引言NH3作为性价比优良、使用最广泛的自然工质，具有易燃、毒性等缺陷；CO2具有无毒无味、不可燃、安全性高等特点，但其临界温度(31.1 ℃)较低，临界压力(7.38 MPa)较高，导致制冷系统运行压力高，节流损失大，单一CO2制冷系统性能较常规制冷剂并无显著优势。通过采用NH3/CO2复叠式制冷系统减少系统中NH3充注量，并降低CO2制冷系统的运行压力[1]。NH3作为高温级制冷剂，仅负责在室外机组内压缩循环，充注量较常规制冷剂少，并发挥了其在高温工况下换热性能良好的优点；CO2作为低温级制冷剂进入室内冷柜蒸发换热，突出了其安全性高、低温工况下换热性能良好的优势，并回避了其运行压力较高的缺点。国内外学者已对NH3/CO2复叠制冷系统进行了广泛深入研究。田雅芬[2]等研究证明，NH3/CO2复叠系统在蒸发温度需求低于-25 ℃的场合效果显著。陈曦[3]等发现，复叠系统的蒸发温度、蒸发冷凝器内传热温差及高低级质量流量比与系统COP存在显著相关性。王晓非[4]等通过模拟试验证明，复叠系统的最优低温冷凝温度随着蒸发温度、冷凝温度和复叠温差的增大而增大；最优质量流量比随着蒸发温度增大而减小，随着冷凝温度和复叠温差增大而增大。Patel[5]等以复叠系统年度总成本和㶲损失最小为目标，研究复叠系统的优化问题。刘利[6]等通过模拟和试验分析发现，蒸发温度对最大COP及最佳中间温度的影响最大，蒸发温度每增加5 ℃，系统最大性能系数提高约18.5%，最佳中间温度升高约2.23 ℃。现阶段NH3/CO2制冷系统已成熟，被应用于大型冷库，但该系统的商超用小型化还有待研究。研究商超用NH3/CO2复叠双温制冷系统，针对系统建立热力学模型，计算分析制冷系统的关键参数，并通过试验验证计算结果。1NH3/CO2复叠双温制冷系统理论1.1系统介绍NH3/CO2复叠双温制冷系统由两个单独的压缩制冷循环组成，高温级循环以NH3为制冷剂，低温级循环采用CO2作为制冷剂。NH3/CO2复叠双温制冷系统原理如图1所示。NH3/CO2复叠双温制冷系统P-h曲线如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.009.F001图1NH3/CO2复叠双温制冷系统原理10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.009.F002图2NH3/CO2复叠双温制冷系统P-h曲线高温级制冷循环经由冷凝蒸发器→NH3压缩机→冷凝器→高温节流阀，完成一个完整的制冷循环；低温级制冷循环包含两种CO2循环，一个循环中CO2作为中温蒸发器内制冷剂，从气液分离器流出，经CO2液泵加压，以多倍供液的方式进入中温蒸发器，蒸发吸热（完全等温潜热交换）后回到气液分离器；另一循环过程中CO2作为低温蒸发器制冷剂，流出气液分离器后经低温节流阀等焓节流，进入低温蒸发器内换热，流出后进入CO2压缩机压缩，与气液分离器闪蒸气体合流，进入冷凝蒸发器，与NH3热交换后冷凝[7]。在整个循环过程中，系统中的各部件可以被认为处于稳定状态。1.2理论模型采取热力循环计算方式，分析不同工况下系统运行的性能变化规律，并采用Matlab软件进行编程计算。为了提升系统仿真计算的通用性，对系统热力学模型提出简化条件：（1）除中温CO2冷柜循环部分，制冷剂在系统管段内的压力损失和热损失忽略不计；（2）低温蒸发器出口、气液分离器处制冷剂均为饱和状态；（3）实际工况下换热器最小换热温差为5 ℃；（4）低温级和高温级压缩机等熵效率是压比的函数；（5）制冷剂节流过程为等焓过程；（6）系统运行过程中各部件和连接管路保持在稳态工况。根据以上简化条件，系统参数计算基于各部件中制冷剂的能量守恒方程和质量守恒方程展开。（1）压缩机。低温级、高温级压缩机等熵效率函数通过AHRI 10系数模型拟合。模型由美国空调、供暖和制冷协会AHRI提出，用于拟合压缩机性能，模型具有计算简单、精度高等优势。