（制冷及低温工程专业论文）自然工质R290COlt2gt复叠式制冷循环的实验研究.pdf

中文摘要 摘要 用于获得一4 0 以下低温的复叠式制冷系统一般由两个单级压缩制冷循环叠 加而成，通常分别采用r 2 2 和r 1 3 作为高、低温级制冷剂，由于r 2 2 和r 1 3 对大 气臭氧层有破坏作用，且会产生严重的温室效应，因此r 2 2 和r 1 3 在制冷系统中 的使用受到了限制，越来越多的制冷系统将采用对环境友好的自然工质。本文在 复叠式制冷系统中采用自然工质r 2 9 0 和c 0 2 ，对系统进行了理论分析和实验研 究。研究内容主要有以下几个方面： 1 从理论上对循环进行了分析。认为r 2 c o c 0 2 复叠式制冷系统存在最优的 低温级冷凝温度使得循环c o p 最大，且蒸发温度越低，最优的低温级冷凝温度越 低：减少冷凝蒸发器传热温差能提高循环的c o p 和循环的最佳质量流量比。 2 实验研究部分，通过改变工况，研究了性能系数、高低温级压缩机的压 比、压缩机排气温度随冷冻箱内温度的变化情况，以及不同冷凝温度下最佳质量 流量比、最佳系统c o p 随蒸发温度的变化情况。还对高温级压缩机分别充灌r 2 9 0 和r 2 2 制冷剂，低温级充灌c o ：制冷剂的情况下进行了实验研究。结果发现， r 2 9 0 c o ，复叠式制冷系统能够给冷冻箱提供稳定的制冷量，使冷冻箱温度降低至 一4 0 。r 2 9 0 循环的c o p 要比c o ：循环的大，r 2 9 0 c 0 2 复叠式制冷循环性能系数 约为0 5 5 左右。冷凝温度一定时，蒸发温度升高、最佳质量流量比增大；蒸发 温度一定时，冷凝温度降低，最佳质量流量比增大。实验证明在r 2 2 压缩机中直 接充灌r 2 9 0 完全可行，而且高温循环c o p 有所提高。在实验研究的同时发现了 系统运行中的一些问题，有待于在后续的研究工作中进一步完善。 关键词：制冷复叠式自然工质r 2 9 0c o ： a b s t r a c t t r a d i t i o n a lc a s c a d er e f r i g e r a t i o ns y s t e m sa i m st oa c h i e v el o wt e m p e r a t u r eu pt o - 4 0 a r em a d eu po ft w oo n e s t a g ec o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m su s i n gt h e w o r k i n gf l u i dr 2 2a n dr 1 3 r 2 2a n dr 1 3n o to n l yd e s t r o yt h eo z o n el a y e rb u ta l s o g e n e r a t eg r e e n h o u s ee f f e c t s t h e r e f o r et h er e s e a r c ha c c o r d i n gt ot h en e ww o r k i n g f l u i d si sv e r yu r g e n tt o d a y t h i ss t u d yi sa b o u tac a s c a d er e f r i g e r a t i o ns y s t e mw i t h n a t u r a lw o r k i n gf l u i d sr 2 9 0a n dc 0 2 t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h a r em a d ei nt h i ss y s t e m t h em a j o ra c c o m p l i s h m e n t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h e o r e t i c a la n a l y s i si sm a d ea c c o r d i n gt ot h es y s t e m t h e r ee x i s t sa no p t i m u m c o n d e n s i n gt e m p e r a t u r eo ft h el o w - t e m p e r a t u r es t a g ew h i c hg e t t i n gt h em a x i m a l s y s t e mc o et h eo p t i m u mc o n d e n s i n gt e m p e r a t u r ed e c r e a s e sw i t h t h es y s t e m e v a p o r a t i n gt e m p e r a t u r e t h es y s t e mc o pa n dt h eo p t i m u mm a s sf l o wr a t i ow i l l i n c r e a s ew h