CO2压缩机技术及应用源自冰轮

循环油量与效率
➢大压差小压比 ➢油的循环量大， 效率影响较大

内容积比试验确定
5
4.5
4 10℃冷凝
3.5
5℃冷凝
3
0℃冷凝
-5℃冷凝 2.5
-10℃冷凝
2 -15℃冷凝
1.5
1
-55
-50
-45
-40
-35
-30
-25

CO2螺杆压缩机组
50mpa转子刚性高highrotorrigidity壳体强度高highshellintensity密封压差大highsealingdifferentialpressure效率高highefficiencyco螺杆压缩机coscrewcompressorrch12rch16rch20rch25rch321503006008001600wwwyantaimooncomlg300压缩机wwwyantaimooncomlg600机组wwwyantaimooncomlg800机组wwwyantaimooncom螺杆压缩机转子型线screwcompressorrotorprofile采用的组成齿曲线均为二次曲线及其共轭包络线thetoothcurvesconjugatedenvelope1008060402020406080100120906030306090120150180210效率高highefficiency易加工easyprocess受力均匀evenforcing806040202040608072363672108144180wwwyantaimooncom供油量大于滚动轴承压缩机内部各泄漏通道密封好压缩机效率承受大的径向力作为流体动力轴承轴被油膜支撑起来不存在机械磨损无所谓轴承寿命中心距滑动轴承轴承的选择wwwyantaimooncom压缩机壳体设计材料选择结构设计厚度计算wwwyantaimooncom间隙与效率间隙对效率的影响泄漏三角型线优化齿顶与气缸内壁喷油密封接触线在一定范围内对cop影响有限滑动轴承滚动轴承转子腔油泵供油油泵供油压差供油压差供油wwwyantaimooncom循环油量与效率油的循环量大效率影响较大wwwyantaimooncom内容积比试验确定wwwyantaimooncomco螺杆压缩机组wwwyantaimooncomco冷冻油的选择poe较强的亲水力pao难以回油推广使用矿物油烟台冰轮股份有限公司产品开发部wwwyantaimooncomwwwyantaimooncom复叠系统流程高温级r717nh压缩机nh压缩机冷凝蒸发器co蒸发器co气液分离器低温级co冷凝器nh节流原件nh气液分离器co节流原件co油分离器油分离器co压缩机nh压缩机冷凝蒸发器co蒸发器co气液分离器co气液分离器低温级co冷凝器nh节流原件nh气液分离器nh气液分离器co节流原件co油分离器油分离器co
1
牛牛文

CO2的应用范围 CO2在制冷空调领域的应用范围
冷冻 －-30℃～ －55℃
作为载冷剂 传递能量
5~-30
热泵 65℃～ 95℃

CO2压缩机技术
烟台冰轮股份有限公司 产品开发部


CO2冷冻油的选择
➢POE较强的亲水力 ➢PAO难以回油 ➢推广使用矿物油

CO2复叠技术的应用
烟台冰轮股份有限公司 产品开发部

复叠系统流程
低温级CO2
冷凝蒸发器
高温级R717(NH3)
CO2压缩机 油分离器 CO2 气液分离器
滑动轴承

压缩机壳体设计
➢材料选择 ➢结构设计 ➢厚度计算

间隙与效率
➢ 间隙对效率的影响 泄漏三角 —型线优化 齿顶与气缸内壁 —喷油密封 接触线—在一定范围 内对COP影响有限
油泵供油
压差供油


选型计算说明
项目描述：假定用户需要一台公称冻结能力1200kg/h（以青刀豆计算） 的流态化单体速冻装置，蒸发温度-45℃，冷凝温度40℃，则制冷量大 约200kW。采用NH3/CO2复叠制冷系统，具体选型方案如下:
一、压缩机组选型： 1、确定中间温度：在已知低温级蒸发温度和高温级冷凝温度的基 础上需要确定低温级的冷凝温度（中间温度）。
R404A
京都议定书
进入后氟利昂时代
蒙特利尔协 议
➢1987年：蒙 特利尔议定书， 限制ODP高的 制冷剂使用
➢1997年：京 都决议案，限 制GWP高的制 冷剂使用

