基于船用自复叠式制冷系统的低温混合制冷剂应用研究

杨志强,贺 波,刘鹏飞,丁 智

(1 浙江大学海洋学院,浙江 舟山 316021;2 捷胜海洋装备股份有限公司,浙江 宁波 315806;3 中国船舶集团有限公司第七一一研究所,上海 201203)

渔船捕捞业是中国渔业的重要组成部分。2020年末,中国有渔船56.33万艘,其中机动渔船37.48万艘[1],大多数机动渔船为保证渔获物的品质而配备冷冻及冷藏系统,制冷温度一般在-60 ℃～-18 ℃[2]。目前,中国渔船制冷系统几乎全部使用蒸气压缩膨胀系统,且制冷剂以R22(二氟一氯甲烷)为主[3]。R22作为第二代制冷剂中的优秀代表,最早应用于20世纪30年代,因其热力学性能优越,价格低廉,加之彻底改善了制冷剂可燃性和毒性的缺陷,曾在世界范围内广泛应用[4],但在70年代被确定对臭氧层具有破坏作用,其消耗臭氧潜能值(ODP)为0.05[5]。1987年,关于臭氧层消耗物质的蒙特利尔议定书(UNEP1987)获得通过。议定书约定,发达国家和发展中国家最晚将分别于2020年和2030年全面禁止使用R22制冷剂[6]。

中国渔业船舶制冷行业加快淘汰第二代制冷剂,根据《国内海洋渔船法定检验技术规则》[7](2019)规定,在2020年1月1日或以后建造的渔船禁用含氢化氯氟烃(第二代制冷剂)制冷装置,这比国际限定的淘汰进度提前了10年[8]。因此寻找理想的替代制冷剂迫在眉睫,理想的制冷剂除了有较低的ODP和GWP值外,还需具备良好的安全性、经济性和优良的热物性等优点[9]。根据目前的研究,从理论上有三类制冷剂具备取代R22在渔船上应用的潜力。1)混合制冷剂[10],R407C、R404A等;2)HFC类纯制冷剂[11],R32(二氟甲烷)等;3)自然工质[12],R290(丙烷)、NH3(氨)、CO2(二氧化碳)等。

近些年来,国内外学者[13-17]针对替代制冷剂做了大量研究,混合制冷剂以其优秀的热物性能,成为替代制冷剂研究的主流趋势[18]。此外,在远洋渔船作业中,一些特殊渔获物通常需在低温下进行冷冻保存[18],比如金枪鱼为-50 ℃冷藏、-55 ℃冻结[19],南极磷虾为-35 ℃冷藏、-40 ℃冻结[20]等。目前在渔船的制冷系统中实现该低温环境主要通过单机双级压缩制冷系统和复叠式制冷系统[21-23]。

国内很多学者针对单机双级活塞式压缩制冷系统开展了研究。杨富华等[24]介绍了国产自主开发的超低温金枪鱼延绳钓船用制冷系统,该制冷系统以R22为制冷剂,采用的是双级压缩制冷机组,蒸发温度可达-70 ℃。蔡秀安[25]设计了以R22为制冷剂的-60 ℃超低温渔船制冷系统,该制冷系统采用单机双级压缩制冷机组,简化了系统,确保了系统的安全运行。汪磊等[26]针对船用超低温R404A单机双级制冷系统开展了模拟仿真和试验验证研究,研究表明,当蒸发温度上升或冷凝温度下降5 ℃时,蒸发温度对制冷系数的影响较冷凝温度高7.8%以上。

同时,也有一批学者针对复叠式制冷系统开展研究。赵瑞昌等[27]运用EES 软件对复叠式循环与双级压缩式循环进行了模拟对比研究,结果表明蒸发温度对复叠循环和双级压缩循环系统的COP均有很大的影响,在蒸发温度较低工况下,复叠式循环COP更高。刘寒等[21]对R404A/R23复叠式制冷系统开展仿真与试验验证研究,结果表明当冷凝温度为40 ℃,蒸发温度分别为-65 ℃、-60 ℃、-55 ℃时,复叠式系统制冷系数分别高于单机双级系统21.33%、22.25%、22.18%,在-65 ℃～-55 ℃运行工况下,复叠式系统制冷系数明显高于单机双级制冷系统。