e nt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo fh e a t ：r a n s f e ri nt h ec o n d e n s e r e v a p o r a t o r d e c r e a s e s 2 i nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d y , t h es y s t e mw o r k i n gc o n d i t i o n sw e r ev a r i e db yt h e e v a p o r a t i n gp r e s s u r e ，c o o l i n gw a t e rt e m p e r a t u r ea n dc o o l i n gw a t e rf l u x t h ec o p o f e v e r ys t a g e ，t h es y s t e mc o p , t h ep r e s s u r er a t i oo fl o wt e m p e r a t u r ea n dh i g h t e m p e r a t u r e ，t h ed i s c h a r g et e m p e r a t u r eo fc o m p r e s s o ra r es t u d i e da st h et e m p e r a t u r e d r o pi nt h ef r e e z i n gb o x t h eo p t i m u mm a s sf l o wr a t i oa n dt h em a x i m a ls y s t e mc o p v a r i e dw i t he v a p o r a t i n gt e m p e r a t u r ei nt h es a m ec o n d e n s a t i o nt e m p e r a t u r e sa r ea l s o s t u d i e d t h ec o m p r e s s o rs u c t i o np r e s s u r e ，t h ep o w e rc o n s u m p t i o na n dt h ec o pv a r i e d w i t hh i i g ht e m p e r a t u r ec o m p r e s s o rs u c t i o nt e m p e r a t u r ea r es t u d i e da st h ec o m p r e s s o r c h a r g e dw i t hr 2 9 0a n dr 2 2r e s p e c t i v e l y f r o mt h ee x p e r i m e n t a ls t u d y , i ti sf o u n dt h a t t h er 2 9 0 c 0 2c a s c a d er e f r i g e r a t i o ns y s t e mc a na f f o r dt h es t a b l er e f r i g e r a t i n go u t p u t s oa st og e tt h e 一4 0 t e m p e r a t u r ei nt h ef r e e z i n gb o x s e v e r a lp r o b l e m sa r ep u t f o r w a r dw h i c hn e e df u r t h e rs t u d y t h ec o po ft h er 2 9 0c y c l ei sh i g h e rt h a nt h ec 0 2 s y s t e m s t h er 2 9 0 c 0 2c y c l es y s t e mc o p i sa b o u t0 5 5 i nt h es a m ec o n d e n s i n g t e m p e r a t u r e ，t h e m a x i m a lm a s sf l o wr a t i ow i l li n c r e a s ew h e nt h e e v a p o r a t i n g t e m p e r a t u r ei n c r e a s e s i nt h es a m ee v a p o r a t i n gt e m p e r a t u r e ，t h em a x i m a lm a s sf l o w r a t i ow i l li n c r e a s ew h e nt h ec o n d e n s i n gt e m p e r a t u r ed e c r e a s e s t h ef e a s i b i l i t yi s p r o v e dt h a tt h er 2 2c o m p r e s