复叠制冷系统_理论分析篇.docx

复叠制冷系统 :理论分析篇李军(武汉新世界制冷工业有限公司)摘 要 从什么是复叠制冷系统着手 ,分析复叠制冷系统的流程 、仿真计算方法 、容积比对 co p 值的影响 ,并比较双级压缩系统与复叠制冷系统的优劣 。最后 ,提出几种提高复叠制冷系统 co p 值的方法 。关键词 复叠制冷 ;螺杆压缩机 ;双级压缩 ; cool screwtheoret ical analysis of ca sca de ref rigerat ion systeml i j un( wuha n2new wo rl d ref ri geratio n indu st rial co . , l t d .)abstract a nal yze s t he p roce ss , si mulatio n met ho d a nd t he i nf l ue nce of vol ume ratioo n co p fo r t he ca sca de ref ri ge ratio n syst e m , ma ke s co mp a ri so n of a dva nt a ge s a nd di sa d2 va nt a ge s bet wee n t wo st a ge co mp re ssio n sy st e m a nd ca sca de ref ri ge ratio n syst e m. poi nt s o ut seve ral met ho ds fo r i mp ro vi ng t he co p of ca sca de ref ri ge ratio n syst e m .key wo rds ca sca de ref ri geratio n ; screw co mp re sso r ; t wo st a ge co mp re ssio n ; cool screw随着国民经济的高速发展 , - 5 0 以下的低温需求越来越多 ,从水产加工的金枪鱼冷冻 ,到制 药行业层出不穷的低温冷冻 , 到 多晶 硅 的改 良西 门子法制取 ,到化工行业的应用 ,其需求量逐年增 加 。在这个温度范 围内 , 双 级压 缩系 统 已很 难满 足应用需要 ,这就要用到复叠制冷系统 。1 什么是复叠制冷系统 ?常见的复叠制冷系统通常由 2 个单独的部分 组成 ,分别称为高温部分和低温部分 ,可以是单级压缩也可以是双级压缩 。高温部分使用中温制冷剂 ,如 r22 , r71 7 , r13 4a , r40 4 a 和 r2 90 等 ,低温 部分使用低温制冷剂 ,如 r2 3 和 r74 4 等 ,各自组 成一个使用单一制冷剂的制冷系统 。高温部分和低温部分靠冷凝蒸发器连接在一起 ,其中 ,高温部分的制冷剂在冷凝蒸发器中蒸 发 , 用 来 使低 温部 分的制冷剂冷凝 。2 为什么需要复叠制冷系统 ?由制冷剂的性质所决定 :1 ) 在 - 50 以下 , 中温制冷剂的比容较大 ,单位容积制冷量较小 ,需要的机器尺寸较大 。表 1显示了在冷凝压力 1 . 5 m pa 下不同制冷剂在低温下的单位容积制冷量 。可见 , 低温制冷剂 r23 在- 50 以下工况的单位容积制冷量是中温制冷剂 r22 的 8 倍以上 。换句话说 ,在 - 5 0 以下制取 同样的制冷量 ,采用低温制冷剂 ,其压缩机容量只 是采用中温制冷剂的 1 / 8 。表 1 冷凝压力 1 . 5 mpa 下制冷剂的单位容积制冷量kj / m3蒸发温度/ r22r717r134ar23- 50- 60417243385211146773 3862 1951 36 3 - 7 0 2 ) 在 - 50 以下 ,中温制冷剂的吸气压降对饱和温度及制冷量的影响较大 。如表 2 所示 ,假设r22 蒸发器中的蒸发温度为 5 ,0 . 0 07 m pa 的吸 气压力 降 对 压 缩 机 吸 入 的 饱 和 温 度 的 影 响 仅 为0 . 