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user: 3. 单因素实验设计 影响制冰系统效率的主要因素有冷凝温度、蒸发温度、环境温度以及制冷剂种类，为提高刮削法制取冰浆的效率，进行单因素实验设计，进行影响因素的初步筛选，通过单因素实验设计，将有益于提高系统效率的因素水平进行甄别和选择。 3.1. 冷凝温度的单因素设计 蒸发汽化后的制冷剂，在冷凝器内的一定压力的条件下被冷凝成液体时相应的饱和温度被称为冷凝温度，冷凝温度的高低取决于实验过程的环境条件和压缩机允许的排气压力和温度；冷凝温度过高(40℃以上)会使得冷凝效果达不到预期；同时，如果冷凝温度过低(0℃及以下)，参加循环的制冷剂工质大大减少，换热效率低，因此在制冷剂为R410A，环境温度2℃，蒸发温度为−25℃时，设计冷凝温度分别为10℃、20℃、30℃、40℃进行实验，表1是冷凝温度下系统的各个参数。 Table 1 System parameters at condensation temperatur 冷凝温度(℃) 制冷量(kJ/kg) 压缩机做功(kJ/kg) 冷量㶲(kJ/kg) 制冷系数 10 182.15 37.25 14.28 4.89 20 173.03 46.13 13.42 3.87 30 160.47 49.33 12.42 3.29 40 145.25 65.00 11.32 2.23 表1. 冷凝温度下的系统参数 冷凝温度变化时，各部分㶲损及整体的㶲效率如图5所示。 在冷凝温度升高时，系统的制冷量逐渐降低，而压缩机的做功增加，使得制冷系数和㶲效率降低；在冷凝温度有10℃提高到40℃过程中，冰晶器的㶲损系数降低了7%，压缩机耗功从37 kJ/kg增加至65 kJ/kg，而冰晶器的㶲损都在5 kJ/kg左右；在冷凝温度升高时，冷凝器的㶲损系数从20%提高到42%，在冷凝温度达到30℃以上时，冷凝器的㶲损系数保持在42%左右，冷凝温度过高，制冷剂工质在冷凝器内换热不充分，导致了㶲损系数较高，因此降低冷凝温度可以有效的提高系统的效率。 图5. 冷凝温度变化时的㶲效率及各部分㶲损系数 3.2. 环境温度的单因素设计 制冰系统的实验环境是影响制冰系统效率的重要因素，郑州市地处中原地区，一年四季分明，将郑州市选择为环境温度的实验条件能够较为科学的进行相关实验，并且能够减少偶然因素引起的误差，初春和秋末的平均气温为22℃，夏季温度较高平均温度为32℃，初冬和冬末的平均温度为12℃和2℃ [ 11 ]；因此在冷凝温度40℃，制冷剂为R410A，蒸发温度为−25℃时，设计环境温度分别为2℃、12℃、22℃、32℃进行实验，环境温度变化时系统的㶲效率及各部分的㶲损系数如图6所示。 图6. 环境温度变化时的㶲效率及各组分㶲损系数 环境温度从2℃升高至32℃时，冰晶器的㶲损系数从7.7%上升到34.8%，而冷凝器的㶲损系数从43%降低至13%；制冷剂工质在冰晶器内蒸发吸热，经过压缩机后在冷凝器内释放热量进行冷却，环境温度主要是通过影响换热过程对㶲损系数产生影响，在2℃至32摄氏度时，提高环境温度可以使㶲效率提升了约2%，环境温度对系统的效率影响较小。 3.3. 制冷剂种类单因素设计 目前制冷剂的种类选择已经成为制冰系统以及制冷系统所面对的重要问题，R22制冷剂是目前使用最广泛地制冷剂，属于HCFC类制冷剂，但是R22制冷剂会对环境造成极大的破坏，因此寻求合理的制冷剂R22的替代物是当前的研究热点之一 [ 12 ]。R410A制冷剂是一种新型环保的制冷剂，是两种烷的混合物(R32和R125)，其不会破坏臭氧层，R410A制冷剂的GWP比R22的GWP高了16%，性能系数COP大约提升8%，因此R410A被视为R22的中长期的制冷剂替代物 [ 13 ]。R407C是一种三元非共沸混合物，其 ODP值为0，GWP值较高，它是直接替代R22的合适工质，可不换压缩机，但R407C的主要缺点是传热性能较差 [ 14 ]。