s o rc a nb ec h a r g e dw i t hr 2 9 0a n dt h ec o po ft h e h i g h t e m p e r a t u r es t a g ei n c r e a s e sal i t t l e s e v e r a lp r o b l e m sa r ea l s op u tf o r w a r dw h i c h n e e df i l r t h e rs t u d y k e y w o r d s ：r e f r i g e r a t i o n ，c a s c a d e ，n a t u r a lw o r k i n gf l u i d ，r 2 9 0 ，c 0 2 主要符号表 主要符号表 符号名称单位 q d循环制冷量 k w m l c o ：循环质量流量k g s n i lc o ：压缩机的指示效率 q “c o 。压缩机机械效率 r l0 1c 0 ：压缩机电效率 n 。 c o 。压缩机的输入功率 k w k l h r 2 9 0 循环质量流量 k g s r l l hr 2 9 0 压缩机的指示效率 n 栅机械效率 i l 椰h 电效率 n 。r 2 9 0 压缩机的输入功率 k w t冷凝蒸发器传热温差 t 4 c o ：循环冷凝温度 c o p 循环性能系数 学位论文使用授权声明 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解天津商业大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权天津商业大学可以将学位论文的全都或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向有关部 门或机构送交论文的复印件和磁盘。 聊躲蹦 签字同期：门年韶函夕日 第一章绪论 1 1 自然工质研究现状 第一章绪论 在制冷空调行业中，由于大量使用c f c s 和h c f c s 制冷工质，造成大气层臭氧 空洞的危害，己被人们广泛认识。因此，寻找新的对环境无害的合适的工质，以 及新工质的替代研究是目前人们尤其是制冷空调领域业内人士关注的一个热点。 从1 9 8 5 年的保护臭氧层的维也纳公约到1 9 8 7 年的蒙特利尔议定书，以及 1 9 9 0 年伦敦会议和1 9 9 2 年哥本哈根会议对蒙特利尔议定书的修正，世界范围内的 c f c s 替代进程在不断加快。1 9 9 1 年6 月，我国在修改的蒙特利尔议定书上签 字，成为缔约国之一。1 9 9 2 年5 7 月编制了“中国消耗臭氧层逐步淘汰国家方案”， 并于1 9 9 3 年1 月经国务院批准。按照“国家方案”，逐步淘汰消耗臭氧层物质已 经成为一项国际责任。c f c s 的禁用对制冷空调行业造成了巨大的冲击。因此，目 前制冷界面临的主要问题之一就是工质替代。 就目前研究工作来看，替代制冷剂的选择有四种思路： ( 1 ) 用h c f c s 替代c f c s 。如用r 2 2 替代r 1 2 。这主要考虑到h c f c s 在大气中 的寿命短，臭氧破坏系数( o d p ) 值小，对臭氧的破坏能力较c f c s 小，温室效应 系数( g w p ) 也不大。但这是过渡性措施，根据蒙特利尔议定书，发达国家2 0 3 0 年，发展中国家2 0 4 0 年将禁止使用h c f c s 。 ( 2 ) 用h f c s 替代c f c s 和h c f c s 。如用r 1 3 4 a 替代r 1 2 和r 2 2 。这类物质由 于不含氯，不消耗臭氧层，o d p 值为零，但温室效应系数很高，因此这类制冷剂也 不能作为长期使用的替代物。 ( 3 ) 用h c f c s 和h f c s 混合工质替代c f c s 和h c f c s 。如用r 4 1 0 a ，r 4 0 9 a 替代 第一章绪论 r 1 2 ，用r 4 0 7 c ，r 4 1 0 a 替代r 2 2 。由于混合物中含有t t c f c s ，所以这类替代物也是 过渡性的替代物。 ( 4 ) 用自然工质( 包括碳氢化合物) 替代c f c s 和h c f c s 。如用r 2 9 0 ，r 6 0 0 a 替代r 1 2 、r 2 2 ，用c 0 2 在汽车空调中替代r 1 2 。这类物质的o d p 值为零，且具有较 小的g w p 值，因此可以作为长期使用的制冷剂。 可见，c f c s 替代的首要原因是因为它们破坏臭氧层，因此新的替代工质必须 对于臭氧层没有破坏。h f c 类工质，因为对于臭氧层没有破坏力，成为替代c f c s 的重要工质，特别是h f c l 3 4 a 作为c f c l 2 的替代物已被大规模生产与应用。h f c s 虽 然不破坏臭氧层，但它们化学性能稳定，释放后能够积累，这最终将导致明显的 温室效应。虽然人们可以努力合成性能更佳的工质，但由于制冷剂的使用量非常 大，最终将不可避免地有相当部分泄漏到大气中去。任何大量人工合成物质泄漏 到自然界中，都会对于环境造成影响，因此现在普遍的观点是采用自然工质。