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过热度对 CO2复叠制冷系统性能的影响

发布于：2023-07-14 11:22:14 来自：暖通空调/制冷技术 [复制转发]

在制冷系统中，蒸发器过热度通常是系统运行状态的特殊表征之一，蒸发器的两相区占比会随着出口过热度的减小而呈现增大的趋势，换热能力随之增强。但是，在通常状况下蒸发器出口为零过热度的状态并非制冷效果最好的运行状态，同时为避免压缩机出现液击现象，需要保证进入压缩机的制冷剂状态均为气体，即需要保证蒸发器出口气体存在一定过热度。

（本图仅为参考，不对应文章任何产品信息）

1、系统热力计算及模拟工况

模拟利用单一变量法研究了蒸发冷凝器和蒸发器出口过热度对 CO2复叠制冷系统性能的影响，其余参数保持不变，初始工况参数如表5-1所示。

2 、蒸发冷凝器出口过热度对系统参数的影响

2.1 排气温度

蒸发冷凝器出口过热度与复叠系统高低温循环排气温度的关系如图 5-1 所示。

从图 5-1中可知，随着蒸发冷凝器的出口过热度增大，高温压缩机的排气温度呈两段式上升的趋势，而低温压缩机排气温度则慢慢降低。这是因为，随着蒸发冷凝器出口过热度的增加，高温压缩机入口气体比容增大，压缩功增加，指示效率减小，高温压缩机的压比随之增大，其排气温度会升高，当排气温度升高至安全温度以上的时候，高温压缩机会处于非正常运行状态，此时润滑性能恶化，指示效率低下，排气温度快速上升。

蒸发冷凝器出口过热度上升，则蒸发冷凝器的换热量随之增大，低温循环制冷剂的质量流量也会增大，此时低温循环蒸发温度上升，低温压缩机压比减小，排气温度降低。因此，随蒸发冷凝器的出口过热度上升，高温压缩机的排气温度升高，而低温压缩机排气温度会下降。通过分析蒸发冷凝器出口温度和压缩机排气温度的关系，可确定合适的蒸发冷凝器出口过热度，保证系统安全运行。所研究系统蒸发冷凝器出口过热度安全范围为 0~20℃。

2.2 压缩机功率

蒸发冷凝器出口过热度与压缩机功率的关系曲线如图 5-2 所示。

从图 5-2 中可以得知，随着蒸发冷凝器出口过热度增加，高温压缩机功率和总功率增大，而低温压缩机功率缓慢减小。根据蒸发冷凝器出口过热度与高温排气温度关系得出，随着蒸发冷凝器得出口过热度上升，高温压缩机指示效率先缓慢减小后快速减小，因此其功率的上升速度先慢后快。而随着蒸发冷凝器的出口过热度增大，低温循环压缩机压的比减小，指示效率提高，低温压缩机功率降低。

因此，随过热度的增加，高温压缩机输出功率和系统的功耗呈显先慢慢上升后迅速增加态势，而低温压缩机功率则慢慢减少。通过分析蒸发冷凝器出口过热度跟压缩机功耗的关系，可知适当降低蒸发冷凝器出口过热度，能降低系统功耗，提高系统经济性。

2.3 系统换热量

蒸发冷凝器出口过热度和系统换热量的关系如图 5-3 所示。

从图 5-3 中可知，随着冷凝蒸发器的出口过热度上升，蒸发冷凝器和蒸发器换热量都增加，但在高过热度范围内上升幅度较小。这是因为，在高温循环制冷剂质量流量恒定条件下，蒸发冷凝器出口过热度的上升意味着蒸发冷凝器的热负荷上升，同时会导致蒸发冷凝器内两相区面积减小，换热面积利用率减小，换热量降低，且在高过热度范围内两相区面积的减小对制冷量的影响较大，而低过热度范围内影响较小。