张春路[8]研究表明，AHRI10系数模型的误差仅为±3%。AHRI 10的系数模型[9]为：y=C1+C2Te+C3Tc+C4Te2+C5TeTc+C6Tc2+C7Te3+C8TcTe2+C9TeTc2+C10Tc3 (1)式中：y——压缩机性能参数，制冷量(W)、功率(W)、质量流量(kg/s)等；C1~C10——由压缩机制造商提供的回归系数；Tc——蒸发温度，℃；Te——冷凝温度，℃。选用比泽尔公司出品的W2TA-K开启往复式R717压缩机及2KSL-1K半封闭往复式R744压缩机为原型。W2TA-K、2KSL-1K压缩机回归系数如表1、表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.009.T001表1W2TA-K压缩机回归系数回归系数制冷量功率质量流量C119 403.481 929.7255.54C2775.94-5.572.16C331.57-39.340.26C411.65-0.773.18×10-2C51.94-1.731.33×10-2C6-1.583.56-1.77×10-3C77.86×10-21.38×10-32.34×10-4C82.74×10-3-1.49×10-21.35×10-4C9-3.32×10-27.16×10-2-4.19×10-5C10-9.50×10-3-3.48×10-2-6.73×10-510.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.009.T002表22KSL-1K压缩机回归系数回归系数制冷量功率质量流量C115 896.69-92.74229.88C2499.70-114.337.28C3-278.4496.93-1.83C45.07-2.827.68×10-2C5-7.812.97-4.93×10-2C61.46-0.501.55×10-2C71.69×10-2-1.95×10-22.86×10-4C8-6.60×10-22.37×10-2-4.82×10-4C93.34×10-2-1.05×10-24.40×10-4C10-1.16×10-23.31×10-3-1.31×10-4根据比泽尔公司选型软件提供的试验功率与计算得到的等熵压缩功率，计算压缩机等熵效率。该效率是压缩机吸排气压力的函数，在不同工况下运行的等熵效率ηCO2,s和ηNH3,s为：ηCO2,s=0.003 569Pr3-0.032 6Pr2+0.133 2Pr+0.542 8 (2)ηNH3,s=0.014 91Pr3-0.133 8Pr2+0.351 2Pr+0.387 1 (3)压缩机实际功耗WT为：WT=mThout-hinηs (4)式中：mT——压缩机制冷剂流量，kg/h；WT——压缩机实际功耗，W。（2）换热器。NH3/CO2复叠双温制冷系统中的换热器主要包含CO2蒸发器（中低温冷柜）、NH3冷凝器和蒸发冷凝器。质量守恒方程为：mr,in=mr,out (5)能量守恒方程为：Qr=mr,in(hr,in-hr,out) (6)式中：m——质量流量，kg/s；Q——换热量，W；h——焓值，kJ/kg；下标r、in、out——制冷剂、入口参数、出口参数。模拟计算中，低温蒸发器使用干式蒸发器，中温蒸发器使用满液式蒸发器，中低温冷柜内默认蒸发温度分别设置为-15 ℃和-30 ℃，中低温冷柜冷量分别为30 kW和60 kW。环境温度变化时，可以通过调节CO2泵功率和阀门开度，改变蒸发器内制冷剂流量，进而对制冷量进行调节[10]。（3）膨胀阀。根据简化条件（5），制冷剂节流前后的焓值不变，则膨胀阀守恒方程为：hr,in=hr,out (7)建立系统各部件的模型后，根据参数间的耦合关系，将部件模型按能量平衡、质量平衡和压力平衡关系连接，构成整个系统模型。复叠式制冷循环的两级独立工作，各自按照逆卡诺循环进行。因为压缩机是整个系统的动力源，选取CO2压缩机进口为起始点进行计算[11]。