目 i i 自然工质的研究主要集中在碳氢化合物、n h 3 、二氧化碳等方面。 1 1 1 碳氢化合物 碳氢化合物作为自然工质具有较好的环境适应性，无毒、化学特性稳定，和 许多材料兼容，易溶于各种矿物油，而且具有温度滑移，可以提高系统的性能。1 。 对碳氢化合物的研究主要集中在烷烃上。表卜1 给出了几种可用于制冷剂的烷烃 的性质。 作为制冷剂的碳氢化合物主要有：甲烷( r 5 0 ，c 地) 、乙烷( r 1 7 0 ，c 。h 6 ) 、丙 烷( r 2 9 0 ，c ，h 。) 、丁烷( r 6 0 0 ，c ；h 。) 、异丁烷( r 6 0 0 a ，i c 。h 。) 、丙烯( r 1 2 7 0 ， c 扎) 等。这些制冷剂中，r 6 0 0 a 曾在1 9 2 0 1 9 3 0 年作为小型制冷装置的制冷工质， 2 第一章绪论 表1 1 几种碳氢制冷荆主要性能比较 项目r s or 1 7 0r 2 9 0r 6 0 0r 6 0 0 a 分子式 c m c z | 1 6 c 。m c h i oc h l o 分子量度m ，k g m o l 1 6 0 43 0 0 64 4 15 8 0 85 8 0 8 标准人气压卜沸点t ， 一1 6 1 58 8 64 2 1 70 61 1 _ 7 3 绝热指数k 1 3 l1 1 81 1 31 1 0 凝同点温度t ， 一1 8 2 81 8 3 21 8 7 11 3 5 01 6 0 临界温度t n 一8 2 5 3 2 0 9 6 81 5 3 0 1 3 5 临界压力p r ， 4 6 54 ，9 3 34 2 5 63 5 33 6 4 5 临界比容v ，m 3 k g 6 1 74 74 4 64 2 94 5 2 6 后来由于可燃性等原因，被氟利昂制冷工质取代了。在c f c s 制冷工质会被取代的 今天，作为天然制冷工质的r 6 0 0 a 又重新得到重视。尽管r 1 3 4 a 在许多方面具有 取代r 1 2 的工质的优越性，但它具有较高的g w p 值，因此许多人倡导在制冷温度 较低的场合( 如电冰箱) ，用r 6 0 0 a 作为r 1 2 的永久替代物。r 2 9 0 沸点和凝固点比 r 6 0 0 a 低，蒸汽压较高、容积制冷量比r 6 0 0 a 大，可以在低温应用中作为制冷剂 r 2 2 和r 5 0 2 的替代物。r 2 9 0 还常被用作混合制冷工质的一个部分，如r 4 0 2 a 、r 4 0 2 b 、 r 4 0 3 a 、r 4 0 3 b 、r 2 9 0 、r 6 0 0 a 、r 6 0 0 的混合物可以在家用制冷机中作为r 1 2 的替代 物，而且碳氢化合物具有比r 2 2 更好的传热性能嘲。r 5 0 作为制冷剂常用在低温区， 它通常被用来制取一1 6 0 以上的低温，但由于它的临界温度较低，环境温度下已 经是超临界状态，因此，它往往被用于复叠式制冷的低温级制冷系统中。 1 1 2 n i l 3 氨已被使用达1 2 0 年之久而至今仍在许多国家的大型工业系统中应用。其优 点是o d p = o 、g w p = o ，且具有优良的热力性质，价格低廉且容易检漏，是当今制冷 3 第一章绪论 量2 5 k w 以上采用往复式或回转式压缩机的标准制冷装置中最具生命力的制冷剂， 在适宜的机器设备中更小容量的氨制冷机也已逐渐推向市场，新设计的系统中所 需氨的充灌量已大为减少，系统的密封性能有较大改进。人们对氨考虑更多的是 氨的安全性，主要是毒性和可燃性，其次是具有刺鼻的气味。实际上它的毒性只 有氯气的1 1 0 1 5 0 ；其着火极限为1 5 5 ( 容积比) ，比通常的烃类和天然气高 3 7 倍，而燃烧热却比它们少一半左右。1 0 0 多年的历史经验表明，氨的事故率 是很低的。一项最近的调查表明，氨的事故率至多是和卤化物一样的。由于氨有 强烈的刺激气味，实际上氨蒸汽在空气中的浓度达到5 p p m 时，已能闻到，这比眼 睛和喉咙受到刺激的浓度低5 1 0 倍，因此一旦有微小的泄漏就会被及时的发现， 而这一浓度远低于氨的着火浓度。另外，氨比空气轻，很容易上升从屋顶溢出室 外，当氨与水接触时，能很快的被水吸收，这一性能可用来消除空气中的氨蒸汽， 大大减少了事故的发生。通过近几年的研究和开发，新型氨制冷系统一经有效解 决了上述问题。将氨制冷机设置在公共建筑内，单位制冷量的氨的充灌量不超过 0 1 o 5 k g k w ，而且需要有可靠的报警系统和氨清除系统。由于氨和普通润滑油 的不溶性，给氨制冷机的润滑带来了困难。为扩大氨的应用范围，主要的研究方 向应是开发气体冷却的半封闭或全封闭压缩机，目前已经研制出能溶于氨的合成 润滑油，并且需要有能耐氨和该种润滑油的铝导线和绝缘材料。 1 1 3 二氧化碳 上世纪9 0 年代初，前国际制冷学会主席，挪威的l o r e n t z e n 教授大力提倡使 用自然工质以解决f 1 益严重的环境问题“”，特别是对于c 0 2 的研究和推广做出了 很大贡献，提出了跨临界二氧化碳理论，并试制了世界上第一台c 0 2 跨临界循环轿 4 第一章绪论 车空调系统样机嘲”“1 。