刘 寒 谢 晶 王金锋 -

(1. 上海海洋大学食品学院，上海 201306；2. 上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心，上海 201306；3. 上海冷链装备性能与节能评价专业技术服务平台，上海 201306；4. 食品科学与工程国家级实验教学示范中心〔上海海洋大学〕，上海 201306)

低温环境下的科学试验、组织器官的保存、特殊食品的加工生产(冰激淋的速冻，金枪鱼的保存等)等都需要-50 ℃以下的温度。要实现-50～-80 ℃的大型超低温制冷系统，一般采用复叠式制冷循环。目前，对于该制冷系统研发最受关注的是降低系统能耗及制冷剂的替代。沈九兵等[1]通过变蒸发温度，冷凝温度等参数的方法对R134a/CO2复叠式制冷系统进行试验研究得出：复叠式制冷系统性能的优劣主要取决于低温端压缩机容积效率的高低。汪磊等[2]通过建立R404A/R23复叠式压缩制冷系统的热力学模型，研究了在某一运行工况下，中间温度对制冷剂流量、制冷系数与压缩机轴功率等系统运行参数的影响。Aminyavari等[3]通过试验研究具体分析了NH3/CO2复叠式系统的高效性、节能性和环保性。王炳名等[4]通过试验得出：NH3/CO2复叠式系统不同的运行工况对系统COP的影响规律。

20世纪，因氟利昂被发现具有良好的热力学特性，无毒不燃且价格适中而广泛被应用于制冷中，但后续研究发现氟利昂制冷剂的使用会破坏臭氧层[5]。因此新型制冷剂的探索对低温制冷领域的研究也显得更加重要[6-7]。Keumnam等[8]在复叠式制冷系统中对R23替代R13作了研究。R404A相比R22具有良好的热力学特性且物理特性接近于纯制冷剂，是一种无氯非共沸制冷剂且温度滑移较小，因此可以作为R22的中长期替代品[9]。王维等[10]采用R404A/R23替代R22/R13设计了复叠式机组，表明在-45～-60 ℃低温范围内，使用R404A/R23的机组较R22/R13除了制冷量略有降低，其他系统性能明显提升。试验依托自行设计的R404A/R23复叠式超低温制冷试验台，采用控制单一变量的方法，研究蒸发温度与冷凝温度对复叠式制冷循环中压缩机压缩比、排气温度、吸气压力、制冷剂流量和制冷系数的影响程度。

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

试验在自制的R404A/R23复叠式超低温制冷试验台上进行，试验台原理图见图1。复叠式制冷系统高温段和低温段的部件、附件及管路等组装在一个公共框架上，成为一个整体。高温端使用R404A制冷剂，低温部分使用R23制冷剂，中间温度按照高低温级压缩比大致相等的原则确定[11]。R404A/R23复叠式超低温试验台的冷库内装有4个电加热模块，每个模块功率1.5 kW，可进行0～100%无级调节，4个风机分别安装在电加热后面使库内温度分布均匀；通过电动水阀调节冷却水流量以控制系统冷凝温度。该系统的运行监控采用LabVIEW进行编程，再通过OPC协议对系统内PLC各类传感器进行绑定，从而达到机组及库内运行数据实时传输，采集及控制功能。库内随机分布50个WZP-205SPT100热电偶。并且试验通过温度、压力传感器分别对机组布置14个温度测点，8个压力测点，另外，通过在低温端布置1个流量计监测制冷剂流量，在机组布置4个电流测量计测量机组实时运行电流。机组控制是通过电气控制系统，触摸屏及以太网络等装置实现。因此，该系统各运行数据(如温度、压力、流量等)都可以通过传感器进行自动采集，且R404A和R23制冷剂在复叠式压缩制冷各个状态下的运行参数可以通过NIST REFPROP 8.0 软件进行计算。

1. 高温级压缩机 2. 高温级油分 3. 冷凝器 4. 高温级回热器 5. 高温级节流装置 6. 蒸发冷凝器 7. 高温级气液分离器 8. 低温级压缩机 9. 低温级油分 10. 低温级回热器 11. 低温级节流装置 12. 冷库风机 13. 搁架式蒸发器 14. 膨胀容器

图1 R404A/R23复叠式超低温制冷系统原理图

Figure 1 Schematic diagram of R404A/R23 cascade ultra-low temperature refrigeration system

