R404A与CO2复叠式制冷系统的热力学分析与优化

　　0 引言

　　在食品速冻及低温冷藏行业,为了获取-40~-60e的低温,通常采用二氟一氯甲烷(R22) /三氟甲烷(R23)复叠制冷系统来提供冷源。但近年来人们逐渐认识到R22等含氯制冷剂对臭氧层的危害,开始逐步禁用该类物质,研发高效环保的制冷剂和配套制冷系统成为国内外制冷领域研究热点。

　　1932年,W R Kitzmiller提出氨/二氧化碳(R717/R744,NH3/CO2)复叠式制冷循环,其中NH3和CO2分别作为高低温端制冷剂,证明了其可行性[1]; J Pettersen等人采用CO2作为低温端制冷剂,并与NH3两级系统进行对比,表明其压缩机体积仅为NH3系统的1/10,机组更加紧凑[2];HM Getu等人对R717/R744进行理论分析,优化系统设计和操作参数,表明减小过热度和增大过冷度可增加系统性能系数E[3];宁静红等人对R290/CO2复叠式制冷系统进行了性能实验,对比高温端R290和R22情况,表明R290的性能系数E高于R22[4];查世彤等人对NH3/CO2复叠式制冷系统进行了理论分析,通过与三氟一氯甲烷(R13) /R22和NH3/NH3复叠式循环进行比较,表明该系统具有明显优势[5];冯明坤等人将R404A /R744复叠式制冷系统与R22制冷系统进行比较,表明两者E基本相当,而前者压缩机的输气系数明显高于后者,其中R404A由五氟乙烷(R125)、三氟乙烷(R143a)和四氟乙烷(R134a)按质量百分数44/52/4混合而成[6]。通过以上研究发现,CO2较适合作为低温端制冷剂使用,而高温端制冷剂有R134a、R290、R404A、NH3等多种选择。采用R134a时,系统需使用专用的压缩机和脂类润滑油,脂类润滑油因其本身特性影响系统稳定运行;NH3具有毒性,存在安全隐患;R290易燃,换热系数介于NH3和R404A之间,且压降比R404A高[7]; R404A不可燃,安全性较好。从环保、安全和经济性方面考虑,目前R290和R404A是比较合适的高温端制冷剂。目前有关复叠式制冷研究主要集中于R290/CO2制冷系统的开发,本研究针对所开发的R404A /CO2复叠式制冷系统进行理论分析,以获得该系统的特点和相关参数,减少试验周期和费用,为进一步实验研究和运行性能提高提供指导。

　　1 R404A和CO2的物性分析

　　R404A作为制冷剂被广泛应用于各种中温或低温的制冷系统中,其临界温度为7211e,标准沸点为-4614e,臭氧消耗潜能值(ozone depressionpotentia,l ODP)为0。从环保角度来看,R404A的全球变暖潜能值(globalwarming potentia,l GWP)要高于R290,长期使用对地球气候会产生负面影响;但从安全性来看,R404A无毒不可燃,根据美国供暖制冷与空调工程师学会(american society of heating refrigerating and airconditioning engineers, ASHRAE),其安全级别为A1,R290安全级别为A3,R404的安全性要高一些。

　　CO2为天然工质, ODP为0,GWP为1,属于环境友好型制冷剂;CO2无毒不可燃、化学性质稳定,安全性好,当应用于食品加工行业时,即使泄露也不会对食品产生污染;CO2运动黏度低,热导率高,潜热大,制冷能力大,其三相点温度为-56155e,临界温度为3111e。从CO2所具有的优点来看,CO2适合作为复叠制冷系统低温端的制冷剂。