从此c 0 2 制冷装置的研究与应用又一次成为全球重视的热点 c 0 2 作为制冷剂具有许多不可替代的优点： 对环境友好。c 0 2 是自然界天然存在的物质，其对大气臭氧层破坏的潜能为零 ( o d p = 0 ) ，可以从根本上解决对环境污染的问题；其温室潜能极小( g v p = 1 ) ， 是r 1 3 4 a 的和r 2 2 的千分之一。随着制冷空调设备数量的增加，对各种制冷工质 的需要量逐年上升，制冷工质泄漏的可能性和泄漏量也越来越大。所以，选择对 人类自身生存环境无破坏作用的自然工质c 0 2 是有利于环保和安全的。 安全性好。c 0 2 具有无毒、不可燃和无臭的特点，即使在高温下也不分解产生 有害气体。并且，因为c o ：是碳的最高氧化状态，具有非常稳定的化学性质。c 0 2 与水混合时星弱酸性，可腐蚀碳钢等普通金属，但不腐蚀不锈钢和铜类金属。当 输送的c 0 2 比较干燥( 含水率小于8 p p m ) 时，采用普通的碳素钢即可。 来源广泛，价格低廉。可直接由工业废气中提取，不增加环境负担。维护成 本低，无需回收或再生；操作与运行的费用也较低。 单位容积制冷量大。c o ：n 冷机的工作压力较高，因此其压缩机吸气比容较小， 单位容积制冷量大( 高达2 2 6 m j m 3 ) ，约为传统制冷剂的5 8 倍9 1 。同时c o 。优良 的流动和传热特性，可显著减小压缩机与系统的尺寸，使整个系统非常紧凑，而且 运行维护也比较简单，具有良好的经济性能。 压比小。虽然二氧化碳压缩机的排气压力大，在1 1 m p a 甚至更高，但吸气压 力与常规制冷循环相比大了很多，使得压比小，压缩机的容积效率较高。 环境性适应好。跨临界二氧化碳循环的排热过程是在超临界工况下进行的， 使得整个放热过程没有相变现象的产生。压缩机的排气温度较高( 可达1 0 0 c 以上) 5 第一章绪论 并且放热过程为变温过程，有较大的温度滑移，因此比较适合汽车空调这种恶劣的 工作环境。 c 0 2 制冷机的研究在国内外日益广泛和深入，考虑到c o 。的i 缶界温度接近环境 温度，为了提高其系统性能和经济性，可以实现三种循环：( 1 ) 亚临界制冷循环 ( s u b c r i t i c a lc y c l e ) 。c o ：亚临界循环中，压缩机的吸、排气压力都低于临界压 力，蒸发温度、冷凝温度也低于临界温度，循环的吸、放热过程都在亚临界条件 下进行，换热过程主要依靠潜热来完成。早年的c 0 ：制冷系统多为亚临界循环，目 前应用于复叠式制冷循环中。( 2 ) 跨临界制冷循环( t r a n s c r i t i c a lc y c l e ) 。c 0 2 跨临界循环中，压缩机吸气压力低于临界压力，蒸发温度也低于临界温度，循环 的吸热过程仍在亚临界条件下进行，换热过程主要是依靠潜热来完成。但是压缩 机的排气压力高于i 临界压力，工质的冷凝过程与在亚临界状态下完全不同，换热 过程依靠显热来完成，此时的高压换热器不再称为冷凝器，而称为气体冷却器( g a s c o o l e r ) 。此类循环是当前c 0 ：制冷循环研究中最为活跃的循环方式。在复叠式制 冷一热泵循环中也采用此类循环。目前在研究的c o ：汽车空调中，基本上都是采用 跨临界制冷循环方式。跨临界c 0 。制冷机研制以及其性能的研究，在国内外都是一 个新点和热点。美国、德国、日本、挪威、丹麦等国家的一些研究机构、高等院 校和公司企业，对已经开发的汽车空调系统中的压缩机样机和各种热交换器进行 了大量的理论与实验研究。到目前为止，各种专用的c 0 2 压缩机已经研制成功，为 适用不同场合的要求，也正在对高效热交换器( 蒸发器、冷凝器和回热器) 、泵、 阀门以及膨胀机构等进行研究和开发。国内的研究目前大多是资料介绍和原理分 析“，采用实验研究，建立相应的实验装置，对c o z 制冷机零部件、换热设备进 行换热分析和可靠性分析的研究还很少。( 3 ) 超临界循环( h y p e r c r i t i c a lc y c l e ) 。 6 第一章绪论 c 0 ：超l 临界循环中，所有的循环都在临界点以上，工质的循环过程没有相变，不能 变成液态，实际上是气体循环。完全的超l 临界循环，只有在原予能发电时采用， 制冷空调应用中则不采用该循环方式。 目前c o ：的研究和应用主要集中于三个方面“”：一方面是最急需替代制冷剂的 场合，如汽车空调，由于制冷剂排放量大，对环境的危害也大，必须尽早采用对 环境无害的制冷剂；另方面是考虑到c o 。循环的特点，最利于采用这种循环的应 用场合，如热泵热水器则是考虑到c 0 ：在超临界条件下的放热存在一个相当大的温 度滑移有利于将热水加热到一个更高的温度的特点而备受关注；再一方面是考虑 到c 如的热物理性质和迁移特点，采用c 0 ：作为制冷剂，如考虑到c 0 2 良好的低温流 动性能和换热特性，采用c 0 2 作为复叠式制冷循环的低温级制冷剂。 在以空气为热源的制冷和热泵系统( 主要是汽车空调以及家用空调) 中，c 0 ： 循环在跨临界条件下运行，其工作压力虽然高，但压比却很低，压缩机的效率相 对较高；超临界流体优良的传热和热力学特性使得换热器的效率也很高，这就使 得整个系统的能效较高，完全可与传统的制冷剂( 如r 1 2 、r 2 2 等) 及其现有的替 代物( 如r 1 3 4 a 、r 4 1 0 a 等) 竞争。