NH3／co2复叠式制冷系统概述.pdf

第 1 0 卷第 2期 2 0 1 0年4月 制 冷 与 空 调 REFRI GERATI oN AND AI R CONDI T1 0NI NG NH3 c o 2 复叠式 制冷 系统概述 刘杨 臧润清 天津商业大学 摘 要 介绍天然工质 C 2 和 NH 作为 制冷剂 的优点和不足之处 概述 NH c 2复叠式制冷系统 的基 本原理和组成并进行理论计算 根据近年来 国内一些研 究单位所做 的相关 实验研究 总结 NH c o 复叠 式制冷系统 的热力学特性 关 键 词复叠 式 制 冷 系 统 制 冷剂 中 间 温度 热 力 学 NH C02 S u mma r y o f NH 3 c o2 c a s c a d e r e f r i g e r a t i o n s y s t e m Li u Ya ng Za ng Ru nq i ng Ti a n j i n Un i v e r s i t y o f Co mme r c e ABS TRACT I n t r od uc e s t h e a dv a n t a g e s a n d di s a d v a nt a ge s o f na t u r a l r e f r i g e r a n t s CO2 a n d NH3 S u mma r i z e s t h e b a s i c p r i n c i p l e a n d c o mp o s i t i o n o f NH3 co2 c a s c a d e r e f r i g e r a t i o n s ys t e m i nv o l v i ng r e l e v a n t t he or e t i c c a l c u l a t i o n De s c r i be s s i m p l y t he r e f r i ge r a t i o n e qu i p me nt s i n t hi s s y s t e m whi c h i n c l ud e s he a t e x c h a ng e r s a nd e x pa n s i on v a l v e s At l a s t a c c o r d i ng t o t he r e l e v a nt e x pe r i me nt s c o ndu c t e d by s o m e r e s e a r c h un i t s i n Ch i na i n r e c e nt y e a r s c o n c l u d e s t h e t h e r mo d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f NH3 C 0 c a s c a d e r e f r i g e r a t i o n s y s t e m KEY W ORDS c a s c a d e r e f r i ge r a t i o n s ys t e m r e f r i g e r a nt mi dd l e t e mpe r a t ur e t he r m o d y n a mi c NH c O2 在低 温制 冷 中常 常 采 用 复叠 式 制 冷 系 统 由 2个压 缩制 冷 系 统组 成 的 复叠 式 制 冷 系统 可 以满 足在 较低 蒸发 温度 下蒸 发 时 合 适 的蒸 发 压 力 以及 在环 境温 度下 冷凝 时 适 中的冷 凝 压 力 传 统 的复 叠式 制 冷 系 统 所 用 的 工 质 对 主 要 有 R2 2 R1 3 R 2 2 R 2 3 R2 2 R1 2等 但 这些 氟利昂制冷剂会 