NH3_CO2两种不同形式复合制冷循环性能比较

蒸发温度（℃）
0.17 0.165 0.16 0.155 0.15 0.145 0.14
冷凝蒸发温度（℃）
图 6 NH3/CO2 相变二次冷媒系统的 CO2 量变化 Fig 6 Curve of CO2 mass of NH3/CO2 phase change secondary medium system
( ) ( ) ( ) COP =
Q
M + M NH3eva
NH 3mid
× hNH3 4 − hNH3 3
+ M NH3eva × hNH31 − hNH3 6'
M CO2
=
Q
h − h CO21
CO2 2
M NH3
=
Q
h − h NH31
NH3 6'
+
Q
h − h NH31
NH3 6'
×
⎜⎛ ⎜⎝
4
20
0
4
3 4’
-20
-40
4’ 1
3 1
-60
0
1
2
3
4
5
6
7
A:NH3/CO2 复叠循环 P-H 图
B:NH3/CO2 复叠循环 T-S 图
图 1NH3/CO2 复叠循环原理图
Fig 1 Diagram of NH3/CO2 cascade refrigeration system
100000
Abstract The combined refrigeration system of NH3/CO2 is the completely friendly refrigeratoin system using nature refrigerants. Based on the analyses of T-S and P-H diagram of the NH3/CO2 cascade refrigeration system and the NH3/CO2 phase change secondary medium refrigeration system, COP, the quantity of NH3 and CO2 of the two systems were compared. The calculated results show that COP have a maximum value about the two system, but the maximum value of COP of the NH3/CO2 cascade refrigeration system is more easily affected by the working conditions that that of the NH3/CO2 phase change secondary medium refrigeration system. As for the quantity of CO2, the value of the NH3/CO2 cascade refrigeration system is larger than that of the NH3/CO2 phase change secondary medium refrigeration system. But as for the quantity of NH3, there is little difference between the two systems. This implies that under low temperature, the NH3/CO2 phase change secondary medium refrigeration system is safer. Keywords Refrigeration Phase change secondary medium Cascade refrigeration Nature refrigerant
机，在结构上较为复杂。针对这种情况，日本前川 制作研究所提出了以 CO2为相变二次冷媒的机械式 制冷系统，主要原理是通过 CO2 在低温下的相变提 供冷量[7]。在本文的研究中，主要通过理论分析， 从 COP、NH3 及 CO2 的用量进行了研究，为 CO2 相变二次冷媒制冷系统的推广运用提供一定的基 础。
二次冷媒系统的 COP 相差不大，并且随着冷凝蒸 发温度的变化这两个系统 COP 交替发生变化。
2.2CO2 用量比较
图 5 和图 6 显示了这两种系统的 CO2用量变化， 计算条件：制冷量为 50KW, 冷凝温度为 35℃。
-30 -34 -38 -42 -46 -20 -10 0 10 -30 -34 -38 -42 -46 -20 -15 -10 -5 0 5 10
从图 5 中可以看出，NH3/CO2 复叠制冷循环系 统 CO2 量随着冷凝蒸发温度变化呈明显变化，并且 随着冷凝蒸发温度升高而增大，但几乎不随蒸发温
度的变化而变化。从图 6 中则发现 NH3/CO2 相变二 次冷媒系统 CO2 量呈相反规律变化，CO2 量随着蒸
发温度降低而增加，但几乎不随冷凝蒸发温度而变 化。比较图 5 和图 6 也可以发现，在相同工况下， NH3/CO2 相变二次冷媒系统 CO2 量小于 NH3/CO2 复叠制冷循环系统 CO2 量，并且 CO2 量差随着蒸发 温度降低而增大。
3
2.7
2.4
2.1 1.8
蒸发温度（℃）
冷凝蒸发温度（℃）
图 3 NH3/CO2 复叠制冷循环系统 COP 变化 Fig 3 Curve of COP of NH3/CO2 cascade
Refrigeration system
3
2.7 COP
2.4
2.1
1.8 蒸发温度（℃）
冷凝蒸发温度（℃） 图 4 NH3/CO2 相变二次冷媒系统的 COP 变化 Fig 4 Curve of COP of NH3/CO2 Phase change
secondary medium system
从图 3 中可以看出，NH3/CO2 复叠制冷循环系 统 COP 随着冷凝蒸发温度的变化具有明显的极值， 并且这种极值随着蒸发温度降低而减弱；而 NH3/CO2 相变二次冷媒系统的 COP 的极值关系不 太明显，这种极值关系在后面讨论中将进一步讨 论。比较图 3 和图 4 可以知道，在相同的工况下， NH3/CO2 复叠制冷循环系统 COP 和 NH3/CO2 相变