随着R22制冷剂被禁止使用,开发基于环保型制冷剂的高效紧凑制冷系统迫在眉睫。自复叠制冷系统使用混合制冷剂并通过单台压缩机实现多级复叠,可获得-65 ℃以下的低温,极大地简化了制冷系统。因此基于自复叠制冷系统开展-65 ℃的渔船制冷系统低温混合制冷剂的应用研究,不仅可以简化系统,还可以替代现有R22制冷系统,对渔船用低温制冷系统和混合制冷剂的应用具有重要意义。

1 循环系统建立及制冷剂选择

1.1 单机单级自复叠制冷循环设计

图1为单级自复叠制冷系统流程图,区别于常规的单级制冷系统。

图1 单级混合制冷剂自复叠制冷系统Fig.1 Single-stage self-cascading refrigeration system

所构建的回热式系统充分利用混合制冷剂相变范围宽的特点,利用不同组元间相变温区的差异实现制冷剂的梯级冷却,最终实现高、低压制冷剂间的良好换热温度-负荷匹配,为此所构建系统在传统系统的基础上增加回热换热器。

采用化工流程模拟软件对制冷系统进行流程模拟计算,该系统运行时的T-s图如图2所示。工作过程为:回热换热器出口的低压制冷剂经过压缩机单级压缩至高温高压状态点2,经过冷凝器换热降温至状态点3,进入回热换热器后与反流低温低压制冷剂换热冷却至状态点4,实现节流前过冷;经过节流阀节流降温至状态点5后进入蒸发器提供冷量,温度升高至状态点6,进入回热换热器冷却高压来流混合制冷剂,恢复至状态点1,系统完成一个循环。

图2 单级混合制冷剂自复叠制冷系统T-s图Fig.2 T-s diagram of single-stage self-cascading refrigeration system

在设备方面,所构建的单级混合制冷剂回热式制冷系统相较于传统系统仅增加回热换热器,大大简化了传统两级压缩制冷系统,缩小了压缩机尺寸大小和降低压缩机选型难度,同时减少了与两级压缩制冷系统中对应的油分器和冷凝器数量,在降低系统设备成本方面具有明显优势。

1.2 新型环保型混合制冷剂筛选

船用制冷剂的筛选是一个较为复杂的问题,需要考虑众多因素。1)考虑环保的要求,理想制冷剂的ODP应为0,GWP应尽量小。2)考虑制冷温度的需求,选择适用于不同制冷温度的制冷剂,要在满足制冷温度的前提下,制冷剂的运行冷凝压力不超过压缩机安全使用条件的规定值。3)考虑制冷剂的性质,根据制冷剂的热物性和化学性质,选择无毒、稳定、不可燃的制冷剂,且传热好、阻力小,与制冷系统材料相容性好。4)其他热力性质:制冷剂的比热容要小,以减少节流损失;绝热指数要低,以避免压缩机的排气温度过高;单位容积制冷能力要大,以使制冷机组尺寸紧凑。5)制冷剂的易得性,价格要低。潜在制冷剂的基本物理性质如表1所示。

表1 潜在制冷剂的基本物理性质Tab.1 Basic physical properties of the potential refrigerants

制冷剂的相变行为是制冷循环实现制冷的本质,对于不同的制冷系统,制冷剂的筛选原则不同。制冷剂的基本热力学性质有常压沸点、三相点、临界数据、温室效应潜值(GWP)和臭氧层消耗潜值(ODP)等。常规单级制冷循环(采用纯工质或相变温度滑移小的工质)进行制冷剂筛选时,主要取决于与制冷温度对应的相变温度,筛选难度低。对于混合制冷剂回热式制冷系统,其利用的是混合制冷剂相变温度滑移特性以改善制冷剂的换热温度匹配。为此,系统中制冷剂的选择要具有与制冷温跨相对应的相变温度滑移,即在大温跨制冷时,构成混合制冷剂的高、低沸点制冷剂间的常压沸点差要相应大。因此,为满足制冷要求,考虑到工质环保性、安全性以及工质获取的难易,主要以工质常压沸点作为筛选标准,初步筛选出以下潜在制冷工质,如表1所示。具体可以分为低于目标制冷温度的低温区组元,接近目标温区的正常工作温区组元,介于目标温区及环境温区的中间温区组元,以及接近环境温区的高温区组元。