严重 破坏 环 境 包 括 破 坏 大气 臭 氧 层 和 产 生 温 室 效应 目前 C F C s制冷 剂 已被禁 用 HC F C s 制 冷 剂正在逐步淘 汰 因此 采用 新 的环保型 制冷剂 替代 系统 势 在 必 行 近 年 来 包 括 c o 在 内 的天 然工 质 由于其独 特 的 环保 优 势 以及 优 良的热 力 学 性质 愈发 受到 重视 其 中以 NH 为高 温 级 制 冷 剂 和以 C O 为低 温级 制冷 剂 的复 叠式 两 级制 冷 系 统得 到 了很大 发展 目前 在 国 际 上 NH c o 复 叠 式 制 冷 系 统 已经被 广 泛 应 用 于 食 品 的冷 冻 冷 藏 农 作 物 种 子 保存以及超市制冷系统等领域 如雀巢公 司将 这 收稿 日期 2 0 0 9 0 8 1 7 通信作者 刘杨 E ma i l t j l i u y a n g s o h u c o rn 种制冷 系 统用 于对其 在法 国 的冷库进 行改 造n 荷 兰 的 Kl a a s P u u l 将 该 系 统应 用 于速 冻 隧 道 挪 威 将 该 系统应 用于 渔船 平板 速冻p 欧洲 的许 多超 市 已建立 了几 个采 用 该 技 术 的制 冷 系 统 上 述 系统 运行情 况 表 明 NH c o 复 叠 式制 冷 系 统 在技 术 上是 可行 的 1 c 0 和 N H s作为 制冷 剂的优 缺点 1 1 C O 制冷 剂 C O 属于 天然 工 质 常温 下 是 一 种无 色 无 味 的气体 作为制冷工 质 C O 具有许 多优势 首 先 从环 境保 护 的角度 讲 C 0 的 O DP为 0 GWP 为 1 远远 小 于 C F C s和 HF C s的 并且 在 实 际 中 所 用 的 C O 大多 为化 工 副 产 品 用 C O 作 制 冷 剂 等于延迟了这些废气的排放 这对环境是有利的 因此 C 0 是一 种环 境 友 好 型工 质 其 次 从 工 质 的热物 理性 质 来 看 C O 与 制 冷 循 环 和 设 备 相 适 应 这主要表现在 C O 的蒸发潜热大 单位容 制冷与空调 第 1 0 卷 积制冷 量 高 0 时达 到 2 2 6 MJ m 约 为传 统 制冷剂 的 5 8倍 C O 的运 动 黏度 小 并且 在 低温时也 非 常 小 导 热 系 数 高 液 体 密 度 和 蒸 气密度 的 比值 小 节 流后 各 回路 间 制 冷 剂 能 够 分 配得 比较 均匀 C O 这些 优 良的流动和传热 性 能 可显著缩小 压缩 机 和系 统 的尺 寸 使 整个 系统 非 常 紧凑 另 外 C O 化学 稳 定 无 毒 无 害 不 可 燃 高温下也不 会分 解 出有毒气体 并 且 C O 价格 便宜 容 易获取 具有优 良的经 济性 C O 作为制 冷剂 的主 要 缺点 是 其具 有较 低 的 临界温 度 3 1 1 和较 高 的临 界压 力 7 3 7 MP a 特别 是 后 者 若 采 用 跨 临界 循 环 C O 制 冷 系统 的工 作压 力最 高可 达 1 0 MP a 这 给 系统 及 部件 的设计带 来许多新 的要求 1 2 NH3 制冷 剂 NH 与 C O 同属于 天 然工 质 其 在制 冷 工业 中的使用 直至 今 日已达 1 2 0年之 久 NH 作 为制 冷剂 的优点 可 以 归纳 为 对 环境友 好 0 D P 0 GWP 0 具有优 良的热 力学 性 质 其 单 位容 积 制冷量较传统 的氟利 昂制 冷剂大 0 时达到 4 3 6 0 k J 这就意 味着获 得 相 同冷 量 的氨 制冷 系 统 可 以采 用较小 尺 寸 的压 缩 机 和换 热器 功率 消耗 也 较小 价格便 宜 容 易检漏 NH 制冷剂的最大不足之处是具有中等程度 的毒性 并 且 可 燃 但 由 于 