CO2作制冷工质的特点
➢CO2 是自然工质（ODP=0， GWP=1）良好的安全性，无毒，不可燃 ➢蒸发潜热较大，单位容积制冷量高 ➢优良的流动和传热特性 ➢充注量少，轴功率消耗低 ➢良好的化学稳定性，相关材料化学反应少
133.0 11.42 -77.7 -33.3 0.429
单位容积制冷量（kJ/m3） 22600 4384
相对价格
0.1 0.2
R134a 0
1300 101.7 4.055
-26.2 0.293
2860
3-5
R22 0.055 7100 112.0 4.113 -160 -40.8 0.50
4344
丰润工程图片
通过实际工程案例比较，NH3/CO2复叠制冷系统和单机双级自动螺杆 制冷系统工程初投资基本持平！

丰润工程系统运行费用
1、NH3/CO2复叠制冷系统对应的是流态化单冻机MVLD1500，进货温度为 10℃，出货温度为-22℃，半小时产量为875kg，低温压缩机耗电量为 27.9kWh，高温压缩机耗电量为39kWh，压缩机总耗电量为66.9kWh。单位 质量冻品耗电量为76.45 kWh/吨。
4、修订中间温度：由于压缩机机型已确定，理论排气量配比为定值， 所以需对假设的中间温度进行修正。根据修正后的中间温度查表得其 制冷量，是否可以满足低温级需求

选型计算说明
5、低温侧辅机选型（续）： ➢ CO2阀门采用danfoss电动阀，控制灵敏、精度高 ➢ CO2泵的额定流量按1~2倍循环倍率圆整选择 CO2泵 ➢ 注意气液分离器的供液高度与泵之前的供液管路阻力对应的高度 之差必须大于泵的气蚀高度，避免运行时泵发生气蚀 6、配置辅助制冷机组：

系统各部分设计压力
➢采用热气融霜与其他融霜设计压力不同 ➢桶泵压力有一个压力范围，停机维持机组开机信号

系统设计压力的选定


CO2系统的热气融霜流程
ICM阀2 ON / OFF
ICM阀1 ON / OFF
➢效率高 High efficiency
➢易加工 Easy to process
➢受力均匀 Even forcing

轴承的选择
➢供油量大于滚动轴承，压缩机内 部各泄漏通道密封好，压缩机效率 高。 ➢承受大的径向力 ➢作为流体动力轴承，轴被油膜支 撑起来 不存在机械磨损，无所谓轴 承寿命 ➢中心距
螺杆压缩机转子型线 Screw compressor rotor profile
采用的组成齿曲线均为二次曲线及其共轭包络线 The tooth
0
curves are conic and conjugated envelope
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
120 -90
-60
-30
0
30
60
90
120 150 180 210

避免急剧降温和系统泄漏
➢急剧的温度下降会对系统材料会造成巨大的冲击，进而导致材料 损坏。 ➢CO2/NH3复叠系统多数的致命泄漏发生在CO2和NH3之间的冷凝蒸发 器中，CO2接触NH3时，将立即生成铵基甲酸铵，铵基甲酸铵具有腐 蚀性

CO2压焓图

CO2与常用制冷剂的比较
制冷剂名称 消耗臭氧潜值（ODP） 全球变暖潜值（GWP）
温度(℃) 临界点
压力（MPa） 凝固点（℃） 标准沸点（℃） 0℃饱和压力（MPa）
R744 0 1
31.1 7.372 -56.55 -78.4 3.49
R717 0 0
螺杆压缩机型谱
VLG单机
LGT单机 LG单机双级 LG双机撬块
增压机
LG单机
高压压缩机 工艺压缩机 空压机 无油压缩机 膨胀机
BF空调半封
单机双级空压机
BFD低温半封 BF半封单机双机 氨半封
八十多个规格

