本文由Chun-Yu Hsieh和Rong-Hua Yeh撰写，发表于2024年4月29日的《Processes》期刊，题为《Performance Enhancement Analysis of Environmentally Friendly Refrigerants》。该研究由台湾国立高雄科技大学海洋工程系的研究人员完成，旨在分析21种具有极低全球变暖潜能（GWP）和零臭氧消耗潜能（ODP）的制冷剂在不同蒸发和冷凝温度下的性能系数（COP），并探讨如何通过双级制冷系统和混合制冷剂来提高制冷系统的性能。

研究背景

随着全球变暖和气候变化的加剧，温室气体的影响引起了广泛关注。为了减少对全球环境的进一步破坏，研究低GWP和零ODP的制冷剂成为迫切需求。传统的氯氟烃（CFCs）和氢氯氟烃（HCFCs）虽然对臭氧层的破坏较低，但仍对环境有害。尽管氢氟烃（HFCs）对臭氧层破坏较小，但其高GWP值使其成为温室气体的重要来源。因此，寻找低GWP的替代制冷剂，如碳氢化合物（HCs）和氢氟烯烃（HFOs），成为当前研究的热点。

研究流程

研究分为以下几个步骤： 1. 单级蒸汽压缩制冷系统：研究在蒸发温度为10°C、-20°C、-40°C和-60°C，冷凝温度为30°C、40°C和50°C的条件下，21种制冷剂的COP表现。通过热力学方程和RefProp软件计算制冷剂的热力学性质，如焓（h）、熵（s）和压力（p）。 2. 双级蒸汽压缩制冷系统：针对低温应用（蒸发温度为-40°C和-60°C），研究双级制冷系统的COP表现。通过中间冷却器降低压缩机的功耗，从而提高系统的COP。 3. 混合制冷剂优化：研究R717（氨）和R1234yf混合制冷剂在不同质量分数下的COP表现，并通过牛顿-拉夫森法找到最优混合比例。

主要结果

1. 单级制冷系统：在蒸发温度为10°C时，R1234ze(z)、R601和R1233zd(e)表现最佳，而R441a表现最差。随着蒸发温度的降低，RE170在-40°C和-60°C时表现出最高的COP，而R1234yf在低温下表现较差。
2. 双级制冷系统：在低温条件下，双级制冷系统显著提高了COP。R1234yf在-40°C和-60°C时的COP提升最大，而R717的提升最小。
3. 混合制冷剂：R717/R1234yf混合制冷剂在最优质量分数下，COP可提高25.8%，尽管操作压力增加了15.2%，但压缩机排气温度未超过94°C，不会出现过热问题。

结论

研究表明，通过使用双级制冷系统和混合制冷剂，可以显著提高制冷系统的COP。R1234ze(z)、R601和R1233zd(e)在单级系统中表现优异，而RE170在低温条件下表现最佳。R1234yf在低温下表现较差，但在双级系统中提升显著。R717/R1234yf混合制冷剂在最优比例下可显著提高系统性能。

研究亮点

1. 重要发现：R1234ze(z)、R601和R1233zd(e)在单级系统中表现最佳，RE170在低温条件下表现优异。
2. 方法创新：通过双级制冷系统和混合制冷剂优化，显著提高了制冷系统的COP。
3. 应用价值：研究结果为选择低GWP和零ODP的制冷剂提供了理论依据，有助于减少温室气体排放，推动环保制冷技术的发展。

研究意义

该研究为制冷系统的性能优化提供了新的思路，特别是在低温应用场景下，双级制冷系统和混合制冷剂的使用显著提高了系统的能效。研究结果对制冷行业的技术革新和环保政策的制定具有重要的参考价值。