加上c o 。在气体冷却器进口空气温度与出口制 冷剂温度可能非常接近，这可以减少高压侧不可逆传热引起的损失。为了减轻重 量、缩小尺寸及增加安全性，换热器的优化设计也正在进行。另外，c 0 ：在热泵方 面的特性，还可以解决现在汽车空调冬季不能向车厢提供足够热量的缺陷。 以水或赫水为热源的各种热泵系统中，尤其是热泵热水器，c 0 2 循环同样在跨 临晃条件下运行，压缩机、换热器方面的优势依然存在；最主要的是c o 。在气体冷 却器中较大的温度变化，正好适合于水的加热，从而使热泵的效率较高，同样可 与传统的制冷剂( 如r 2 2 等) 及其现有的替代物( 如r 1 3 4 a 、r 4 1 0 a 等) 竞争。 7 第一章绪论 在复叠式制冷系统中，c o ：循环多在亚临界条件下运行。此时c 0 2 用作低温级 制冷剂，高温级用r 2 9 0 或n h ，作制冷剂。与其他低温制冷剂相比，即使处在低温， c 仉的粘度也非常小，传热性能良好，因为利用潜热，其制冷能力相当大。目前欧 洲的超市中已建立了几个这种用c 0 ：作低温级制冷剂的复叠式制冷系统，运行情况 表明技术上是可行的，这种系统还适用于低温冷冻干燥过程。 1 2 复叠式制冷循环简介 1 2 1 复叠式制冷循环 在工业和商业制冷的应用中，如果要求制冷温度较低时，采用通常的蒸汽压 缩式制冷循环很难达到要求。因为当蒸发温度和冷凝温度相差很大时，找不到一 种制冷剂既满足冷凝压力不太高又满足蒸发压力不太低的要求。如果冷凝压力过 高，为了保证足够的强度，冷凝器和高压管道的壁厚均需要增加，结果使制冷机 笨重庞大。如果蒸发压力过低，由于低压部分在真空下运行，增加了空气漏入系 统的可能性，同时由于级压比增大，使压缩机输气系数降低。而且蒸发压力过低 时，吸气状态下制冷剂的比容增大，使压缩机尺寸增大。另外，对于适用于氨活 塞式制冷压缩机的循环，压缩比一般不能超过1 0 ，吸气压力不能低于0 0 1 5 m p a ， 如果要达到更低的蒸发温度，即使级数再多也无能为力。如果改用沸点低的制冷 剂，虽然蒸发压力可不低于0 0 1 5 m p a ，但其冷凝压力太高，接近临界压力，此时 循环的节流损失很大。因此应用单一的低温制冷剂的循环是不利的。 因此当制冷温度很低时，就可以采用复叠式制冷系统。它既能满足在较低蒸 发温度下蒸发时合适的蒸发温度，又可以满足在环境温度下冷凝时适中的冷凝压 力。复叠式制冷循环通常由两个( 或数个) 采用不同制冷剂的单级制冷系统组成。 8 第一章绪论 通常高温系统使用高沸点制冷剂，低温系统使用低沸点制冷剂，各自成为一个使 用单一制冷剂的制冷系统。高温系统中制冷剂的蒸发用来冷凝低温系统中的制冷 剂。低温系统中的制冷剂，在蒸发时向被冷却对象吸热( 制取冷量) 。图1 - 1 表示 两个单级压缩系统组成的复叠式制冷循环的原理图。 c 图1 - 1由两个单级压缩系统组成的复叠式制冶循环 a 、b 一低、高温级压缩机 c - - ；舍凝器d 一冶凝蒸发器e _ 一蒸发器p 一节流阀 表1 2 复叠式制冷循环的组合型式与制冷温度和制洽剂种类的关系”8 最低蒸发温度 c制冷剂制冷循环型式 1 1 2 2 - r 2 3 r 2 2 单级或两级压缩一r 2 3 单级压缩组合的复叠式循环 - 8 0 r s 0 7 - r 2 3 r 5 0 7 单级或两级压缩一r 2 3 单级压缩组合的复叠式循环 r 2 9 0 一r 2 3 r 2 9 0 两级压缩一r 2 3 单级压缩组合的复叠式循环 r 2 2 - r 2 3 r 2 2 两级压缩一r 2 3 单级或两级压缩组合的复叠式循环 r s 0 7 - r 2 3 r 5 0 7 两级压缩一r 2 3 单级或两级压缩组合的复叠式循环 - 1 0 0 r 2 2 - r 1 1 5 0 r 2 2 两级压缩一r 11 5 0 单级乐缩组合的复叠式循环 r 5 0 7 一r 11 5 0 r 5 0 7 两级压缩一r 11 5 0 单级压缩组合的复叠式循环 r 2 2 - r 11 5 0 r 2 2 两级压缩一r 1 1 5 0 两级压缩组合的复叠式循环 r 5 0 7 一r 1 1 5 0 r 5 0 7 两级压缩一r 1 1 5 0 两级压缩组合的复替式循环 一1 2 0 r 2 2 一r 2 3 - r 5 0 r 2 2 单级压缩一r 2 3 单级压缩一r s o 单级压缩组合的复替式循环 r 5 0 7 r 2 3 r 5 0 r 5 0 7 单级压缩一r 2 3 单级压缩一r 5 0 单级压缩组合的复叠式循环 9 第一章绪论 表卜2 列出了不同工质组合的复叠式制冷循环所能制取的低温。从表中可以 看出，如果要获得一8 0 一1 2 0 c 的低温，利用复叠式制冷循环一般要采用两级压缩 和单级或两级压缩组合的型式。 1 2 2 自然工质复叠式制冷循环国内外研究综述 目前应用于复叠式制冷循环中的自然工质的研究主要集中在c o 。，r 2 9 0 和n 心 等方面。 1 2 2 1 国外研究状况 t z o n g - s h i n gl e e ，和c h e n g h a ol i u “”对c o j n h 。