39 ,当蒸发温度降低到 - 5 0 时 , 同样的吸气压力降将影响吸气饱和温度 2 . 2 2 ,对制冷量 的减少更高达 15 . 81 % 。蒸发温度对 r7 17 的影响 更大 。可见 ,低温下 如何 降 低吸 气阻 力 损失 已是中温制 冷 剂 系 统 所 必 须 要 考 虑 的 首 要 问 题 。而- 50 下同样吸气压力降对 r23 吸气饱和 温度收稿日期 :2010205206通信作者 :李军 , email :lio nj un 21cn . co m第 5 期李军 :复叠制冷系统 :理论分析篇 17 的影响仅为 0 . 64 ,对制冷量的影响要比 r22 和r717 小 1 个数量级 。cool sc rew 是 基 于 wi ndo w s 95/ excel 200 0以上平台的一套应用软件 ,共包括 32 个主要模块 ,用户通过少量键盘及鼠标输入即可轻易完成从各 种工质物性参数计算到螺杆 式制 冷 压缩 机组 、各 类液体冷却机组 、双级压缩系统 、复叠制冷系统的 计算 ,十几种换热器的计算等全套工作 ,真正的所 见即所得 ,可用于螺杆机组及制 冷系 统 的最 优化设计 、选型 、定量及定性分析 、模拟 、优化以及理论 分析计算等各个领域 。cool screw 最大的特点就 是量化计算 ,数百种计算功能 ,几乎囊括了所有能 够涉及 到 的 螺 杆 压 缩 机 、换 热 器 、制 冷 系 统 的 计算 。衡量复叠制冷系统的几个主要指标如下 :中间温度 :高温级的蒸发温度 。制冷量 : 低温级的制冷量就是复叠制冷系 统的制冷量 。冷凝负荷 : 高温级的冷凝负荷就是复叠制冷系统的冷凝负荷 。co p 值 :参照开启式螺杆压缩机 co p 值的 计算方法 ,复叠制冷系统的 co p 值等于制冷量除 以高温级主电机 ( 及油泵电机) 轴功率与低温级主 电机 (及油泵电机) 轴功率之和 。这里没有考虑输入功率是为了在理论分析 co p 值时 避 免考 虑电 机的大小和效率 ,简化处理 。5 不同工况下的最佳容积比的确定传统理论认为 ,确定中间温度比较重要 ,一般 依据迈勒普拉 萨 特公 式计 算 中间 温度 。只是 , 如 何取 2 种压缩机的组合 ,使其运行状态的中间温度符合计算结果 呢 ? 因此 , 这 种设 计选 型 方法 的实际意义不大 。建立数学模型后 , 就可以精确仿真计算出实 际的中间温度 ,在国家提倡节能减排的大环境下 ,以 co p 值最高作为设计选型的 原则 就 成了 我们的初衷 。为了研究在不同工况下 , 如何选择高温级压 缩机和低温级压缩机 , 才能使整 个复 叠 制冷 系统的 co p 值最高 ? 笔者排除了制冷量大小的影响 ,将这个课题简化为最佳容积比的确定 。所谓容积 比 ,是指高温级压缩机理论排量 除以 低 温级 压缩机理论 排 量 。通 过 分 析 不 同 工 况 下 的 最 佳 容 积比 ,有助于掌握设计 、选型的简单方法 。 为了确定不同工况下的最佳容积比 , 笔者以r134 a/ r2 3 制冷剂组合的复叠制冷系统为例 , 在表 2 0 . 007 mpa 吸气压力降对吸气饱和温度的影响制冷剂r22r717r23蒸发温度/ 蒸发压力/ k pa吸气压力/ k pa吸气饱和温度/ 吸气阻力减少制冷量/ %5583 . 78576 . 784 . 611 . 45- 5064 . 3957 . 39- 52 . 2215 . 81- 5040 . 8033 . 80- 53 . 1524 . 02- 50481 . 40474 . 40- 50 . 361 . 773 复叠制冷系统的流程最简单的复叠制冷系统是由 2 个单级压缩系 统组成的 ,系统图和 t2s 图见图 1 。其中 , 冷凝蒸 发器既是低温级的冷凝器 ,又是高温级的蒸发器 。所以 ,低温级的冷凝温度必须高 于高 温 级的 蒸发 温度 ,这一温差就是冷凝蒸发器的传热温差 。