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节能基础科学45NO.10 2023节能 ENERGY CONSERVATION基于R410a的冷冻系统制冷性能实验研究李海军 王世豪*苏之勇 许琦 王瑞 蔡夏 王锐 张青阁（中原工学院能源与环境学院，河南 郑州 450007）摘要：针对常规的冷库冷冻系统存在压缩机排气温度高、制冷性能低等问题，搭建了一套基于R134a准双级转子式压缩的微通道换热器型冷冻系统。通过改变库外温度，研究不同温度下补气工况以及不补气工况对冷冻系统性能的影响。结果显示：随着库外环境温度的升高，压缩机功率和排气温度均升高，制冷量和系统COP均下降。采用中压补气技术后，与不补气工况相比，排气温度降低32.50%37.56%，制冷量上升17.66%37.06%，压缩机功率提高12.31%32.23%，系统COP升高1.12%4.74%。关键词：冷冻系统；环境温度；中压补气；制冷性能中图分类号：TB657 文献标志码：A 文章编号：1004-7948（2023）10-0045-04 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.10.013Experimental study on refrigeration performance of refrigerating system based on R410aLI Hai-jun WANG Shi-hao SU Zhi-yong XU Qi WANG RuiCAI Xia WANG Rui ZHANG Qing-geAbstract：Aiming at the problems of high exhaust temperature of compressor and low refrigeration performance in conventional cold storage refrigeration system,a set of micro-channel heat exchanger refrigeration system based on R134A quasi-double-stage rotor compression was built.By changing the temperature outside the reservoir,the influence of the cooling system performance under different conditions of air replenishment and no air replenishment was studied.The results show that with the increase of the ambient temperature outside the reservoir,the compressor power and exhaust temperature increase,while the cooling capacity and system COP decrease.After adopting the medium pressure gas replenishment technology,compared with the condition without gas replenishment,the exhaust temperature is reduced by 32.50%37.56%,the cooling capacity is increased by 17.66%37.06%,the compressor power is increased by 12.31%32.23%,and the COP of the system is increased by 1.12%4.74%.Key words:refrigeration system;ambient temperature;medium pressure air replenishment;cooling performance引言制冷技术在食品工业领域的应用较多，食品冷库的建设快速发展1。冷库的建设会影响冷链物流的整体运营和国家骨干冷链物流基地的建设2。