结合表1可知,除较低温区的Ne、N2和Ar外,不可燃工质的可选范围以各类卤代烃(氟利昂)为主,混合制冷剂内部的每一组元均有有效工作温区,因此选配混合制冷剂时应基于单工质的有效温区,考虑不同组元在制冷工作压力内能够实现有效的接力匹配,提升制冷系数。针对本研究所需制冷温区,选取R14/R23/R134a/R245fa作为较为理想的组合。图3为当节流阀前后压力分别为2 MPa与0.1 MPa时,所选4种纯组元工质及其混合物(以比例为0.35/0.36/0.1/0.19为例)的等温节流效应ΔhT,由图3可以看出,混合制冷剂不仅实现了等温节流效应的接力匹配还满足所需制冷温度需求,因此所选各纯组元满足制冷需求且通过调节各组元间的比例可实现高效制冷。

图3 混合物与纯组元在全温区的等温节流效应Fig.3 Isothermal throttling effect of mixtures and pure components in the full temperature region

2 热力循环计算与分析

2.1 热力学模型

气液相平衡数据是获得混合物热力学性质的基础,Peng-Robinson状态方程(简称P-R方程)广泛应用于热力参数计算[28]:

(1)

(2)

(3)

kPR=0.374 64+1.542 26ω-0.269 92ω2

(4)

(5)

式中:R为气体常数,R=8.314 J/(mol·K);v是摩尔体积,m3/mol;ω为偏心因子;Tc是临界温度,K;pc是临界压力,Pa。

混合物计算时有[29]:

(6)

(7)

(8)

式中:kij=kji,为二元相互作用参数。

结合图2自复叠制冷系统的T-s图,该系统热力参数计算如下[30]:

单位制冷量:

q0=h5-h6

(9)

理论比功:

wc=h2-h1

(10)

制冷系数COP:

(11)

2.2 混合制冷剂自复叠制冷循环热力计算分析

制冷剂的组元浓度配比对于系统效率具有较大影响,针对图1所示的自复叠制冷系统,蒸发温度设置为-65 ℃,额定制冷量为35 kW[25],以不同制冷剂组元配比进行制冷系统热力分析。分别选取二元组分R14/R134a、R14/R245fa,三元组分R14/R23/R134a、R14/R23/R245fa,四元组分R14/R23/R134a/R245fa作为混合制冷剂进行系统循环分析。

当选择二元组分R14/R134a和R14/R245fa作为混合制冷剂进行制冷循环时,分别调整二元组分占比,寻找满足系统需求及运行工况的最佳组分配比,表2为R14/R134a组合系统参数比较,不同的制冷剂浓度配比对于系统性能及压力、温度工况都具有明显的影响。二元混合制冷剂体系中,组元浓度过高或过低都对系统效率造成不利影响。低沸点组元含量高时,系统运行压力高,排气温度与节流前温度都高。

表2 混合制冷剂R14/R134a系统性能参数Tab.2 Performance parameters of mixed refrigerants R14 and R134a

表3为R14/R245fa制冷系统性能参数对比,由于制冷剂R245fa的常压沸点高,受回热温度低的影响,导致低压侧制冷剂压缩前不能实现过热,存在吸气带液问题,不能满足制冷系统的限制要求。随着混合制冷剂中高沸点组元R245fa含量减少,系统的吸气带液问题得以解决。但是,从计算结果看,应用混合制冷剂R14/R245fa时,系统的制冷系数并未得到提升。