PERFORMANCE COMPARSION OF TWO DIFFERENCTCOMBINED REFRIGERATION SYSTEMS OF NH3/CO2
Liu Bin Cai Jinghui Dong Xiaoyong Zang Runqing, (Tianjin Key Lab of Refrigeration Technologies, Tianjin University of Commerce, 300134)
由于我国是《蒙特利尔协议书》签定国，按照 要求我国应从 2010 年 1 月 1 日起完全停止氯氟烃 （CFCs）和哈龙两大类主要 ODS 的生产和使用， 在 2016 年应将 HCFCs 的生产和消费冻结在 2015 年水平，2040 年完成 HCFCs 的淘汰。氨和 CO2 作 为作为自然工质得到越来越多的重视。
0.25 0.24 0.23 0.22 0.21 0.2 0.19 0.18 0.17
蒸发温度（℃）
冷凝蒸发温度（℃）
图 5 NH3/CO2 复叠制冷循环系统 CO2 量变化 Fig 5 Curve of CO2 mass of NH3/CO2 cascade
refrigeration system
hNH3 2 hNH3 3
− −
hNH3 3 hNH3 6
⎟⎞ ⎟⎠
2 计算结果及分析
2.1 COP 比较
图 3 和图 4 分别是 NH3/CO2 复叠制冷循环系统 和 NH3/CO2 相变二次冷媒系统的 COP 随系统参数 的变化关系图。计算条件：制冷量为 50KW, 冷凝 温度为 35℃。
-30 -34 -38 -42 -46 -20 -10 0 10 -30 -34 -38 -42 -46 -20 -10 0 10
蒸发温度（℃）
0.07 0.065 0.06 0.055 0.05 0.045 0.04
蒸发温度（℃）
0.07 0.065 0.06 0.055 0.05 0.045 0.04
冷凝蒸发温度（℃）
图 7 NH3/CO2 复叠制冷循环系统 NH3 量变化 Fig 7 Curve of NH3 mass of NH3/CO2 cascade
refrigeration svstem
冷凝蒸发温度（℃）
图 8 NH3/CO2 相变二次冷媒系统 NH3 量变化 Fig 8 Curve of NH3 mass of NH3/CO2 phase
2.3 NH3 用量变化
图 7 和图 8 显示了这两种系统的 NH3 用量变 化，计算条件：制冷量为 50KW, 冷凝温度为 35℃。
-30 -34
COP
-38 -42 -46 -20 -15 -10 -5
0 5 10
-30 -34 -38 -42 -46 -20 -15 -10 -5 0 5 10
( ) ( ) COP =
Q
M CO2 ×
h − h CO2 2
CO2 1
+ M NH3 ×
h − h NH3 2
NH 3 1
M CO2
=
Q
h − h CO21
CO2 4'
( ) M NH3
=
M CO2 × hCO2 2 − hCO2 4
h − h NH31
NH3 4'
（1）
参照图 2，对于 NH3/CO2 相变二次冷媒系统的 COP、NH3 质量及 CO2 质量可以按式（2）进行计 算。
1 P-H 图及 T-S 图分析
图 1 和图 2 分别 NH3/CO2 复叠制系统和 CO2 相变二次冷媒系统的 P-H 图和 T-S 图。
100000
10000 1000
100
4 32 4’ 4 1
4’
32 1
10
1
0
400
800
1200 1600 2000
160
140
120
100
2
2
80
60
40
NH3/CO2 最常见的形式复叠式制冷循环。和直 接压缩式 CO2 制冷系统相比，CO2 复叠式制冷系统 中 CO2 循环通常是在低温段，这种避免了 CO2 的高 压运行，安全性提高。目前的研究主要集中于系统 的优化匹配，包括冷凝蒸发温度的确定、过冷度及 过热度的影响等[1~6]。但是这种形式包括两个压缩
文章编号：CAR232
NH3/CO2 两种不同形式复合制冷循环性能比较
刘斌 蔡景辉 董小勇 藏润清
（天津市制冷技术重点实验室，天津商业大学，300134）
摘 要 NH3/CO2 组合制冷系统是完全自然工质制冷系统。在分析 NH3/CO2 复叠制冷循环系统和 NH3/CO2 相变二次冷媒系 统的 T－S 图和 P－H 图的基础上，分别比较了这两种系统在一定工况下的 COP、NH3 用量和 CO2 用量。计算结果表明这两 个系统的 COP 都存在极值，但是 NH3/CO2 复叠制冷循环系统的 COP 受运行工况影响更加明显；对于 CO2 用量而言，NH3/CO2 复叠制冷循环系统 CO2 用量要大于 NH3/CO2 相变二次冷媒系统 CO2 用量；对于 NH3 用量，这两种系统用量没有明显差别。 这说明 NH3/CO2 相变二次冷媒系统在低温系统运行更加安全和可靠。 关键词 制冷 相变二次冷媒 复叠制冷 自然工质
160
140
10000
120
100
1000 2 6 1
100
6’
54 32
1
80
60Βιβλιοθήκη 40620
10
1 0
0
-20
-40
2 6’ 1
-60
400
800
1200
1600
2000
0
1
2
3
4
2 5
3 1
4
5
6
7
A:NH3/CO2 热管系统 P-H 图
B:NH3/CO2 热管系统 T-S 图
图 2NH3/CO2 相变二次冷媒原理图
Fig 2 Diagram of NH3/CO2 phase change secondary medium system
比较图 1 和图 2 就可以发现，CO2 相变二次冷 媒系统 CO2的压力在整个制冷循环过程中压力保持 不变，类似是热管循环，因此也称作为 NH3/CO2 热管制冷循环系统。
参照图 1，对于 NH3/CO2 复叠制冷循环系统的 COP、NH3 质量及 CO2 质量可以按式（1）进行计 算。