制冷系统显然是不合适的[17]。在这种情况下，三级复叠制冷系统更加合适，通过3个制冷循环的复叠来制取较低的温度，三级复叠制冷系统可以制取到-120℃的低温环境。

4 结论

本文重点分析了在制取不同低温环境时最常用到的双级压缩制冷系统、两级复叠式制冷系统和三级复叠制冷系统的工作原理、适用制冷剂的种类以及近些年对这3类制冷系统的优化改进。

通过对比分析发现当所需的制冷温度高于-60℃时，双级压缩制冷系统的效率普遍高于复叠制冷系统；当所需制冷温度低于-60℃时，复叠制冷系统的效率普遍会高于双级压缩制冷系统；当所需制冷温度低于-80℃时，三级复叠制冷系统相比较两级复叠制冷系统来说是更加合适的。

由于绝大多数制冷剂对环境有破坏作用，所以对于像氨、二氧化碳等自然工质的研究将成为所用制冷剂未来的主要方向。