表3 混合制冷剂R14/R245fa系统性能参数Tab.3 Performance parameters of mixed refrigerants R14 and R245fa

表4为选择R14/R23/R134a作为混合制冷剂时相关性能参数,相对于二元体系R14/R134a系统,加入R23组元并未使系统性能提升,这是因为其相变温度滑移变小,使得制冷剂高压、低压侧无法实现较好的温度-热量匹配。

表4 混合制冷剂R14/R23/R134a系统性能参数Tab.4 Performance parameters of mixed refrigerants R14,R23 and R134a

当在R14/R245fa系统中加入R23进行系统循环计算,结果如表5所示,该系统制冷系数相较于前述混合制冷剂体系而言,有了较大幅度的提升。所研究的混合制冷剂体系的制冷系统COP可达0.9以上,并且由于高沸点组元R245fa的引入,使得系统运行温度及压力更为合理,排气压力为1 600 kPa左右,并且压比都在4以下,排气温度也低于80 ℃。

表5 混合制冷剂R14/R23/R245fa系统性能参数Tab.5 Performance parameters of mixed refrigerants R14 ,R23 and R245fa

当选取四元制冷剂组合作为制冷工质时,通过调节组元浓度配比得出不同工况下热力参数及回热换热器内部换热曲线,计算结果如表6所示。

表6 混合制冷剂R14/R23/R134a/R245fa系统性能参数Tab.6 Performance parameters of mixed refrigerants R14 ,R23,R134a and R245fa

当高沸点组元含量较高时,系统COP较低,如Mix 1 和Mix 2,这是因为制冷剂在回热器中较高温度区间内的换热温差大,换热匹配差,如图4所示。

图4 高沸点组分占比大的换热曲线Fig.4 Heat transfer curves with large proportion of high boiling point components

图5为Mix 3、Mix 4、Mix 5 与Mix 6四种组元配比下回热器换热曲线。根据得到的换热曲线判断所需的制冷剂组元,调节制冷剂中工质的浓度配比,在效率较好的算例中,中间组元的加入使得系统的性能得到了一定程度的改善,如当制冷剂组元配比为R14/R23/R134a/R245fa(0.35/0.36/0.1/0.19)时,系统的制冷COP可达1.037,相应的排气压力与吸气压力分别为1 590 kPa与740 kPa,压比小于3,并且排气温度仅为61 ℃,工况参数良好。

图5 不同组元占比换热曲线对比Fig.5 Comparison of heat transfer curves of different components

此外,从对应的回热换热器内的换热曲线可以看出,中间组元的加入,使得中间温区的换热匹配情况得到了改善,混合制冷机Mix4与Mix 6对应的LMTD分别为4.89 ℃、4.43 ℃,有利于降低系统回热过程的不可逆损失,提升系统COP。

2.3 传统两级制冷循环热力计算分析

图6为配有中间冷却的传统两级压缩制冷系统。

图6 传统两级压缩制冷系统Fig.6 Conventional two stage compression refrigeration system

采用两级压缩形式,海水为中间冷却器的冷却水,两级压缩系统相较于单级压缩系统在设备上更复杂,需增加压缩机及中间冷却器等设备。本研究为与两级压缩系统进行对比分析,使用化工流程模拟软件针对R22两级压缩制冷系统进行计算,采用P-R方程求解,蒸发温度设置为-65 ℃,额定制冷量为35 kW,以不同排气压力及中间压力对系统的影响作为研究目标开展对比分析研究。

表7为两级压缩制冷系统在不同冷凝压力下系统热力参数表,由表7可知,对于R22制冷系统而言,在不同的压力工况下,制冷系统的COP在1～1.12之间变化,在满足最小冷凝压力前提下,随着冷凝压力提升,COP下降。由于所需制冷温度低于R22的常压沸点,使得R22系统中的蒸发压力低,仅为28.7 kPa,为保证二级压缩过程排气温度不超允许值,则一级压缩过程的压比也高达10以上,并且由于蒸发压力低,会导致一级吸气口制冷剂密度降低,吸气流量大,可达667 m3/h以上。

