复叠制冷机组设计的问题

1、制冷与空调REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING第6卷第2期2 0 0 6年4月55-58R404A/ R23王智明季红莉张术学（大连冰山集团）以R404A和R23为制冷剂的宣叠制冷机俎不但满足了制取80 C的低温要求还具有环保的 优点。对貫叠机组设计中涉及到的几个关犍问题及其解决方法进行了分析和阐述。R404A/ R23低温崑叠制冷设计Some key problems of design of R404A/ R23 cascade refrigeration unitWang Zhiming Ji Hongli Zliang Shuxue(Diilian Bi

2、ngshan Group)ABSTRACT The cascade refrigeration unit using R404A/ Rz3 as refrigerant can acnieve low temperature , 80 X?, and has the advantage of cnvironmcnlil protection. Analyses and expounds some key problems of the design of the cascade refrigeration unit KEY WORDS R404A/ R23 ; low temperature

3、; cascade refrigeration ; design制冷与空调REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING第6卷第2期2 0 0 6年4月55-58制冷与空调REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING第6卷第2期2 0 0 6年4月55-58随着制药业和化工业的蓬勃发展以及日益严 格的汽油挥发气体排放标准的出台70 C以下 深冷机组的需求量越来越大。因此为适应市场需 求笔者研发了 R404A/ R23低温复叠制冷机组。早在1997年.美国的EDWARDS公司出产的 深冷油气回收系统就有400余台低温复叠制冷机 组在全世界运转,每台机

4、组价格几十万美元。近年 来其价格虽有下降但对国内的消费者而言还是 很昂贵。国内的上海一冷、沈阳冷冻机和北京天利 等公司均有低温复叠产品尤其天利公司在低温领 域可谓表现不凡其主打产甜就是低温冷冻、冷藏, 可以生产60125 C低温和超低温设备。目 前国内60 C以下低温设备的供应大都来自天 利公司。下表列出几家同类产品的比较情况。制冷与空调REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING第6卷第2期2 0 0 6年4月55-58制冷与空调REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING第6卷第2期2 0 0 6年4月55-58表1国内几种复叠机俎情况厂家北

5、京天利上海一冷开利上海希首冷冻机有限公司大连冰山隼团型号Procoo 卜 P15ED-3BFDB-11FDF10制冷刑R22/R13R22/R13R22/R13R4O4.A/ R23蒸发溫度/ 7584-8085压缩机活塞式活窒式活窒式活窒式制冷量;kW17.5261110电机功率/ kW29.4 X255 X230 X218+16蒸发器类型板式换热器管壳式换热器管売式换热器板式换热器制冷与空调REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING第6卷第2期2 0 0 6年4月55-58制冷与空调REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING第6卷第2期2

6、 0 0 6年4月55-58复叠式制冷机组通常由两个部分（也可由三个 部分）组成，分别称为高温部分及低温部分。高温 部分使用中温制冷剂，低温部分使用低温制冷剂, 而每一部分都是一个完整的单级或双级压缩制冷 系统。高温部分系统中制冷剂的蒸发是用来使低制冷与空调REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING第6卷第2期2 0 0 6年4月55-58制冷与空调REFRIGERATION AND AIR CONDITIONING第6卷第2期2 0 0 6年4月55-58收稿日期：2OO5-11-09通讯作者：王智明 trmail:wangzhiming bingshan. com

7、5 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved http:/wwu 56 制冷与空调第6巻温部分系统中制冷剂冷凝而只有低温部分系统的 制冷剂在蒸发时才制取冷量。高温部分和低温部 分用一个冷凝蒸发器联系起来它既是高温部分的 蒸发器又是低温部分的冷凝器。图1宜叠式制冷循环系统原理图 低温部分:A.压缩机;D.冷凝器：G节流阀：E.蒸发器 高温部分:B.压缩机:C.冷凝器:D蒸发器：F.节流阀1- 1制冷剂选择当前.低温复叠制冷机组大都以R2VRI3为 制冷剂。为满足环傑宴求本设计

8、采用R404A/ R23 作制冷剂c其中.R4O4A由RI25（标准沸点49 0、 RI43a（标准沸点-47.2。和R134a（标准沸点 26.1 0按质量分数44 52 4混合而成.具有与 R22（标准沸点-40.8 0较为相近的热物理性质, 标准沸点为46.6 Go”和CP值为零，无毒, 安全性高，OWP值为4 540 o有试验表明:以R404A 为制冷剂的制冷机组与以R22为制冷剂的同一机组 相比较.其制冷量会稍微增大但其消耗功率会増大 更多综合来看其COP比R22机组要小一些.这是 不利的一方面*川；R23标准沸点82. 1 C, ODP 和CLP为零无毒，安全性高，GWP稍高，约为

9、 14 800141 Q12机组主要性能指标R404A高温部分：蒸发温度/e = - 38 蒸发 压力Pe= 1.454 bar.采用回热器吸气过热度为 15匸:冷凝温度/c=40 C.冷凝压力 仁= 18.157 bar, 过冷度5 t压缩棚肖耗功率= 11.47 kW0R23低温部分:蒸发温度仏二85 C.蒸发压力 化=0.851 bni.吸气过热度为30 9:压缩机排气被水 冷换热器冷却降温至40 C.中间温度如二33 C, 对应压力P.n = 9. 138 bar;制冷量0o=lO kW ;冷1994-2007 China Academic Journal Electronic Pub

10、lishing House. All rights reserved, http:/wwu 56 制冷与空调第6巻1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/wwu 56 制冷与空调第6巻图2设计系统流程图1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/wwu 第2期王智明等:R404A/ R23复叠制冷机组设计中的几个关犍问题 57

