王冕同 高 健 孙志利 刘圣春 白欣萌 黄宏利 苏 超
（1 天津商业大学 天津市制冷技术重点实验室 天津 300134；
2 朝阳光达化工有限公司 朝阳 122000）
随着制冷技术的应用及快速发展，“安全”和“环保”成为制冷系统亟需解决的热点问题。在我国大力推行“碳达峰、碳中和”的大背景下，针对制冷工程中的“安全”和“环保”问题颁布了明确的法律和行政条文，所有制冷工程行为都要在二者形成的政策框架内进行[1]。
面对“环保”的问题，国际社会出台了一系列政策。例如《蒙特利尔议定书》限制氟类制冷剂的使用来保护臭氧层。目前，全球已实现CFCs的全面淘汰，不久之后HCFCs也将被完全淘汰[2]。中国等主要发展中国家自2024年开始冻结HFCs温室气体的使用，于2029年削减10%，最终在2045年实现削减80%[3-5]。
间接制冷系统制冷剂充注量少，制冷设备紧凑集中，运行安全性高，受到广泛关注[6-7]。与直接制冷系统相比，间接制冷系统将制冷系统集中在机房或很小的范围内，由于制冷剂管路较短且采用集中换热设备，减小了制冷剂的充注量，对压力容器和压力管道等特种设备的要求降低。制冷系统的制冷量通过载冷剂输送至用冷空间，人员作业区域无制冷剂，因此大幅提高了系统安全性。
间接制冷系统在商业制冷项目中的应用被逐渐推广。近年来，很多研究人员关注间接制冷系统的发展与应用，虽然该系统具备环保和安全的特征，但由于存在二次换热，且增加了载冷剂泵和相关辅助设备，间接制冷系统的能耗和初投资显著提高[8]。D. Snchez等[9]对R134a、R152a、R1234ze（E）为制冷剂的间接制冷系统进行了性能测试，间接制冷系统可以降低62%的制冷剂充注量，但系统总能耗增加，R134a、R152a、R1234ze（E）系统平均能耗分别增加21.8%、18.7%、27.2%。如何提高间接制冷系统的经济性，并提高间接制冷系统的能效是研究的重点[10]。
不同系统结构、载冷剂的物性以及冷库末端均会对系统性能造成影响。庄友明[11]针对大型盐水制冰的间接制冷系统相比于直接制冷系统能效过低的问题，在间接制冷系统中加入了过冷回路进行过冷，经过计算分析，系统能效比由3.14升至3.34，但该方式会增大系统复杂度，提高建设成本。传统的乙二醇溶液载冷剂在温度降低时黏性增大，载冷剂泵功耗增大，系统性能降低，同时其腐蚀性较强，会对管材造成破坏[12-13]。Liu Qingzhao等[14]将3种新型载冷剂与传统乙二醇水溶液进行对比实验，研究表明，新型载冷剂性能优于乙二醇，综合成本因素，认为可以替代乙二醇使用。在冷却器方面，研究人员也进行了许多研究，马燕等[15]对间接冷却系统与直接冷却系统进行了研究，结果表明，通过改善冷却器的传热面积或提高制冷剂蒸发温度，可使间接冷却系统的性能等于或超过直接冷却系统。L. Pérez-Lombard等[16]研究发现改善冷却器的结构可有效提高制冷系统的COP，提高经济性。为研究冷却器结构对系统性能的影响，Lin Dong等[17]建立了翅片冷却器模型，计算了翅片间距、管间距、外管直径、管材等对冷却器性能的影响，结果表明，随着管径的增大，制冷量和沿程阻力损失均减小，有效提升冷却器的制冷效果。R. T. Huang等[18]测定了多种布置方式的平板式翅片管的传热特性，结果表明，朝向下方布置的翅片管传热系数最低，朝向上方和侧方的传热系数较大。王晓云[19]研究了辐射换热对横管自然对流效率的影响程度，并分析了影响辐射换热强度的因素，研究表明，在某些温度范围内，横管的辐射换热占总换热量的一定比例。冷库内冷却器分为翅片管冷却器和光管冷却器，李大树等[20]总结了不同换热工况下纵向翅片管的传热系数准则式，对比了翅片管和光管在相同工况下的传热温差，结果表明，翅片管内的液体比光管内液体更易沸腾，翅片管传热性能优于光管。
上述研究大多关注冷却器的自身性能，而未考虑冷却器在冷库内空间分布，对新型载冷剂在不同冷却器内的换热性能研究较少。因此，本文以间接制冷系统为研究对象，研究新型载冷剂以及冷却器排布对系统性能的综合影响，并进行经济性分析。
1.1 实验装置及载冷剂
为研究LM-4/LM-8两种载冷剂在不同冷却器形式下的降温时间、流动特性和传热性能，搭建了冷库间接制冷系统实验台。图1所示为冷库间接制冷系统原理，该系统由制冷系统、载冷剂系统和冷库3部分组成。制冷系统包括制冷机组和冷却水机组；
载冷剂系统由储液罐、流量泵、转子流量计、压差表组成；
冷库内有冷却器和电加热器。冷却器分为光管和翅片管，参数如表1所示。光管冷却器分为墙排和顶排，翅片管冷却器为顶排。实验装置还包括相关阀件、电气控制系统以及数据采集系统。