氨 有 强 烈 的 刺 激 性 气 味 当空气 中 浓度 达 5 1 0 时就 能 闻到 因此 一 旦 有微小 泄 漏 就 会 被 及 时 发 现 并 且 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 建筑物顶 部逸 出室外 氨 溶 于水 能 很快 被 水 吸 收 这一性质 可用 来 消 除空 气 中 的氨 蒸气 大 大减少事故 的发 生率 1 0 0多年 的历史 经 验表 明 氨的事故率是很低的 其次 氨和普通润滑油不 相 溶 这 给氨 制 冷 机 的 润 滑 带 来 了 困 难 蒸 发 器 须采用 满液 式 蒸 发 器 导 致 NH 的充 注量 增 加 为了解决这一 问题 目前 已研制 出能溶于氨的合 成润滑油 2 N H 3 C O 复 叠式制冷 系统及 其理论计 算 2 1 NH C O 复叠式制冷系统基本原理 图 1所 示 为 NH c O 复叠 式 制 冷 系统 的 组 成简 图 在此 系 统 中 利用 C O 作 为 第 二 级循 环 的相变工质 工作 于亚 临界范 围 内 通 过相变制 冷 压缩后的 C O 气体在蒸发冷凝器被第一级循 环的 NH 制冷系统冷却及冷凝 两级制冷系统 图 1 NI t 3 C 02复叠 式 制冷 系统 示 意 图 由蒸 发冷 凝 器连 接 蒸 发冷 凝 器 既是 C 0 制冷 系 统的冷凝器 同时 也是 NH 制冷 系统的蒸发器 在理想条件下 C O 的冷凝热量等于 NH 的蒸发 热量 传热温差一般取 5 8 C O z 制冷系统 中 设置了回热器 用 C O 压缩机回气管前的低温低 压蒸气冷却流出蒸发冷凝器的 c O 高压气体 采 用 回热循 环 的 目的 使 节 流前 的 C O 产 生一 定 的 过冷度 这 有利 于降 低 节 流损 失 增加 制 冷 量 提 高系统 的 C O P值 提高 C O 制冷 剂进 入压缩 机 的 入口温度 避免液击 使制冷剂更好地将 润滑油带 入压缩 机 NH c o 复叠式 制 冷 系统具 有 许 多优 点 C O 在蒸 发温度 为 一5 O 以下时仍有 足 够 的蒸 发 压力 可以满足 目前食品保存的要求 而且蒸发器 内不会产生负压 降低了空气漏入系统的可能性 NH 制 冷 系统 是该 制 冷 系统 的 高温 级 可 以在 远离公 众 的 场 所 设 置 可 以 完 全 解 决 安 全 问 题 由于 C O 无 毒 不 可 燃 没有 气 味 且 相对 分 子 质 量 比空气 大 可 以按 照氢 氟 烃 制 冷 剂 的规 程 处 理 5 C O 可 以直接 送 入超 市 制冷 设 备对 食 品 进行冻结 没有污染食品的危险 c O 2制冷剂 的容 积制冷量 大约是 NH 制冷 剂 的 8倍 低 温级 制冷剂 的容积 流量 大大 降低 而 且 由于是 利用 C O 相 变来制 冷 因此换 热性 能 改 善 大大 减 小 了 所需 换热 器 的 面 积 与 其 他 低 压 制 冷 剂 相 比 即使处于低温 C O 的黏度也非常小 传热性能 良 好 C O 制冷循环的压缩 比要 比常规工质制冷 循环的低 压缩机的容积效率可维持在较高的水 平 这些优势使得 NH c o 复叠式制冷系统具 有很强 的竞争 力 可 以 降低 系统 的安装 操 作 和维 护 成本 J P e t t e r s e n等 6 的研 究 表 明 与 NH 两 级复叠式制冷系统相 比 低温级采用 C o 2 压缩机 的体积可以减小 1 1 0 C O 环路可达到 一4 5 5 0 的低温 而且 通 过干 冰起 粉末 作用 可 降低 到 第 2期 刘杨 等 NH c o 复叠式制冷 系统概述 一 8 0 2 2 理论 计算 在不 考 虑 回热 器 的情 况 下 NH c o 复 叠式 制冷 系统 的理论 循环 图如图 2所示 