复叠式制冷系统中的最优低 温级冷凝温度进行了热力学分析。研究表明，最优低温级冷凝温度随着循环冷凝 温度、蒸发温度和冷凝蒸发器传热温差的升高而升高。循环最大c o p 随着循环蒸 发温度的升高而升高，但是随着冷凝温度和冷凝蒸发器传热温差的增加而降低。 推导出了最优低温级冷凝温度和循环最大c o p 的计算公式。 一4 0 6 3 + 0 4 墨+ 0 4 t 1 + a t c o p m 。一1 0 8 1 8 0 0 2 2 n j + 0 0 3 1 5 王一0 0 2 8 3 a t ( 1 一1 ) ( 1 - 2 ) 其中，t j ，l ，t 。，t 分别指系统蒸发温度、低温级冷凝温度、冷凝温度、 冷凝蒸发器传热温差。 s o u v i kb h a t t a c h a r y y a ，s m u k h o p a d h y a y “”对可同时制冷和制热的c o 。r 2 9 0 系统进行了热力学分析。系统中的高温级采用跨临界c 0 ：循环。研究表明，循环的 c o p 在低温级制冷c o p 和高温级制热c o p 曲线的交点位黄达到最大。作者认为，同 时用于制冷和制热的c o z r 2 9 0 复叠式系统能应用于更宽的温度范围，低温可到一4 0 1 0 第一章绪论 ，制热温度可达1 2 0 。c 。 k i mg c h r i s t e n s e n ，p b e r t i i s e n 1 对超市用r 2 9 0 c 0 2 复叠式制冷系统进 行了能耗和经济性分析。分析认为，与传统的r 4 0 4 a 系统相比，采用r 2 9 0 c o ：系 统使初投资增加，但随着研究的不断深入和技术的逐渐成熟，初投资的增加幅度 将由原来的2 0 降为1 0 左右。与原有的制冷系统相比，能耗可减少5 。 1 2 2 2 国内研究状况 查世彤。”对c o # n h 。复叠式制冷系统进行了热力学理论分析，通过计算得出了 不同蒸发温度下的最优低温循环的冷凝温度和质量流量比。并与r 1 3 r 2 2 和n h 。n 心 复叠式制冷循环进行了比较，分析认为，c o 。n h 。复叠式制冷循环在低温制冷条件 下有明显优势。 芦苇。2 1 对低温级采用c 0 ：工质的复叠式制冷系统进行了热力学理论分析。计算 了不同蒸发温度下最大c o p 及其对应的低温循环冷凝温度和最佳质量流量比，通 过对几种工质组合( r 2 2 r 1 2 ，r 1 3 4 a c o ：，n h 。c 0 2 ，r 2 9 0 c o ：，c o 。c o 。，c o # c o ： 加膨胀机) 的比较，发现自然工质的c o p 和传统工质相当。综合考虑环境因素及 设备的选择，自然工质值得推荐。 马一太，宁静红对自然工质r 2 9 0 c 0 ：和n h 。c o ：与常规工质r 2 2 r 1 3 复叠式 制冷循环进行了热力学分析，分析认为，r 2 9 0 c 0 ：复叠式制冷循环的c o p 比常规工 质r 2 2 r 1 3 的低，提出c o 。低温循环采用膨胀机代替热力膨胀阀，从而提高c o p 。 刘红娟。”用火用分析的方法对一种n h ，c q 复叠式制冷系统进行了研究，分析 了不同低温级冷凝温度下系统各部件的火用损失情况及整个系统的火用效率随低 温级冷凝温度和冷凝温度的变化情况。分析认为，不同低温级冷凝温度下系统各 部件火用损失所占的比重各不相同；同一冷凝温度下，复叠式制冷系统存在一个 1 1 第一章绪论 最佳低温级冷凝温度使系统火用效率最高：高温级冷凝温度变化时，系统总的火 用效率也要随之变化，随冷凝温度的增加，系统所能达到的最大火用效率并不是 一直增高，在一定范围内先增高后降低。 1 2 2 3 研究综述小结 纵观目前国内外自然工质复叠式制冷系统的研究状况，理论研究多于实验研 究，本课题正是基于理论研究的基础，设计搭建了r 2 9 0 c 0 2 复叠式制冷系统，进 行理论分析和实验研究，为今后复叠式制冷系统中自然工质替代的工作提供第一 手资料。 1 3 本课题的研究内容和意义 1 3 1 本课题的意义 4 0 。c 普冷温区广泛应用于商用制冷领域，如速冻、冷藏等。研究发现，食品、 果蔬的速冻过程中，食品组织中水份凝固生成细小的冰晶，且均匀分布在整个组 织之中；而在较慢的冻结速度下，水份在细胞外部空间凝固，细胞内部的水份也 有足够的时间渗透出来，而在细胞外部空问形成较大的冰晶，这些较大颗粒的冰 晶使细胞受挤压产生变形和破裂，破坏了食品的组织结构，从而影响产品的品质 和外观，使产品质量下降。采用一4 0 。c 温度进行速冻的食品，解冻之后，食品细胞 组织不易受到破坏、且营养、色泽等保持较好。 然而，目前一4 0 c 温区的制冷机中多采用r 7 1 7 ( n h ，) 和h f c 作为制冷剂。由 于r 7 1 7 有毒，对食品工业和系统管理人员有不良影响，因此最好采用无毒的自然 工质：h f c 工质具有较高的g w p 值，最终也要被天然工质替代。因此，在复叠式制 冷系统中采用自然工质的研究就显得非常紧迫和必要。 第一章绪论 1 - 3 2 本课题的研究内容 本文旨在研究自然工质复叠式制冷系统的循环性能，系统以c 0 ：为低温级制冷 剂，r 2 9 0 为高温级制冷剂，用于一4 0 温区。 