1.2 试验方法

1.2.1 控制单一变量法 对R404A/R23复叠式超低温制冷系统性能评定时取该系统为满负荷(6 kW)。采用控制单一变量的方法进行试验以及数据分析：① 冷凝温度保持在32 ℃，通过电加热0～100%无级调节，依次调节蒸发温度；② 蒸发温度保持在-55 ℃，通过设定电动水阀参数调节冷却水流量，依次调节冷凝温度。

1.2.2 蒸发温度调节 打开冷却水总阀，开启风机与电加热装置，运行复叠式压缩制冷试验台；设置电动调节阀开度，待冷凝温度稳定在32 ℃前提下：① 调节电加热功率，待库内蒸发温度稳定在-65 ℃时，记录机组运行数据；② 在控制面板上改变电加热装置设定值，重复以上步骤，待蒸发温度分别稳定在-60，-55，-50，-45 ℃时记录机组运行数据。

1.2.3 冷凝温度调节 运行复叠式压缩制冷试验台，分别设定4个电加热开启度为10%，此时蒸发温度稳定在-55 ℃时，打开电动水阀调节冷却水流量：① 设置冷却水调节阀开度，检测到冷凝温度稳定在28 ℃后记录数据；② 调节电动水阀开度，重复以上步骤，分别待冷凝温度稳定在30，32，34，36 ℃时记录机组运行数据。

2 复叠式循环理论分析

2.1 R404A/R23复叠式系统制冷循环过程分析

图2(a)为R404A/R23复叠式系统制冷循环流程图，冷凝蒸发器中蒸发器与冷凝器传热温差取5 ℃。在R404A/R23复叠式超低温制冷系统中低温端过热30 ℃，高温端过热15 ℃。图2(b)为该系统的压焓图。

1-2-3-4-5-6-1为低温端循环过程，1′-2′-3′-4′-5′-6′-1′为高温端循环过程

2.2 主要技术参数计算公式

对于制冷剂为R23的低温端循环：

q0=h1-h5，

(1)

(2)

VS=G·v2；

(3)

对于制冷剂为R404A的高温端循环：

q0′=h1′-h5′，

(4)

(5)

VS′=G′·v2′，

(6)

式中：

h、h′——高低温端各状态点的焓值，kJ/kg；

q0、q0′——高低温端单位制冷量，kJ/kg；

Q——低温端循环制冷量，kW；

G、G′——高低温端循环制冷剂流量，kg/s；

v2、v2′——高低温端压缩机吸气点的比容，m3/kg；

Vs、Vs′——高低温端压缩机理论输气量，m3/h。

通过以上系统循环过程及计算公式对试验数据进行初步分析，若保持系统冷凝温度不变，随着蒸发温度的下降，高低温端制冷剂流量的变化趋势是有所不同的，但高低温端制冷系数都会有所下降。若保持系统蒸发温度不变，随着冷凝温度的上升，高温端和低温端制冷系数及系统制冷系数都随冷凝温度的升高而降低。

3 结果与分析

3.1 蒸发温度对系统性能的影响

当冷凝温度为32 ℃，随着蒸发温度的变化(-45，-50，-55，-60，-65 ℃)，系统压缩比、排气温度、吸气压力、制冷剂流量的变化见图3～7。

图3 压缩比随蒸发温度的变化曲线

图4 排气温度随蒸发温度的变化曲线

从图3和4可以得出：随着蒸发温度从-45 ℃降低至-65 ℃，高温端及低温端压缩机压缩比从4.0增加到6.4，高低温端压缩比的增大，会恶化压缩机的运行状态，进而使高低温端压缩机排气温度升高，且当蒸发温度降低到-65 ℃时，低温端压缩机排气温度达到82 ℃，但是高低温端排气温度升高趋势比较平缓。

图5 压缩机吸气压力随蒸发温度的变化

图6 制冷剂流量随蒸发温度的变化

从图5可以看出：压缩机高低温端吸气压力都随蒸发温度的降低而减小，其主要原因是蒸发温度的降低导致蒸发压力下降，致使低温端吸气压力减小；但在蒸发温度为-65 ℃时，其他压缩方式可能会出现吸气压力小于大气压以至负压运行的情况，但R404A/R23复叠式制冷系统吸气压力始终在高于大气压的工况下运行，有效保证了该系统运行的安全性。从图6可以看出低温端制冷剂流量略有下降，高温端制冷剂流量略有提升，主要原因是对于低温端，当蒸发温度降低时，导致压缩机吸气压力下降，制冷剂比体积随之增大，因而低温端制冷剂流量降低；对于高温端，因蒸发冷凝器换热温度升高，所以使制冷剂流量略有提升。