图 中 过 程 1 2 3 4 5 1 为 C 2 低 温级 制 冷循 环 过 程 6 7 8 9 1 0 6为 NH 高温级制冷循环 麟 S S 图 2 NH3 CO 复 叠 式 制 冷循 环 T s图 设 低 温 级 制 冷 系 统 C O 的 质 量 流 量 为 m k g s 复叠 式 制 冷 系 统 的 制 冷 量 即 C O 在 蒸 发 器 中的吸热 量为 Oo mL l h 4 1 式 中 h 一h 为 单 位 质 量 C O 的 制 冷 量 k J kg 设 高温 级 制 冷 系 统 NH 的 质 量 流 量 为 m k g s 在蒸 发冷 凝 器 中 NH 的蒸 发 热 量 等 于 C O 的冷 凝热 量 传热温 差 A t 5 8 因此m 一h mH 一h 2 mH 一 一 x j 设质 量流 量 比 O t m m O l 为 当低 温 级 循 环 需要 1 k g低 温 工质 时 高 温 级循 环 所需 要 的高 温 制冷 工 质的量 系统 的功 耗 包括 2部 分 即 C O 压缩 机 的 输 入功 N k W 和 NH 压缩机 的输 入功 M k W N 1 mL h2一h1 4 N2 mH 7一h 6 5 压缩 机 的总功 率为N N N2 6 因此 NH c o 复 叠 式 制 冷 系统 理 论 循 环 的 制冷 系数 为 c0P 垒 二垒 mL 2一h 1 mH 7 一h 6 h h h 7 2 1 7 6 3主 要制冷 装置 3 1 换 热器 C O 制 冷 系统 工 作 压力 高 例 如 典 型 的 C0 2 蒸 发 器 的 工 作 压 力 为 3 5 7 0 MP a 该 压 力 是 传统 制冷 剂 压 力 的 1 0倍 左 右 因此 在 设 计 时 必 须考 虑 换 热 器 材 料 的 承 压 能 力 在 C 0 系 统 缺 少标 准 的情况 下 普 通 的 最 小 爆 裂 压 力 取 系 统 最 大 承受 压 力 的 2 3 3倍 这 要 求 C O 换 热 器 的 管道 具 有 较小 的管 内径 因 为 小 管 径 有 助 于 承 受 高压 同时 由于 C 0 的运动 黏度 低 导热 系数 高 具 有 良好 的流 动 和 传 热 性 能 所 以 换 热 器 的 制 冷 剂 侧 的表面积 可 以减 小且 一 般 设计 成 较 大 的 流量 密 度 在本 系统 中所涉 及 的 C O 换热 器 主要 有蒸 发 器 和 回热器 目前 C o 蒸发 器 正 朝着 管 径 越来 越 小 流 量 密度越 来 越 大 表 面 传 热 系数 越来 越 大 的 趋 势 发 展 用 于冷 却水 的 C O 蒸 发器 按结 构 分类 主要 有 板 式 和壳管 式 2类 而 回热器 又称 内部换 热器 主 要 有套 管式 内 部 换 热 器 微 通 道 管 式 内部 换 热 器 和 板翅 式 内部换 热器 对 比 3种 类 型 换热 器 的 紧 凑 度 板 翅式 换热 器 和套 管 式 换 热 器相 当 而 微 通 道 管式 内部 换热 器最 高 对 比 3种 类 型换 热 器 的 换 热效 率 微 通 道 管 式 内部 换 热 器 由 于具 有 更 小 的当量 直径 而获得 了更 高 的换热 系数 3 2 节 流机 构 本 系统 中 的 节 流 机 构 均 采 用 节 流 阀 其 中 NH 制冷 系统 的节 流 阀位 于冷凝 器 和蒸 发冷 凝 器 之 问 C O 制 冷 系 统 的 节 流 阀位 于 回热 器 和 蒸 发 器之间 它们的作用都是使来 自冷凝器的高压液 体制冷剂节流降压 流入蒸发器 同时通过调节制 冷 剂 的流量 控制蒸 发 器 出 口处 制 冷 剂 气体 的过 热 度 节 流 阀主 要 包 括 热 力 膨 胀 阀 和 电子 膨 胀 阀 在 C 0 制冷 系统 运 行 的外界 参数 变化 较小 