图 1 两个单级压缩组成的典型复叠制冷循环的系统图和 t2s 图4 复叠制冷系统的计算相对于双级压缩系统的计算 , 复叠制冷系统 的计算要简单得多 。对 2 个单级压缩组成的复叠制冷系统 ,分别按2 个单级压缩过程建立数学模型 ,然后依据冷凝蒸 发器的能量守恒 , 即依据低温级 的冷 凝 负荷 等于高温级的制冷量建立等量关系 , 利用 软 件完 成迭代计算即可 。笔者开发了 coo l screw 软件 1 ,实现 了复叠制冷系统的自动计算 , 点击“开始计算”按 钮后仅需数秒即可得到计算结果 。 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 18 制 冷与空 调第 10 卷coo l screw 软件平台上编写了一段 15 行的附加程序 ,仿真计算当容积比在 0 . 3 3 区间内变化时的co p 值 ,同时假定冷凝温度 40 ,冷凝蒸发器中 间传热温差 5 ,低温级吸气过热度 5 ,迭代计 算精度为 0 . 1 % 。程序运行约 2 mi n 后 得 到了 7 组计算结果 。图 2 所示为根据计算结果绘制的在 不同蒸发温度条件下 co p 值随容积 比 变化 的曲 线 。该曲线可供设计选型参考 。力相当于冷凝温度 - 15 . 7 。对热泵型半封闭螺杆机 ,这个限制可适当放宽 。2 ) 为保证低温级排气压力不过高 ,蒸发温度 越高 ,高温级排量 必 须越 大 。这 一点 与 双级 压缩正好相反 ,在设计 、选型时必须予以高度重视 。6 复叠制冷系统与双级压缩系统的比较前面已谈到 ,在同样的蒸发温度下 ,复叠制冷系 统低温级的排量要比双级压缩系统低压级的排量要小得多 。但是 ,通过上面的计算可以发现 ,这仅仅是 一部分 ,复叠制冷系统的高温级排量要比双级压缩 系统的高压级大得多 。因此 ,有必要将复叠制冷系 统与双级压缩系统进行系统 、全面的比较 。笔者在蒸发温度 - 50 - 6 5 范围内将双级压缩系统与复叠制冷系统做了一个比较 。设定冷 凝温度 4 0 ,压缩机在螺杆 iii 型机的 11 种型号 中选择 ,同时各考虑了吸气过热度 5 。双级压缩 系 统 采 用 改 进 的 准 三 级 压 缩 制 冷 循环 2 ,制冷剂采 用 r2 2 , 容 积 比 采 用 co p 值 最高的组合 。中间冷却器传热温差 5 。一方面 , 温度越低 ,吸气阻力降越低 ; 另一方面 , 通过采取 一定措施 ,可将吸气压力降减少到 0 . 0 0 3 5 m pa 。 复叠制冷系统的制冷剂采用 r22 / r23 组合 ,因容 积比对 co p 值影响不大 ,故而综合考虑低温级排气压力不超过 1 . 6 m pa a 且系统综合性价比较好 的组合 。冷 凝 蒸 发 器 传 热 温 差 为 5 , 考 虑 了0 . 007 m pa的吸气压力降 (对复叠制冷系统影响不 大) 。图 2 不同蒸发温度下 r134a/ r23 复叠制冷系统容积比对 co p 值的影响由图 2 可以看出 :1 ) 容积比在相当广的范围内 , co p 值变化比 较平缓 。换句话说 ,容积比对 co p 值的影响并不 明显 。因此 ,结合实际应用 ,容积比的确定应首先 考虑低温级的排气压力不过高 。排气压力过高将导致压缩机轴承部件等负荷 加大 、振动/ 噪声加大 、超出内容级比调节范围等 。 因此 ,为保证压缩机的可靠性 ,一般可限定低温级排气压力不超过 1 . 6 m pa 。对 r2 3 而言 , 这个压表 3r22 双级压缩与 r22/ r23 复叠制冷系统的比较 r2 2 r2 2 / r2 3 r22 r2 2 / r23 r2 2 r2 2 / r23 蒸发温度/ 蒸发压力/ k pa吸气压力/ k pa吸气饱和温度/ 制冷量系统压缩机排量之和 单位排量制冷量- 50- 55- 6064 . 38957 . 389- 52 . 22111481 . 4474 . 4- 50 . 362 . 