低温循环制冷剂的质量流量随蒸发冷凝器换热量的提高而增大，蒸发器换热量也相应增加。因此，随着蒸发冷凝器过热度的增加，蒸发冷凝器和蒸发器换热量都上升。通过分析蒸发冷凝器出口过热度对整个系统换热量的影响，可以得出在低过热度范围内，提高蒸发冷凝器出口过热度就能有效改善蒸发冷凝器和蒸发器的换热效果，提高制冷量。但是在高过热度的区域内，提高蒸发冷凝器过热度对换热量产生的影响相对较小，因此根据过热度对排气温度和压缩机输出功率的影响以及提高过热度的成本考虑，一般建议 NH3/CO2复叠制冷系统的蒸发冷凝器出口过热度不超过 20℃。

2.4 系统 COP

蒸发冷凝器出口过热度与系统COP的关系如图 5-4所示。从图 5-4 中可知，随着蒸发冷凝器出口过热度的增加，高温循环COP会增加，而低温循环COP则减小，系统总COP呈现先上升后下降的趋势，存在使得系统 COP 最大的最佳蒸发冷凝器过热度。

系统 COP 的变化原因可从过热度对换热量和功耗影响分析中得出，随着蒸发冷凝器出口过热度的增加，系统总功耗和制冷量均随着过热度的增加而增加，但这时制冷量增大对系统总 COP 的影响更大，由此系统 COP 增大。随着过热度的继续增加，系统总功耗增加幅度大于制冷量增大幅度，系统COP减小。因此，随着过热度的增加，系统总 COP 呈先增后减趋势。通过分析蒸发冷凝器出口过热度与系统 COP 的关系，可确定系统在最佳运行状态时对应的蒸发冷凝器出口过热度。

3 、蒸发器出口过热度对系统参数的影响

3.1 排气温度

蒸发器出口过热度与压缩机排气温度的关系如图 5-5 所示。从图 5-5 中可知，低温压缩机排气温度与蒸发器出口过热度呈正相关，即过热度越大，排气温度越高但是蒸发器的出口过热度对高温压缩机的排气温度影响相对较小。

主要是由于当蒸发器出口过热度增大，位于蒸发器出口处的制冷剂温度也会上升，低温压缩机吸气温度升高导致了排气温度升高。而由实验设定条件可知低温循环冷凝温度为-5℃，此外压缩机功率和系统换热量随过热度增大的变化如图 5-6 和图5-7所示，由此可推出蒸发器出口过热度对高温循环的影响较小。

因此蒸发器出口过热度与低温循环排气温度呈正相关，同时随蒸发器出口过热度的增大，高温排气温度变化较小。通过分析对蒸发器过热度和压缩机排气温度的关系，当蒸发器出口过热度为 0~30℃范围内时，低温压缩机排气温度均低于安全限值130℃，因此所选过热度范围符合制冷系统实际应用工况。

3.2 系统COP

图5-8为蒸发器出口过热度与系统COP关系。由图5-8可知，蒸发器出口过热度对高温循环COP和系统总COP的影响都较小，但低温循环COP随着过热度的上升而增大。其变化原因可从基于蒸发器出口过热度对排气温度的影响分析中可得出。

由此可见，通过改变蒸发器出口过热度可有效改善低温系统性能，但不会对整个复叠制冷系统的性能有显著的影响。结合蒸发冷凝器出口过热度对系统COP的影响分析，当过热度为 0~18℃范围内，系统COP在蒸发冷凝器出口过热度和蒸发器出口过热度增大的条件下呈现相同的变化趋势，总体来说每当过热度每提高2℃，系统 COP 会上升 0.1%~0.2%。

当过热度大于18℃时，蒸发器出口过热度增大，系统COP保持缓慢上升的趋势，当蒸发冷凝器过热度持续增大，系统COP的上升幅度减小甚至有骤降趋势。由此可见，蒸发冷凝器出口过热度的改变对系统COP的影响更大，严格控制蒸发冷凝器出口过热度对维持复叠制冷系统安全运行至关重要。

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