时对 排 气 压力 进行 精 确 的 控 制 并 无 必 要 在 系 统 中 不 装 贮 液器 一 般 采 用 热 力 膨 胀 阀对 蒸 发 器 出 口的 过 热 度进行 控 制L 7 需要注意的是 若 以膨胀机代 替节流阀 理论 上可提高循环 效率 但对于常规制冷循环却 提高 得 不 明显 只有 对 CO 跨 临界 循 环 才有 大 幅 度 的 提 高 8 而 且加 入膨 胀机会 使 系统结 构复 杂 成 本 增加 考虑到本系统中的 c O 制冷循环处于亚临 界 范 围 因此 不采用 膨胀 机代 替节 流 阀 5 6 制冷与空调 第 1 0卷 4 N H 3 C O 2 复 叠式制冷 系统热 力性能分 析 NH c o 复叠式 制 冷 循 环 的 性 能 系数 C 0P 与冷凝温 度 蒸 发 温 度 以及 中间 温 度 有 关 所 谓 中间温度是指高温级的蒸发温度和低温级的冷凝 温度 即蒸 发 冷 凝 器 的平 均 温度 若 低 温 级 的冷 凝温度降低 则低温级的性能系数增大 而高温级 的性 能系数减小 目前 国 内所进 行 的关 于 NH C O 复叠式 制 冷 系统 的热 力 学 模 拟 计 算 表 明 在 同一冷凝 温 度 和 蒸 发温 度 下 复 叠 式 两 级 低 温 制 冷系统存在一个最佳 中间温度 使系统 的性能系 数 C 0 P最 大 并 且 在最 佳 中间 温度 的 5 范 围 内 C OP降低很少 这为 NH c o 复叠式制冷系 统 的设计 与运 行操作增 加 了弹性l 5 当系统 的蒸 发 温度 和蒸 发 冷 凝 温 差 一定 时 复叠式 制冷 系统 的 C O P 值 随 高温 级冷 凝 温 度 的 升高 而减 小 并 且 在 不 同 的冷 凝 温 度 下 系统 的 最大 C O P值也不同 它同样随冷凝温度 的升高而 减小 并且 这个最 大 C 0P值 所对 应 的最 佳 中 间温 度随冷凝 温度 的升高 而 升高 当系统 的冷凝 温 度 和蒸 发冷凝 温差 一 定 时 复 叠式 制 冷 系统 的 C 0P 值 随低温级蒸 发温度 的升 高而增大 在 NH C O 复叠 式制冷 系统 中 蒸 发温 度 与 用冷需要有关 而冷凝温度是由环境温度决定 的 不能轻易改变 所以蒸发冷凝器 的中间温度的确 定直接 影响系统 效率 关 于 中问温度 的选 取 一般 有 2 种方法 一是使制冷系统 的性 能系数最大 二 是 使两级压缩机的压 比近似 这样可以省功 5 结论 由于 C 0 的 优 良特 性 用 NH c o 复 叠 式 制冷系统作为低温制冷循环工质替代的一种解决 方案具 有独特 的优势 实验研 究 表 明 采用 NH c 0 作为工质对 的复叠式制冷系统 其性能 系数 C O P与传统的 R 2 2 R1 2复叠式制冷系统的接近 若再考虑环境效益 则这种制冷系统具有很强的 竞争 力和 发展 潜 力 国 内一 些 研 究 单 位 如 西 安 交通大学 天津大学 上海理工大学等 都 开展 了 NH c 0 2 复 叠 式 制 冷 系 统 的 实 验 研 究 相 关 的 热力 学分析 表 明 在冷 凝 温度 和蒸 发 温 度一 定 时 系统的 C O P值随中间温度的变化而变化 且存在 一 个最大值 此最大 C O P值所对应的中间温度 为最佳中间温度 这为该复叠式制冷系统的优化 设计和实际运行提供 了重要 的理论基础 相信 随 着主要技术问题 的解决 NH c o z复叠式制冷系 统将 会得 到更加 广泛 的应 用 参 考 文 献 1 胡姆 格贝哈尔特 N e s t l e 公 司采用 NH 和 C 0 2 制 冷剂 制冷与空调技术 2 0 0 2 1 4 6 5 2 2 张术学 c 0 2 NH 复叠制冷浅析 制冷与空调 2 0 0 6 1 5 9 6 2 3 3 查世 彤 马 一太 王景刚 等 C 0