近年来，我国冷库的建设迅速发展，冷库建设总量较大，但是目前我国人均冷库保有量还需提高，加大对冷库建设技术的研究力度对我国农产品和冷链物流的发展具有重要意义3-4。在复杂多变的环境下，冷库制冷系统存在制冷性能低、排气温度过高等问题，不利于系统节能。国内外学者对冷库普通冷冻冷藏系统受环境温度的影响进行了大量研究。刘群生5等研究冷库温度控制，提出低温冷库的温度变化、库温不均匀度对冷冻效果有重要的影响。研究表明，控制库温不均匀度可在库房合适的地方布置风道，使风沿平行的方向吹出；应尽可能将库温波动限制在较小的范围内。李敏霞6等比较转子式压缩机和涡旋式压缩机，提出涡旋式压缩机能在一定限度上进行双级压缩，而转子式压缩机在变工况条件上更具有优势；转子式压缩机可以在同一个压缩机里实现双级压缩，而涡旋式压缩机通常需要两台；为了满足低温环境，两种压缩机均可以采用喷气增焓技术。Bertsch7等研究带经济器和带中间冷却器的双级压缩系统，将其与复叠式热泵放在一起对比，发现在零度以下时，带中间冷却器的双级压缩系统的COP最低；在零度以上时，双级压缩系统的COP较高，复叠式热泵COP低于双级压缩系统。唐景春8等研究电动汽车空调，汽车采用涡旋式压缩机，对准双级压缩热泵性能进行研究。结果表明，单级作者简介：李海军（1975），男，博士，教授，研究方向为制冷空调节能新技术。通信作者：王世豪（1997），男，硕士，研究方向为制冷空调节能新技术。基金项目：河南省研究生教育改革与质量提升工程项目（项目编号：YJS2021JD08）收稿日期：2022-09-13引用本文：李海军，王世豪，苏之勇，等.基于R410a的冷冻系统制冷性能实验研究 J.节能，2023，42（10）：45-48.节能基础科学46节能 ENERGY CONSERVATIONNO.10 2023压缩的排气温度均高于准双级压缩，在低温环境下，准双级压缩排气质量比单级压缩提高12.9%17.4%，系统制热量提高8.3%，制热性能系统COP提高8.2%。秋雨豪9等分析冷藏车在高温高湿条件下的制冷机组性能，在高温条件下，压缩机的吸气温度和排气温度、吸气压力和排气压力均大幅升高，冷藏车制冷性能降低。因此，在高温条件下，为了确保制冷机组顺利工作，应控制压缩机的最大转速；在高湿条件下，蒸发器的回风温度也会上升，导致结霜，解决这些问题必须减少制冷机组的除霜间隔时间。王银艳10对风冷式冷水机组中的自然冷却以及低温度环境进行分析和总结，在超低温环境温度下，对风冷冷凝器进行保温和并联，为了达到制冷的目的，需要通过控制冷凝风机的启动、关停，使整个机组处于安全状况下，也可通过调节冷凝器的换热面积和风量控制。上述文献研究转子式压缩机、双级压缩以及环境温度对制冷性能的影响。转子式压缩机在双级压缩上有明显优势，目前有关环境温度对制冷性能影响的研究较少。文中以R410A作为制冷工质，采用两台微通道换热器，搭建中压补气型制冷系统试验台，研究不同环境温度下补气和不补气模式系统对制冷性能的影响。1新型冷库冷冻系统1.1冷冻系统循环原理文中采用R410a组装式大温差新型冷库准双级的冷冻装置，增加了一条补路系统。冷冻系统循环原理如图1所示。中压补气冷冻系统循环原理为：高压气态制冷剂由双级压缩机排出，经过四通阀到库外冷凝器，在库外冷凝器进行热交换，后经过储液器、干燥过滤器后分为两路。一路经过膨胀阀节制流量降低压力，流入换热器，在此处与主路制冷剂进行热交换，最终通过截止阀，进入压缩机中压补气口；另一路经过中间换热器进行热交换降温，通过主路电子膨胀阀进行减压，在库内蒸发器进行热交换，经气液分离器进入压缩机，与补路制冷剂混合，混合后进行热交换温度降低，再压缩成液态制冷剂，进入冷凝器进行热交换。在系统不补气的工况下，关闭阀门，补路闭合，工质直接通过换热器。1.2中压补气冷冻系统技术中压补气系统循环原理如图2所示。中压补气增焓模式原理为：制冷剂从压缩机排出，经冷凝器降温冷却（点2点5），分为两路，一路进入中间换热器进行热交换降低温度（点5点3），再经电子膨胀阀调节阀门（点3点4），进入库内蒸发器进行热交换（点4点1），最后在压缩机中间压力段进行压缩（点 1点 9）；另一路经补路电子膨胀阀节制流量（点5点6），进入中间换热器，与主路制冷剂混合进行热交换（点6点7），在中压补气口与另一路路制冷剂（点9）混合，混合后温降（点8），再压缩（点8点2），最后进入库外冷凝器进行热交换（点2点5），以此进行不断循环。