实验采用的两种载冷剂分别为质量分数为50%的LM-4溶液和LM-8溶液。部分物性参数如表2所示。
1.2 实验方法
实验通过改变冷却器形式来研究两种载冷剂在不同工况下的性能。冷库内冷却器形式有3种。图2（a）所示为翅片顶排冷却器，传热面积为15.3 m2；
图2（b）所示为光管墙排+翅片顶排冷却器，传热面积为7.6 m2+15.3 m2；
图2（c）所示为光管墙排+光管顶排冷却器，传热面积为7.6 m2+7.6 m2。
图1 冷库间接制冷系统原理Fig.1 Principle of cold storage indirect refrigeration system
表1 冷却器参数Tab.1 Cooler parameters
冷却器形式通过管路切换实现，实验流程如图3所示。当一组实验数据记录完成后改变流量及冷却器形式重复实验过程。由于LM-4载冷剂的黏度较大，泵功耗较大，在实验过程中发现，使用翅片顶排冷却器且流量达到0.9 m3/h时，载冷剂泵的电流达到电控系统负荷上限。因此，此时最大流量设定为0.9 m3/h。
1.3 实验数据处理
表2 载冷剂物性参数Tab.2 Physical parameters of the secondary refrigerants
图2 冷却器形式Fig.2 Cooler combinations
图3 实验流程Fig.3 Experimental process
根据文献[21]中的规定，冷库间接制冷系统的制冷量通过热平衡法测得，为冷库围护结构的漏热量与电加热器的加热量之和：
Qa=Kl（T2-T1）+Qe
（1）
式中：Qa为间接制冷系统制冷量，W；
Kl为冷库的漏热系数，W/℃，本实验中，测量数据为15.11；
T2为冷库内的干球温度，℃；
T1为外界环境的干球温度，℃；
Qe为电加热器功率，W。
间接制冷系统性能包含制冷机组性能和间接制冷系统综合性能，如式（2）、式（3）所示：
COPr=Qa/Wcomp
（2）
COPc=Qa/（Wcomp+Wpump）
（3）
式中：COPr为制冷机组性能；
COPc为间接制冷系统综合性能；
Wcomp为制冷机组压缩机功耗，W；
Wpump为载冷剂泵功耗，W。
雷诺数Re作为无量纲数，反映了流体在冷却器内流动与传热的关系，计算如下：
（4）
式中：v为载冷剂流速，m/s；
d为载冷剂管道直径，m；
ρ为载冷剂密度，kg/m3；
μ为载冷剂动力黏度，Pa·s。
图4 冷库降温曲线Fig.4 Cold storage cooling curve
2.1 降温过程分析
实验设置库温为-18 ℃，图4所示为两种载冷剂在体积流量为0.85 m3/h时测得的降温曲线。由图4可知，当流量一定时，降温时间仅与冷却器形式有关。随着库温和载冷剂温度降低，载冷剂的蒸发压力降低，制冷能力下降，制冷机组的制冷量减小，因此降温时间变长。当使用翅片顶排冷却器时，系统的降温时间最长，原因是在相同传热面积下顶排的换热效果低于墙排和顶排冷却器同时运行时的换热效果。图4（a）所示为采用LM-4载冷剂的系统，翅片顶排冷却器，光管墙排+翅片顶排冷却器以及光管墙排+光管顶排冷却器3种冷却器形式将库温降至-18 ℃的时间分别为810、500、373 min，时间上依次缩短38.75%、25.4%。LM-4载冷剂黏度大，同时翅片管的管径小于光管，管内的流动阻力较大，传热效果较差，导致采用LM-4载冷剂的系统在使用翅片管冷却器时降温时间大于使用光管冷却器。图4（b）所示为采用LM-8载冷剂的系统，冷库使用翅片顶排冷却器时降温时间最长，为684 min，使用光管墙排+光管顶排冷却器时的降温时间次之，为576 min，相比于使用翅片管冷却器缩短了15.79%。使用光管墙排+翅片顶排冷却器时的降温时间最短，为366 min。LM-8载冷剂黏度较小，因此流动效果受管径影响较小。翅片顶排冷却器与光管墙排+光管顶排冷却器的传热面积相当。所以使用LM-8载冷剂的系统在采用翅片顶排冷却器时与采用光管墙排+光管顶排冷却器时的降温时间接近。使用光管墙排+翅片顶排冷却器时降温时间最短，比同工况下采用LM-4载冷剂系统的降温时间减小30.4%。