2系统仿真模型计算与试验验证2.1模拟计算结果2.1.1中低温蒸发温度对制冷系统COP的影响NH3/CO2复叠双温制冷系统高温冷凝温度tk为35 ℃，蒸发冷凝器传热温差△t为5 ℃时，系统COP随低温蒸发温度tle、中温蒸发温度tme的变化如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.009.F003图3系统COP随低温蒸发温度tle和中温蒸发温度tme的变化由图3可知，中温蒸发温度（CO2冷凝温度）tme一定时，tle温度越低，系统COP越低。tme设定为-10 ℃时，tle从-20 ℃降至-50 ℃，系统最大COP由2.121降至1.294，降低了38.9%。tle一定时，系统COP随tme的升高呈现先增大后减少的趋势，系统存在最优tme，使系统COP取得最大值。tle设定为-30 ℃时，tme从5 ℃降至-15 ℃，系统最大COP由1.971(tme=-3 ℃)降至1.704(tme=-15 ℃)，降低了13.5%。2.1.2冷凝温度对制冷系统COP的影响。NH3/CO2复叠双温制冷系统低温蒸发温度tle为-30 ℃，蒸发冷凝器传热温差△t为5 ℃，NH3冷凝温度tk分别取30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃，不同tk下系统COP随中温蒸发温度tme变化趋势如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.009.F004图4不同tk下系统COP随中温蒸发温度tme的变化由图4可知，tme一定时，tk越低，系统COP越高；tk从30 ℃升至45 ℃时，系统最大COP由2.025降至1.572，降低了22.4%。因此，在条件允许的情况下，应尽量降低NH3压缩机排气压力，减小NH3冷凝温度，具体措施可选择提高冷却水流量，增大冷凝器风机功率等。2.1.3复叠传热温差对制冷系统COP的影响。复叠式制冷系统中，高温级循环系统的制冷剂蒸发段与低温级循环系统的制冷剂冷凝段会在同一换热器内进行热交换，该部件被称为蒸发冷凝器（复叠换热器）。蒸发冷凝器的换热效果会影响低温冷凝温度与高温蒸发温度，进而对系统性能系数COP产生影响[12]。NH3/CO2复叠双温制冷系统的低温蒸发温度tme为-30 ℃，冷凝温度tk为35 ℃，复叠传热温差△t分别为3 ℃、5 ℃和7 ℃时，系统COP随中温蒸发温度tme的变化趋势如图5所示。tme一定时，△t越大，系统COP越小；△t从3 ℃升至7 ℃时，系统最大COP从1.948降至1.796，降低了7.81%。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.009.F005图5不同△t下tme对系统COP的影响不同△t下tme对低、高温级制冷剂流量比mL/mH的影响如图6所示。系统中、低温蒸发温度不变（低温级CO2流量相同）时，复叠传热温差△t越大，制冷剂流量比mL/mH越小，即高温级NH3流量越大。通过降低复叠制冷系统蒸发冷凝器传热温差，可以降低系统高温级制冷剂流量，减小高温压缩机功耗，进而提升系统总体COP。在条件允许情况下，可以通过增大蒸发冷凝器换热面积、提高换热器内制冷剂流速等方式，尽可能降低复叠传热温差，提升系统性能。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.009.F006图6不同△t下tme对低、高温级制冷剂流量比mL/mH的影响2.1.4过冷度和过热度对制冷系统COP的影响。过冷度为NH3冷凝器出口过冷度，NH3/CO2复叠双温制冷系统的CO2低温蒸发温度tle为-30 ℃，NH3冷凝温度tk为35 ℃，复叠传热温差△t为5 ℃时，不同NH3过冷度△tg对系统COP的影响如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.009.F007图7不同NH3过冷度△tg对系统COP的影响由图7可知，tme一定时，NH3冷凝器出口处过冷度越大，系统COP越高。