系统循环制冷剂质量流量关系为：m1=m2+m3(1)冷凝器散热量Qb为：Qb=m1(h2-h5)(2)式中：m各状态点循环制冷剂的质量流量，kg/s；h各状态点循环制冷剂的焓值，kJ/kg。中间换热器的换热量Qa为：Qa=m3(h7-h6)=m2(h5-h3)(3)蒸发器制冷量Qc为：Qc=m2(h1-h4)(4)系统压缩机功率W为：W=m2(h9-h1)+m1(h2-h8)(5)系统制冷系数COP为：COP=QcW=m2()h1-h4m2()h9-h1+m1()h2-h8(6)2新型冷库冷冻系统试验试验在恒温恒湿焓差实验室进行，采用风冷式冷水机组，保持环境恒温恒湿。试验所用设备的型号、参数如表1所示。依据冷库设计标准（GB 500722021）、制冷用空气冷却器（GB/T 251292010）、冷冻空调设备冷凝器用微通道热交换器（JB/T 119672014）等制定试验设计方案的工况。试验重点研究环境温度对冷冻系统的影响，将环境温度设为调节变量，试验测试工况设置如表2所示。图2中压补气系统循环原理图1冷冻系统循环原理节能基础科学47NO.10 2023节能 ENERGY CONSERVATION3试验结果与分析3.1库外环境温度对压缩机排气温度的影响库外环境温度对压缩机排气温度的影响如图3所示。由图3可知，随着库外环境温度的升高，两种工况下系统的排气温度均呈升高趋势。库外环境温度达到21、27、32、35 时，在不补气工况下，排气温度分别达到71.82、83.73、97.88、102.3；在中压补气工况下，排气温度分别达到 48.48、55.76、61.12、64.19。因为库外温度升高，制冷剂的换热作用变弱，造成排气温度升高。与不补气工况相比，采用中压补气的系统的排气温度分别降低23.34、27.97、36.76、38.11，降幅为32.50%、33.40%、37.56%、37.25%。在中压补气模式下，处于补路的低温制冷剂与主路制冷剂混合，制冷剂温度降低，进行等熵压缩，因此中压补气工况下系统的排气温度均比不补气工况低。3.2库外环境温度对制冷量的影响库外环境温度对制冷量的影响如图4所示。由图4可知，随着库外环境温度的升高，两种工况下制冷量均呈下降趋势。库外环境温度达到 21、27、32、35 时，在不补气工况下，制冷量分别为4.53 kW、4.31 kW、4.04 kW、3.67 kW；在中压补气工况下，制冷量分别为 5.33 kW、5.26 kW、5.21 kW、5.03 kW。这是因为随着库外环境温度的升高，循环制冷剂质量流量下降，制冷剂换热效果变差，导致制冷量下降。与不补气模式相比，采用中压补气的系统的制冷量分别升高0.80 kW、0.95 kW、1.17 kW、1.36 kW，升幅为17.66%、22.04%、28.96%、37.06%。通过中压补气可以降低蒸发器的蒸发温度，进而提高蒸发器制冷剂与库图4库外环境温度对制冷量的影响表2试验测试工况设置项目库内最大风量/(m3/h)库外最大风量/(m3/h)压缩机转速/(r/min)主阀过热度值/K补气阀过热度值/K库内环境温度/库外环境温度/制冷剂充注量/kg数值4 4828 4154 000625-1821、27、32、356.13图3库外环境温度对压缩机排气温度的影响表1试验所用设备型号、参数设备名称压缩机（变频转子式压缩机）库内换热器（平行流换热器）库外换热器（平行流换热器）主路膨胀阀补路膨胀阀库内风机（离心式风机）库外风机（离心式风机）储液器干燥过滤器（双向过滤器）中间换热器四通换向阀规格、参数型号：WHP13100AEDPC9FQ；转速范围：9007 200 r/min；额定转速：3 600 r/min；制冷剂：R410a；名义制冷量：14.65 kW尺寸：990 mm732 mm36 mm；换热面积：5.31 m2尺寸：1 030 mm752 mm36mm；换热面积：5.7 m2型号：E2V18BSF00；容量：11.9 kW；调节范围：10%100%型号：E2V11BSF00；容量：5.4 kW；调节范围：10%100%型号：FC097E3-DF0-01；最大风量：1 120 m3/h；最大转速：3 400 r/min型号：YWF4D-550S；最大风量：8 415 m3/h；最大转速：1 350 r/min型号：QFQ-JP127-S001-00；储液容积：2.7 L型号：DFS-164S型号：B3-026-16D；设计容量：3.0 kW型号：SHF-20A-046；容量：23 kW生产厂家HIGHLY海立自制自制意大利卡乐意大利卡乐泛仕达微光浙江盾安鸿森江苏唯益三花节能基础科学48节能 ENERGY CONSERVATIONNO.10 2023内大环境的换热效率，虽然有一部分制冷剂会分到补路，但是量较少，蒸发器焓增占主导作用，因此中压补气工况下系统的制冷量均比不补气工况高。