图5所示为不同载冷剂系统降温时间随流量的变化。由图5可知，采用LM-4载冷剂的系统降温时间高于采用LM-8载冷剂的系统。使用光管墙排+翅片顶排冷却器时，两种载冷剂的降温时间随着载冷剂流量增大均逐渐减小，采用LM-8载冷剂的系统降温时间比采用LM-4载冷剂的系统约低200 min，LM-8系统在使用该冷却器下的降温效果优于LM-4系统。使用光管墙排+光管顶排冷却器时的降温时间在3种冷却形式中最短，降温时间也较为接近。综上所述，采用LM-8载冷剂的系统降温时间均小于采用LM-4载冷剂的系统。对于本实验，流量为0.8 m3/h，LM-8载冷剂的系统使用光管墙排+翅片顶排冷却器时，系统降温时间最短，为350 min。
图5 不同载冷剂系统降温时间随流量的变化Fig.5 Variation of cooling time of different refrigerant system with flow rate
2.2 系统性能分析
图6所示为压缩机制冷性能系数COPr随Re的变化，图7所示为系统综合性能系数COPc随Re的变化。由图6、图7可知，间接制冷系统的性能系数随着Re的增大存在极大值。由于光管墙排+翅片顶排冷却器组合具有更大的传热面积，因此在所有工况中，此种冷却器组合下的COPr、COPc整体均高于另外两种冷却器组合。
图6 压缩机制冷性能系数COPr随Re的变化Fig.6 Variation of refrigeration performance coefficient COPr of compressor with Re
图7 系统综合性能系数COPc随Re的变化Fig.7 Variation of system comprehensive performance coefficient COPc with Re
由图6（a）、图7（a）可知，对于采用LM-4载冷剂的系统，在使用翅片顶排冷却器时，COPr、COPc在3种冷却器中最低，其变化幅度随Re的增加较为显著。在该冷却器形式下，COPr极大值出现在Re约为190时，COPc极大值出现在Re约为155时。造成极值偏移的原因是LM-4载冷剂黏度较大，随着载冷剂流量提高翅片顶排内流动阻力增大，载冷剂泵功耗升高较快，导致COPc出现显著下降。除此之外，冷却器组合形式的COPr、COPc极大值均对应相同的Re。采用光管墙排+翅片顶排冷却器的制冷系统的COPr和COPc极大值出现在Re约为230，对应的流量均为0.80 m3/h。
由图6（b）、图7（b）可知，对于采用LM-8载冷剂的系统，其采用冷却器组合时的COPr、COPc整体高于采用LM-4载冷剂的系统。LM-4载冷剂和LM-8载冷剂的流动状态同属层流，而LM-8载冷剂的Re更高，管内的热边界层更薄，同时LM-8载冷剂的导热系数大于LM-4载冷剂，LM-8载冷剂的换热性能优于LM-4载冷剂。因此采用LM-8载冷剂的系统制冷效果优于采用LM-4载冷剂的系统。采用光管墙排+翅片顶排冷却器的制冷系统的COPr和COPc极大值出现在Re约为710，对应的流量均为0.85 m3/h。
图8 稳定运行时最优COPFig.8 Optimal COP during stable operation
图8所示为3种冷却器形式下的冷库间接制冷系统的最优COP，当系统使用组合冷却器时，由于传热面积增大且冷库内同时有两侧供冷，因此最佳制冷效果优于单独使用翅片顶排冷却器。采用光管墙排+翅片顶排冷却器时COP最高，优于光管墙排+光管顶排冷却器形式。其中LM-8载冷剂的系统的最佳COPr为0.773，最佳COPc为0.722。分别比同工况下LM-4载冷剂系统的最佳COPr和最佳COPc高2.6%和9%。
2.3 经济性分析
图9 降温过程耗电量Fig.9 Power consumption during cooling
系统经济性通过降温过程的耗电量和稳定工况下的功率来反映。图9所示为不同工况下降温过程的耗电量。当系统不发生改变时，降温过程的耗电量与降温时间呈正比，但在不同流量下载冷剂泵和压缩机功耗不同，因此降温过程的耗电量与降温时间趋势一致却有所差异。图9（a）所示为降温过程耗电量随流量的变化，由图9（a）可知，采用LM-4载冷剂的系统在使用翅片顶排冷却器时功耗高于其他工况。采用LM-4载冷剂的系统在使用光管墙排+光管顶排冷却器时的耗电量与采用LM-8载冷剂的系统在使用光管墙排+翅片顶排冷却器和光管墙排+光管顶排冷却器的耗电量较为接近。图9（b）、（c）所示分别为LM-4、LM-8载冷剂系统降温过程耗电量随Re的变化。由图9（b）可知，对于采用LM-4载冷剂的系统，使用光管墙排+光管顶排冷却器的系统在降温过程中的耗电量低于另外两种工况，且在最优工况下降温至-18 ℃的耗电量为18.5 kW·h。由图9（c）可知，采用LM-8载冷剂的系统使用光管墙排+翅片顶排冷却器的系统降温过程中能耗最低，在最优工况下降温所需耗电量为12 kW·h，比采用LM-4载冷剂系统的最优工况的耗电量减小35%。