170 . 613 . 5749 . 47542 . 475- 57 . 78111390 . 3383 . 3- 55 . 422 . 440 . 584 . 21374 . 48230 . 482- 63 . 57111313306- 60 . 502 . 730 . 525 . 27 co p 1 0 . 8 2 1 0 . 7 9 1 0 . 7 8 通过表 3 所示的计算结果 ,可以看出 :1 ) 制取同样的制冷量 , 复叠制冷系统的压缩 机总容量仍要小 得多 。同样 的 压缩 机排 量总 和 , 在 - 5 0 - 60 蒸发温度下 , 复叠制冷系统的制 冷量是双级压缩 系统 的 3 . 5 7 5 . 27 倍 。温 度越低 ,差距越大 。因此 , 对较大制冷量 , 宜采用复叠 制冷系统 。2) 由于双级压缩系统采用了准三级压缩制冷循环 , 制冷 循环 效 率较 高 , 复叠 制 冷 系 统 的 co p值只是双级压缩系统的 80 %左右 。因此 ,对复叠制冷系统而言 ,提高系统能效比 是十分必要的 。7提高复叠制冷系统能效比的方法可以从以下 3 个方面来考虑提高复叠制冷系 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 第 5 期李军 :复叠制冷系统 :理论分析篇 19 统的能效比 :1 ) 带经济器为保证低温级排气压力不超过 1 . 6 m pa ( a ) , 对 r23 而言 ,冷凝温度最高在 - 1 5 左右 。因此 高温级的蒸发温度在 - 2 0 左右 。此时 ,高温级 带经济器可提高其能效比 (见表 4) 。一般来说 ,由于 r23 的绝热指数较小 ,排气温度不是很高 。所以 ,对螺杆制冷机而言 ,这种方式 仅适用于低温级带回热器 ( 气液换热器) 、吸 气过热度较高 、排气温度较高的场合 。8结论1 ) 中温 、低温制冷剂的性质决定了复叠制冷 系统的必要性 。2) 根据冷凝蒸发器的能量守恒建立等量关系即可实现复叠制冷系统的计算机仿真 。3 ) 容积比在相当广的范围内 ,复叠制冷系统的co p 值变化比较平缓 。从保证压缩机可靠性的角度 出发 ,一般限定低温级排气压力不超过 1. 6 mpa (a) 。 对热泵型半封闭螺杆机 ,这个限制可适当放宽 。4 ) 制取同样 的 制冷 量 , 复叠 制冷 系 统的 压缩机总容量仍要小得多 ,对较大制冷量 ,宜采用复叠 制冷系统 。5 ) 提高复叠制冷循环效率 ,可通过带经济器 、 减小传 热 温 差 、低 温 级 带 排 气 冷 却 器 等 方 式 来实现 。表 4 经济器对不同制冷剂单级压缩能效比的提高%蒸发温度/ - 20- 25- 30- 35r22r717r134a18 . 31223 . 620 . 914 . 326 . 823 . 316 . 731 . 226 . 719 . 236 . 8注 :实际提高值与压缩机及经济器补气管路的设计有关 。另外 ,高温级带经济器后 ,其制冷能力也大为提高 ,有利于减小机器尺寸 。通过 cool screw 软件计算 , -5 5 蒸发温度下 ,在表 3 的仿真计算实例中 ,高温级带经济器可以提高复叠制冷系统制冷量 7 . 5 % ,总的 co p 值 提高 10 . 4 % 。2 ) 减小传热温差最主要的是要减小蒸发器的传热温差 , 减小 不可逆损失 ,对 co p 值的提升最为明显 。一般低温蒸发器的传热温差按 4 6 设计 。通过 cool2screw 软件计算 , - 5 5 蒸发温度下 ,在表 3 的仿 真计算实例中 ,蒸发器减少 1 传热温差 ,可以提高复叠制冷系统制冷量 3 . 7 % ,系统总的 co p 值 提高 2 . 2 % 。减小冷凝蒸发器的传热温差 ,同样可以提升系 统的 co p 值 。一般冷凝蒸发器的传热温差按 46设计 。通过 cool screw 软件计算 , - 55 蒸发温 度下 ,在表 3 的仿真计算实例中 ,蒸发