3.3库外环境温度对压缩机功率的影响库外环境温度对压缩机功率的影响如图5所示。由图5可知，随着库外环境温度的升高，两种工况下压缩机功率均有升高的趋势。库外环境温度达到21、27、32、35 时，在不补气工况下，压缩机功率分别为1.95 kW、2.17 kW、2.26 kW、2.42 kW；在中压补气工况下，压缩机功率分别为2.19 kW、2.56 kW、2.88 kW、3.20 kW。因为随着库外气温的上升，冷凝器换热效果变差，使得冷凝侧压力升高，压缩机进出口压差增大，从而造成压缩机功率升高。与不补气工况下相比，中压补气工况下压缩机功率分别升高0.24 kW、0.39 kW、0.62 kW、0.78 kW，升 幅 分 别 为 12.31%、17.97%、27.43%、32.23%。采用中压补气口补入制冷剂提高了循环制冷剂总质量流量，使压缩机功率显著增加。3.4库外环境温度对系统COP的影响库外环境温度对系统COP的影响如图6所示。由图6可知，随着库外环境温度的升高，两种工况下 COP 均呈降低的趋势。库外环境温度达到 21、27、32、35 时，在不补气工况下，COP分别为2.32、1.99、1.79、1.52；在中压补气工况下，COP分别为2.43、2.05、1.81、1.57。因为，随着库外温度的升高，系统制冷量减少，同时压缩机功率增加，系统COP受制冷量和压缩机功率共同影响，其值为制冷量/压缩机功率，所以系统COP随库外温度的升高呈减小的趋势。与不补气工况相比，采用中压补气后，COP分别升高0.11、0.06、0.02、0.05，升幅分别为 4.74%、3.02%、1.12%、3.29%。采用中压补气，系统COP升高量不大，因为采用中压补气后，系统制冷量和压缩机功率变化幅度接近，系统COP也比较接近。4结语库外环境温度不断升高的过程中，在不补气和补气两种工况下，压缩机排气温度和压缩机功率均升高，但系统制冷量和系统COP下降。这表明温度的升高不利于系统的节能。在变库外环境温度的条件下，与不补气工况下相比，采用中压补气后，排气温度降低 32.50%37.56%，制冷量上升17.66%37.06%，压缩机功率提高12.31%32.23%，系统COP升高1.12%4.74%。采用中压补气技术能够使系统更稳定运行，优化系统制冷性能。参考文献1 辛修瑞，牛继开，白鑫源，等.冷库发展现状以及节能与环保 J.家电科技，2018（3）：22-23.2 张签名.冷库市场 未来可期 J.中国储运，2021（7）：32-33.3 秦玉鸣.冷链物流发展趋势预测 J.中国物流与采购，2020（24）：16-17.4 朱燕媚，杨伟男.浅析农产品保鲜冷库发展现状与政策建议 J.农机质量与监督，2020（8）：35-37.5 刘群生，杨建国，马越峰，等.低温冷库的温度要求与能效分级探讨J.制冷与空调（四川），2014，28（6）：640-643.6 李敏霞，王派，马一太，等.转子压缩机与涡旋压缩机的对比与发展J.制冷学报，2019，40（1）：22-28，78.7 Bertsch S S，Groll E A.Two-stage air-source heat pump for residential heating and cooling applications in northern U.S.climatesJ.International Journal of Refrigeration，2008，31（7）：1282-1292.8 唐景春，李晨凯，叶斌，等.采用涡旋压缩机的电动汽车空调准双级压缩热泵性能实验研究 J.制冷学报，2018，39（1）：34-39.9 秋雨豪，乐清洁.高温高湿环境对冷藏车制冷机组性能影响的试验研究 J.制冷与空调，2021，21（3）：49-54.10 王银艳.低环境温度制冷技术应用研究 J.机电工程技术，2018，47（3）：113-116.图6库外环境温度对系统COP的影响图5库外环境温度对压缩机功率的影响