图10和图11所示分别为压缩机能耗和系统总能耗随载冷剂体积流量的变化。图10（a）所示为压缩机能耗随流量的变化，由图10（a）可知，压缩机能耗随着流量的增大而增大。原因是载冷剂流量增大导致换热器内制冷剂的蒸发温度升高，蒸发器出口过热度增大，导致膨胀阀开度增大，制冷剂流量增大，故压缩机能耗增加。采用LM-4载冷剂的系统在使用翅片顶排冷却器时的压缩机能耗与采用LM-8载冷剂的系统在使用光管墙排+光管顶排冷却器时的较为接近。图10（b）、（c）所示为LM-4、LM-8载冷剂系统压缩机能耗随Re变化，由图10（b）、（c）可知，采用LM-4载冷剂的系统和采用LM-8载冷剂的系统在最优工况下（光管墙排+翅片顶排冷却器，Re分别为230、270）的压缩机能耗分别为1655、1625 W。当流量超过0.9 m3/h，Re超过900时，采用LM-8载冷剂的系统的压缩机能耗上升较快。
图10 稳定运行时的压缩机能耗Fig.10 Compressor energy consumption during stable operation
图11（a）所示为系统总能耗随体积流量的变化，由图11（a）可知，LM-4载冷剂的系统在使用翅片顶排冷却器时总能耗的上升速度最快且与光管墙排+翅片顶排冷却器的工况曲线存在交叉重叠。LM-4载冷剂黏度大于LM-8载冷剂，流动阻力更大，导致载冷剂泵能耗较大。LM-4载冷剂系统使用光管墙排+光管顶排冷却器的能耗与LM-8载冷剂系统使用光管墙排+翅片顶排冷却器较为接近。LM-8载冷剂的系统在载冷剂流量为0.55～0.85 m3范围内，使用翅片顶排冷却器时与使用光管墙排+光管顶排冷却器的能耗较低，且二者较为接近。
图11（b）、（c）所示为LM-4、LM-8载冷剂系统总能耗随Re的变化，由图11（b）、（c）可知，LM-4载冷剂系统的整体能耗大于LM-8载冷剂系统。采用LM-4载冷剂的系统与采用LM-8载冷剂的系统在最优工况下（光管墙排+翅片顶排冷却器，Re分别为230、270）的系统总能耗分别为1 855、1 745 W。在实验的3种冷却器形式范围内，采用LM-8载冷剂的系统总能耗比采用LM-4载冷剂的系统总能耗分别低5.8%～13.6%、2.2%～9.1%、3.3%～7.2%。
图11 稳定运行时的系统总能耗Fig.11 System energy consumption during stable operation
本文搭建了冷库间接制冷系统实验台，通过改变冷库内冷却器形式和载冷剂类型，以Re作为参考指标，得到结论如下：
1）载冷剂的热物性对间接制冷系统的降温时间影响显著。采用LM-8载冷剂的系统在使用光管墙排+翅片顶排冷却器时的降温时间最短，比采用LM-4载冷剂的系统降温时间减小30.4%。
2）压缩机制冷性能系数COPr和系统综合性能系数COPc存在极大值。当冷却器使用光管墙排+翅片顶排冷却器时的COPr、COPc整体最高。采用LM-8载冷剂的系统最佳COPr和最佳COPc分别为0.773和0.722，对应的Re约为710。
3）采用LM-8载冷剂的系统在降温过程中的总能耗显著低于LM-4载冷剂系统，3种冷却器组合形式下的系统总能耗比采用LM-4载冷剂的系统分别低了5.8%～13.6%、2.2%～9.1%、3.3%～7.2%。
4）采用LM-8载冷剂的系统性能优于采用LM-4载冷剂的系统。光管墙排+翅片顶排冷却器的冷却器组合形式最优。
本文受天津市科学技术局科技帮扶提升重大工程项目（20ZYCGSN00310）和辽宁省中央引导地方科技发展专项项目（2021JH6/10500081）资助。（The project was supported by the Science and Technology Assistance and Promotion Major Project of Tianjin Science and Technology Bureau（No. 20ZYCGSN00310）, and the Central Guidance on Local Science and Technology Development Fund of Liaoning Province（No. 2021JH6/10500081）.）
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