由图7可知，高温端和低温端制冷系数都随蒸发温度降低而降低，但是高温端制冷系数明显高于低温端。表1是蒸发温度每降低5 ℃时系统制冷系数的变化率，即当蒸发温度每下降1 ℃时，系统制冷系数平均下降1.26%～2.10%，在-50～-55 ℃区间，系统制冷系数下降最快，达到2.1%/℃。因此在冷库实际运行中，若能满足被冷冻物的温度要求，应尽量提高蒸发温度，在保证良好冷冻效果的同时尽可能地减少能耗。

图7 制冷系数随蒸发温度的变化

Table 1 The variation of refrigeration coefficient of cascade system with evaporation temperature

蒸发温度/℃蒸发温度每降低5 ℃时COP变化率/%-656.3-605.9-5510.5-509.5-45--

3.2 冷凝温度对系统性能的影响

在R404A/R23 复叠式压缩制冷循环系统中，设定蒸发温度为-55 ℃，通过电动水阀调节冷却水流量，依次调节冷凝温度为28，30，32，34，36 ℃，冷凝温度对系统性能的影响见图8～12。

由图8可知，随冷凝温度从28 ℃升高到36 ℃，高温端压缩比从5升高至6，主要原因是冷凝压力随着冷凝温度的升高，导致压缩比增大，压缩比的增大会使压缩机的效率及输气量显著下降，但是从图8中可以看出高温端与低温端压缩机压缩比均小于8。由图9可知，随着冷凝温度的升高，高低温端压缩机排气温度都随之增大，且当冷凝温度为36 ℃时，低温端排气温度升至最高(90 ℃)。由于排气温度的升高有可能会导致压缩机润滑油炭化，使压缩机运行条件变差，从而影响系统运行的可靠性，因此，有效控制压缩机排气温度对系统安全运行至关重要。

由图10可知，压缩机吸气压力随冷凝温度的升高而增大，冷凝温度从34 ℃升至36 ℃时，压缩机吸气压力升高较缓。由图11可知，高温端与低温端制冷剂流量都随冷凝温度升高而增加，主要因为R404A/R23复叠式制冷系统蒸发温度较低，对应蒸发压力也较低，制冷剂比体积增大，最终导致制冷剂流量降低；从图11中还能看出高温端制冷剂流量明显高于低温端制冷剂流量，虽然较高的制冷剂流量在换热器中能够增加换热效率，但是也会加大压缩机的功耗以及增大冷凝器负荷。

从图12可以看出，高温端和低温端制冷系数及系统制冷系数都随冷凝温度的升高而降低。表2为冷凝温度每升高2 ℃系统制冷系数的变化率，即冷凝温度每升高1 ℃ 系统制冷系数平均下降1.2%～1.7%，且当冷凝温度为28～30 ℃时，系统制冷系数下降最快为1.7%。与随蒸发温度变化的制冷系数变化趋势相比，变冷凝温度的制冷系数变化更加平缓。

图8 压缩比随冷凝温度的变化规律

图9 排气温度随冷凝温度的变化规律

图10 压缩机吸气压力随冷凝温度的变化

4 结论

(1) 试验具体分析了当蒸发温度每下降1 ℃或冷凝温度每升高1 ℃时，复叠式系统运行性能的变化规律：当蒸发温度从-50 ℃降至-55 ℃时，系统制冷系数下降最快，达到2.1%；当冷凝温度从28 ℃升至30 ℃时，系统制

图11 制冷剂流量随冷凝温度的变化

图12 制冷系数随冷凝温度的变化

Table 2 The variation of refrigeration coefficient of cascade system with condensing temperature

冷凝温度/℃冷凝温度每升高2 ℃时COP变化率/%362.4343.0323.2303.428--

冷系数下降最快为1.7%。且蒸发温度下降1 ℃比冷凝温度上升1 ℃对系统性能系数影响更大。因此，在复叠式制冷系统的实际应用中，有效控制蒸发温度不仅能提高制冷系统效率，而且对提高制冷系统运行稳定性极其重要。

(2) 因为该系统装有回热器，当蒸发温度为-55 ℃，冷凝温度从34 ℃升至36 ℃时，压缩机吸气压力升高较缓，但压缩机排气温度最高达90 ℃，通过对该组重复性试验所得数据进行分析，发现这种现象的出现和制冷剂蒸气进入压缩机前过热度的变化有关，因此回热器过热度对压缩机排气温度的具体影响规律，之后可进行深入研究。