表7 R22制冷系统性能参数分析Tab.7 R22 system performance parameter analysis

当冷凝压力一定时,中间压力的选取对系统的效率及工况都产生较大影响。如图7所示。

图7 R22制冷系统中间压力对系统效率影响Fig.7 Impact of intermediate pressure on system efficiency

当冷凝压力为1 350 kPa和蒸发压力为28.7 kPa时,随着中间压力升高,系统的COP先增加后减小,即中间压力处于600 kPa～700 kPa时,系统具有最高COP,约为1.119。为进一步得到不同冷凝压力下对应的最优中间压力,采用box优化算法对中间压力进行优化。

2.4 对比分析

通过调节系统运行参数,获得R14/R23/R134a/R245fa(0.35/0.36/0.1/0.19)自复叠制冷系统与传统R22系统的最佳运行参数如表8所示,从制冷系数上,混合制冷剂系统的COP仅比R22系统低约7.32%,而R404A作为替代R22的主流制冷剂,蒸发温度为-50 ℃时,COP仅为0.92,当蒸发温度为-65 ℃时,COP比混合制冷剂自复叠制冷系统低11.28%以上[31]。在容积制冷效率VCC方面,混合制冷剂系统因吸气压力高,吸气密度大,对应的吸气流量远小于传统两级压缩系统的一级吸气流量,为R22系统一级吸气流量的26.56%,这会大大降低混合制冷剂系统中的压缩机尺寸。

表8 两制冷系统参数对比Tab.8 Comparison of two refrigeration systems

在系统运行工况参数方面,混合制冷剂系统的吸气压力与排气压力为常规的制冷空调工况,压缩机压比小于3,可采用常规制冷空调领域的中高背压压缩机的货架产品,来源广、成本低,会显著降低系统中的压缩机成本。而传统两级压缩系统中,一级压缩过程的压比高达10以上,实际压缩过程压缩效率会因大压比而降低。另外,在排气温度方面,混合制冷剂系统的排气温度为61.17 ℃,低于R22系统的排气温度,可见无论是压力工况还是排温工况,混合制冷剂系统的设计运行工况更加优异。

综上,从制冷剂环保性、制冷系统效率、制冷系统工况参数以及制冷系统设备成本等综合多方面因素考虑,混合制冷剂自复叠制冷系统不仅具有较好的制冷表现,而且运行工况好,能够实现单级制冷系统的高效、低成本制冷,是替代渔船中传统制冷系统的非常具有潜力的选择。

3 结论

基于单级自复叠制冷系统,开展了二元R14/R134a、R14/R245fa,三元R14/R23/R134a、R14/R23/R245fa,四元R14/R23/R134a/R245fa混合制冷剂制冷循环热力分析。结果显示,蒸发温度为-65 ℃,制冷量为35 kW时,二元混合制冷剂的制冷系统效率普遍偏低,但是在二元混合制冷剂中加入高沸点工质后,系统效率得到一定提升,COP可达0.95。当采用四元混合制冷剂R14/R23/R134a/R245fa(0.35/0.36/0.1/0.19)时,其制冷系数显著高于采用二元和三元混合制冷剂的系统,最佳COP可达1.037,排气压力与吸气压力分别为1 590 kPa与740 kPa,且排气温度仅为61 ℃,工况良好。开展了传统R22两级压缩制冷系统的热力计算分析并与混合工质自复叠制冷系统开展对比研究。当蒸发温度为-65 ℃,制冷量为35 kW时,混合制冷剂自复叠制冷系统的COP接近于传统R22制冷系统,容积制冷效率高,吸气量为R22制冷系统的26.56%,工质压比低,制冷系统所选的压缩机尺寸更小、排气温度低,制冷剂环保性能更好,采用四元混合制冷剂的自复叠制冷系统的设计运行工况更加优异。综上,新型的低温四元混合制冷剂(R14/R23/R134a/R245fa)具备替代船用传统R22制冷剂的潜力。