R404A制冷剂可以在一定程度上替代R22，但其使用成本过高，不易大量使用。 R1234ze属于氢氟烯烃制冷剂，ODP为0，R1234ze的GWP值远小于其他几种工质的值，R1234ze制冷剂的不足之处是该制冷剂的单位制冷量较低，而R152A制冷剂具有较高的单位容积的制冷量和能效比，但是制冷剂R152A具有较大的可燃性，可能存在较大的安全隐患 [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]。因此目前有学者提出使用混合工质NCUR01 (R1234ze:R152A = 40:60)，可以使得含有40%的R1234ze不燃组分加入到易燃组分R152A中去，能够有效地提升新型制冷剂的安全性能，而且NCUR01制冷剂ODP值也为0，对环境影响较小，是可以替代R22制冷剂的可行性新型制冷剂 [ 20 ]。因此在冷凝温度40℃，环境温度2℃，蒸发温度为−25℃时，设计制冷剂种类分别为R410A、R404A、R407C、R1234ze、R152A、R1234yf进行实验，表2是不同制冷剂时的系统参数。 Table 2 System parameters of different refrigerant 制冷剂种类 制冷量(kJ/kg) 压缩机做功(kJ/kg) 冷量㶲(kJ/kg) 制冷系数 R410A 145.25 65.00 11.32 2.23 R404A 92.31 49.84 7.24 1.85 R407C 136.05 68.09 10.66 2.21 R1234ze 111.75 53.95 8.76 2.07 R152A 118.08 85.96 17.09 2.54 R1234yf 91.91 46.92 7.20 1.96 NCUR01 172.29 71.34 13.50 2.42 表2. 不同制冷剂的系统参数 制冷剂工质变化时，系统的㶲效率及各部分的㶲损如图7所示。 图7. 制冷剂变化时的㶲效率及各部分的㶲损系数 当制冷剂为R410A、R407C和混合工质NCUR01时，系统制冷系数在2.2左右，㶲效率均为18%左右，适合作为制冰系统的工质。冰晶器的㶲损系数波动幅度只有2%左右，不同的制冷剂种类对冰晶器的㶲损影响不大。而新型的混合制冷剂工质NCUR01在使用过程中冷凝器的㶲损系数只有20%，相较于大多数制冷剂这一数值较低，但压缩机㶲损系数较高达到35%，这是由于新型制冷剂在实际应用过程中对压缩机的要求更高，因此在使用这一制冷剂时要注意与压缩机匹配。 3.4. 蒸发温度的单因素设计 制冷系统的蒸发温度是影响制冷系统运行效率的关键因素，蒸发温度是工质在工作压力下的沸点。蒸发温度的高低决定了蒸发压力的大小，同时影响着压缩机在实际工作工程中的效率，因此在冷凝温度40℃，制冷剂为R410A，环境温度2℃，设计蒸发温度分别为−25℃、−15℃、−5℃、5℃，表3是蒸发温度变化时系统的参数。 Table 3 System parameters at evaporation temperatur 蒸发温度(℃) 制冷量(kJ/kg) 压缩机做功(kJ/kg) 冷量㶲(kJ/kg) 制冷系数 −25 145.25 65 11.32 2.23 −15 149.45 52.23 11.71 2.86 −5 153.45 42.62 12.03 3.59 5 157.15 34.01 12.32 4.62 表3. 蒸发温度下的系统参数 蒸发温度变化时，系统的㶲效率及各部分的㶲损如图8所示。 图8. 蒸发温度变化时的㶲效率及各部分的㶲损系数 在蒸发温度为−25℃冷凝器的㶲损系数为43.2%，造成了多数能量的损失；在蒸发温度为5℃时，冰晶器的㶲损系数达到了13.4%，㶲损系数最高，蒸发温度升高时，冰晶器内的蒸发吸热过程收到负面影响，降低其换热效率；同时较高的蒸发温度会使压缩机的排气温度升高，会影响压缩机的正常工作，蒸发温度同时也不能过低，蒸发温度−25℃以下时，系统的工作效率低下，不利于相关实验的开展。