△tg从2 ℃升至6 ℃时，系统COP由2.413升至2.937，升高了17.8%。在实际应用中应尽量降低冷却水温度，增强冷凝器换热能力，提升NH3过冷度，从而提升系统性能。过热度为蒸发冷凝器中NH3的出口过热度。NH3/CO2复叠双温制冷系统的CO2低温蒸发温度tle为-30 ℃，NH3冷凝温度tk为35 ℃，复叠传热温差△t=5 ℃，不同过热度△tr对系统COP的影响如图8所示。tme一定时，高温循环的NH3压缩机吸气过热度越大，系统COP越低。过热度从5 ℃升至11 ℃时，系统最大COP由2.531降至2.169，降低了14.3%。过高的吸气温度导致相同压力变化下，压缩机焓值提升，进而降低了压缩机工作效率，影响系统性能。工程中应适当调整高温级制冷剂流量，尽量减小蒸发冷凝器出口处有害过热。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.009.F008图8不同NH3过热度△tr对系统COP的影响3理论结果与试验数据的对比分析中温蒸发温度tme为-15 ℃，冷凝温度tk为35 ℃时，不同低温蒸发温度tle下系统COP理论值与试验值对比如图9所示。试验选取-48 ℃、-40 ℃、-32 ℃、-24 ℃共4个蒸发温度进行对比。随着蒸发温度提升，系统COP增长的趋势大致一致。蒸发温度为-50~-24 ℃时，系统COP理论值与试验值分别为1.21~1.92和0.91~1.46。由于计算时未考虑冷柜风机、照明耗能，未完全按照理想情况下进行计算，忽视了定频压缩机启停能耗，故试验数值均低于理论计算结果。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.009.F009图9不同低温蒸发温度tle下系统COP理论值与试验值对比图10为低温蒸发温度tle为-30 ℃，冷凝温度tk为35 ℃时，不同中温蒸发温度tme下系统COP的理论值与试验值对比。试验选取-15 ℃、-10 ℃、-3 ℃、1 ℃、5 ℃共5个中温蒸发温度。蒸发温度为-15~-5 ℃时，系统COP值的模拟结果与试验结果均呈现先增大后减小的趋势，分别为1.77~1.87和1.45~1.57，最大COP均为tme为3 ℃时。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.009.F010图10不同中温蒸发温度tme下系统COP理论值与试验值对比由于计算时未考虑冷柜风机、照明耗能，未完全按照理想情况下进行计算，忽视了定频压缩机启停能耗，故试验数值均低于理论计算结果。为了得到精确的结果，还需要进一步提高模型的精确度，建立动态模型，分析各部件可能产生的影响，利用系数加以修正。4结语制冷系统是商场超市食品冷藏冷冻环节的重要组成，通过对NH3/CO2复叠双温制冷系统建立模型进行计算，并利用试验数据验证理论结果，得到了不同运行工况下系统性能变化趋势，得出以下结论：（1）针对制冷系统COP值，不同的中低温蒸发温度均对其具有影响，且随着系统中温蒸发温度升高，COP呈现先增大后减小的趋势，即存在最优中温蒸发温度使系统COP最大，结果通过后续试验进行验证。（2）工况一定时，冷凝温度越低，系统COP越高。在条件允许的情况下，应尽量降低NH3压缩机排气压力，减小系统冷凝温度。（3）工况一定时，复叠传热温差越大，高低温级制冷剂流量比越小，系统COP越小，蒸发冷凝器换热性能非常重要。（4）提升NH3的冷凝过冷度，降低其蒸发过热度，系统COP均有提升，故应注意改善系统高温循环换热效率。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.009.F011