11、凝蒸发器热负荷Cc=13 kW：电机消耗功率 心 6.27 kW o总功率(kW) : N = Nd + Ng = 17. 74性能系数：COP= Q N =0.56o221相关热力计算复叠式制冷循环的热力计算可分别对高温部 分及低温部分单独进行计算。计算中令高温部分 的制冷量等于低温部分的冷凝热负荷加上冷损。 计算方法与单级或两级压缩制冷循环的热力计算 相同。2.1.1中间温度的确定复叠式制冷循环中中间温度的确定应根据制 冷系数最大或各个压缩机压力比大致相等的原则。 前者对能量利用最经济后者对压缩机气缸工作容 积的利用率较高(即输气系数较大)。由于中间温 度在一定范围内变动时对制泠系数影响并

12、不大.故 按各级压力比大致相等的原则来确定中间温度似 乎更为合理。根据迈勒普拉萨特公式低温复叠机组的中间 温度(低温段冷凝温度)：Tm = ( Tc Te) 5 5 T +0. 125 T2/ ( Tc Te) 5式中，心为中间温度(KM 7为冷凝蒸发器传热 温差(K)；八为冷凝温度(K) ； 71为蒸发温度 (K)。这里取 A r = 5 K, Tc = 273. 15 + 40 = 313. 15 K, Te= 85 +273. 15 = 188. 15 Ko 于是， 计算 Tm = 240.25 K= 32.9 C。这里，取 Tm = 33 C0212传热温差的确定冷凝蒸发器传热温差的大

13、小不仅影响到传热 面积和冷量损耗而且也影响到整个制冷机的容量 和经济性一般10 C.温差选得大，冷凝 蒸发器的面积可小些.但却使压力比増加循环经 济性降低。制冷剂的温度越低传热温差引起的不可逆损 失越大故蒸发器的传热温差因蒸发温度很低而应 取较小值，最好不大于52.2油分高器低温段在低温区域润滑油易从制冷剂中分 离并凝结会堵塞膨胀阀、板式换热器.也会影响蒸 发器的换热所以应尽可能使油气彻底分离，在低 温段采用了二级高效油分离器。2.3回热器对于采用活塞压缩机的系统最好配备气液分 离器以免负荷变化和启动时出现带液现象。本系 统有回热器故可省去气液分离器。2.4复叠机组的能量调节问题制冷机在运行时

14、,受使用条件的变化以及工况 变化影响，需要的输气量随之变化。通常采用输 气量调节的方法进行能量卸载。主要原理是将吸 排气腔连通压缩机排气直接返回吸气腔此时吸 气压力与排气压力几乎相同压缩机只需克服吸排 气阀弹簧预紧力.就可将吸气变为排气。主要有内 部旁通和外部旁通两种方式。本设计采用外部旁通阀调节能量.旁通能量调 节阀实质上是一种阀后恒压阀C当制冷装置热负 荷减小.压缩机吸气压力下降至预先调定值时旁 通调节阀开启.吸气压力越低阀的开度越大制冷 剂从排气侧旁通量也越多使吸气压力下降速度减 慢。系统中高温段采用热气旁通到膨胀阀与蒸发 器之间的调节阀旁通的热气通过一个气液混合器 混合后进入蒸发器相当

15、于热气为蒸发器提供了一 个“虚负荷” 达到减载的目的同时尽管实际负荷 较低,热力膨胀阀仍能控制向蒸发器的供液量充 足，以保证蒸发器中有足够的制冷剂流速不会出 现回油困难。低温段由于调节阀体材料使用温度 的限制采用了热气旁通到吸气管的能量调节阀来 改变压缩机的有效排气量的方法采用这种能量调 节阀，会导致吸气过热需要对压缩机采用喷液冷 却系统。2.5膨胀容器复叠机组停止运转时由于系统内的温度升高 到了环境温度低温制冷剂全部气化成过热蒸汽, 并且将高于规定的最大工作压力.这种情况是不允 许的。因此要在系统中接入一个膨胀容器，以便在 停机后大部分的制冷剂蒸汽进入膨胀容器中膨胀 容器可以接到吸气管上也可

16、以接到排气管上接 到吸气管上时膨胀容器所需要的容积较小因而 比较合理。膨胀容器的容积可按如下方法计算:式中：W为不计膨胀容器容积时低温部分的制 冷系统总容积(m3) ; vp为设计温度、设计压力下低 温系统制冷剂过热气体比容(m/kg) ：vd为设计温 度、吸气压力下低温系统制冷剂过热气体比容 (n?/ kg) ; Gd为不计膨胀容器容枳时低温系统制 冷剂充注量(kg)。本设计取设计温度38 设计 压力 1.5 MPa。3在当前和今后的制冷系统设计中，要尽可能考 虑到环保问题尽量选用环保的制冷剂即使牺牲 部分性能也是值得的。复叠机组因其蒸发温度很 低，设计中要全面考虑到回油问题、冷量调节问题、

17、 膨胀容器的设计、制造材料的选用等一系列问题。 笔者就R404A/ R23复叠机组设计中的一些问题 的处理做了粗浅的分析和说明不当之处请各位专 家指正。1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 第2期王智明等:R404A/ R23复叠制冷机组设计中的几个关犍问题 571994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved 第2期王智明等:R404A/ R23复叠制冷机组设计中的几个关犍问题 5711徐成海.等克空低温技术与设备北京:冶金工业出版社.1995 ：74.2J刘艳丽张为民王智明.R404A在螺杆冷水机组中替代R22的性能试验研究.流体机械.2005 .33(7) :63-66.3 刘艳丽周海峰.王智明.R404A在螺杆制冷机组中替代R22性能研究.低温工程.2005,(4) :56-60.4 丁国良.张春路