将从理论上分析循环的c o p 随低温循环的冷凝温度t 。的变化，不同冷凝温度 下最佳质量流量比( 最大c o p 时的质量流量比，即低温循环的质量流量与高温循 环的质量流量之比) 、最大c o p 值、最优t 。( 最大c o p 时的t , i ) 随蒸发温度的变化 关系，在相同的冷凝温度情况下，不同冷凝蒸发器传热温差下的最大c o p 值、最 佳质量流量比随蒸发温度的变化关系。 实验研究部分，通过改变蒸发器入口压力、冷却水入口温度、冷却水流量等 参数，研究系统的降温曲线、低温箱降温过程中高、低温级循环性能系数、系统 性能系数、高、低温级压缩机压比、压缩机排气温度的变化情况，以及不同冷凝 温度下最佳质量流量比、最大系统c o p 随蒸发温度的变化情况；对高温级压缩机 分别充灌r 2 9 0 和r 2 2 制冷剂，低温级充灌c 0 2 制冷剂的情况下进行对比，研究高 温级压缩机入口压力、功耗以及高温级c o p 随高温级压缩机入口温度的变化规律； 还将对r 2 9 0 和c o 。复叠式系统运行中存在的问题，提出解决方案和措施，为后续 研究工作的进行打下基础。 1 3 3 本课题的创新点 1 本文在复叠式制冷循环采用自然工质r 2 9 0 和c 0 2 应用于- 4 0 。c 温区进行了 实验研究，并对实验结果进行分析，为复叠式制冷系统中采用自然工质r 2 9 0 和c 0 ： 进行替代提供设计和运行的第一手资料。 2 本文对r 2 2 制冷系统中直接充灌r 2 9 0 进行替代实验，并对替代效果进行 第一章绪论 分析，为今后大规模替代奠定了基础。 1 4 第二章r 2 9 0 c o z 复叠式循环的理论分析 第二章r 2 9 0 c 0 z 复叠式循环的理论分析 用于获得一4 0 c 以下低温的复叠式制冷系统一般由两个单级压缩制冷循环叠 加组成，通常采用r 2 2 和r 1 3 作高、低温级制冷剂，由于r 2 2 和r 1 3 对大气臭氧 层有破坏作用，且会产生严重的温室效应，因此r 2 2 和r 1 3 在制冷系统中的使用 受到了限制，越来越多的制冷系统采用对环境友好的自然工质。 自然工质r 2 9 0 与r 2 2 的物性极其相似，可将r 2 9 0 直接充灌到r 2 2 的压缩机 中，所以高温级选用r 2 9 0 替代r 2 2 。低温级可选用工质n h ，和c 晚，由于n h 。的毒 性，使其在食品行业中的使用受到限制。c 0 ：在亚i i 每界区优良的传热特性和较大的 单位制冷量使其用于复叠式循环的低温级具有一定的优势。具体比较分析如下： 2 1r 2 的物性分析和与其他替代工质的比较 r 2 9 0 ( 丙烷) 在石化工业中作为工质用于大型制冷装置已有多年的历史，具 有优良的热力性能，价格低廉，而且r 2 9 0 与普通润滑油和机械结构材料具有兼容 性，o d p = o ，g w p 很小，并不需要合成，不改变自然界碳氢化合物的含量，对温室 效应没有直接影响；丙烷的单位容积制冷量较大，很适合于回转式压缩机。传热 性能稍次于氨，但比c f c ，h c f c 和h f c 要好得多。丙烷的主要物理性质如标准沸 点、凝固点、l 临界温度、临界压力等参数与r 2 2 极其相近，可采用r 2 2 系统，可 以不对原机和生产线进行改造，直接灌装丙烷，属于直接替代物。考虑到c f c 替 代费用，丙烷特别适合于发展中国家。易燃易爆性是许多人不敢使用碳氢化合物 的主要原因，丙烷的燃烧极限为2 2 9 5 ，但丙烷作为r 2 9 0 c o ：复叠式制冷循 环的高温循环，被放置在机房或室外，同时对于小型的r 2 9 0 和c 0 ：复叠式制冷循 环，由于丙烷的循环量小，即使全部泄漏也不会达到极限浓度，如果对产品结构 第二章r 2 9 0 c o z 复叠式循环的理论分析 和生产工艺改进及采用新型密封材料，会极大地减少泄漏的可能性。 从表2 - 1 中可以看出，r 2 9 0 的临界温度、在2 0 。c 时的绝对压力和标准沸点与 r 2 2 相近，由此看出，r 2 9 0 的主要物理性质与r 2 2 的极其相近。在7 时，r 2 9 0 饱和液体的密度较低，是r 1 3 4 a 的1 2 4 5 、r 2 2 的1 2 4 3 、r 4 0 4 a 的1 2 1 6 ，r 2 9 0 的密度低，在相同的制冷条件下，制冷系统所需的制冷剂流量小；r 2 9 0 饱和液体 的导热系数大于r 2 2 、r 1 3 4 a 、r 4 0 4 a 的导热系数，蒸发器的传热效果好，同样制 冷量情况下，所需蒸发器的传热面积小，系统结构紧凑，节约金属材料。r 2 9 0 饱 和液体的比热是r 2 2 的2 2 2 倍、r 1 3 4 a 的1 9 6 倍、r 4 0 4 a 的1 8 6 倍，这可以大 大减少r 2 9 0 制冷剂的充灌量；r 2 9 0 饱和液体的粘性小，是r 1 3 4 a 的 2 4 1 、r 2 2 的1 1 4 5 、r 4 0 4 a 的1 1 2 7 ，这使得r 2 9 0 在系统中的流动阻力小，损失小，泵的 功耗小；r 2 9 0 饱和液体与饱和气体的密度比率低