相同制冷量，压缩机不同排量

CO2螺杆压缩机 CO2 screw compressor
➢设计压力 Design pressure：5.0MPa ➢转子刚性高 High rotor rigidity ➢壳体强度高 High shell intensity ➢密封压差大 High sealing differential pressure ➢效率高 High efficiency

CO2侧设备
➢ 冷凝蒸发器 在NH3/CO2复叠制冷系统中既是NH3侧的蒸发器，又是CO2侧的冷凝
器，NH3液在管程蒸发吸收热量， CO2气体在壳程被冷凝成液体。 ➢ 贮液器
用来贮存CO2液体 ➢ 气液分离器
用以分离CO2压缩制冷系统中由蒸发器出来的CO2气体中的液滴 气液分离器顶部带有辅助蒸发器，在停机后能有效防止CO2压力超高 ➢维持机组或膨胀容器 ➢CO2泵 ➢干燥过滤器、节流装置等
CO2 泵
CO2 节流原件 CO2贮液器
CO2蒸发器
NH3 压缩机 油分离器 NH3气液分离器 NH3 节流原件
NH3 贮液器
NH3 冷凝器

复叠系统的特点
优点： ➢在-35℃以下的制冷需求中效率高 ➢减少了高温级循环的制冷剂充注量，是常规系统的1/10 ➢管路尺寸极小 ➢热气除霜的效率高 ➢当需要两个制冷温区时，是很好的解决方案 缺点： ➢工作压力相对较高，特别是在热气除霜的情况下 ➢需要对系统停止运行时的压力进行有效控制 ➢需要维护两种制冷剂的制冷系统

CO2复叠系统中间压力选择
CO2复叠系统的最优中间压力取决于很多参数(例如:高温制冷剂的种类， 制冷负荷的类型等等)。 1)具有中温区制冷负荷的系统：衡量中间负荷和复叠效率 中间压力应当尽可能的高，以降低高温级的负载。 中间压力的大小，由系统中中温制冷温度以及系统的压力决定。 中间负荷的大小 2)没有中温区制冷负荷的系统 中间温度由系统效率决定， 考虑系统的承压能力。
按照用户要求，可以在样本 曲线图上找到40℃/-45℃工 况下的最佳中间温度16℃。

选型计算说明
2、低温压缩机选型：低温级对应的工况为-16℃/-45℃,依据样本 低温压缩机性能参数，查得该工况下制冷量约比用户要求的冷量略 高的压缩机机型，并计算低温级冷凝负荷 3、高温压缩机选型：设定冷凝蒸发器换热温差5℃，可得高温压缩机 的工况，可以直接从NH3制冷压缩机样本的性能参数表，按照复叠制 冷系统冷量匹配原则，高温级的制冷量须略大于或等于低温级的冷凝 负荷1.05倍，查得压缩机选型
➢ CO2系统停机后，随着环境温度升 高，系统压力升高，当压力升高到
设定压力后，辅助制冷机组开机
➢ 选取按压缩机制冷量每1000KW,选取
4KW（-15）的辅助机组
控制器
➢ 根据实际情况选用（冻结、冷库）
PS
CO2 气液分离器
辅助冷却系统

系统控制注意事项
➢在复叠系统中，高温级压缩机必须在低温级的压缩机启动前启动。否 则，低温级的压缩机可能会因为压力过高而无法工作。 ➢高温级压缩机启动条件: 高温级的负荷需求 低温级的需求 ➢对系统进行充注相同的操作顺序。 先对系统的高温级进行制冷剂充注 然后启动高温级。 将CO2充注至系统的低温级中。 ➢冷凝蒸发器的高温级膨胀阀要和高温级的压缩机同时启动。

CO2侧的设计参数（不采用热气融霜）
➢系统设计压力(饱和吸气温度):40bar(+5℃) ➢安全阀设定:36bar(-10%MWP) ➢系统应急处理设定:34bar(-1℃) ➢排气压力设定:30bar(-5℃) ➢CO2冷凝温度和高温制冷剂蒸发温度的差值越小，冷凝蒸发器效率 越高。 ➢随着冷凝蒸发器换热温差的增加，整个制冷系统的总效率会降 低。 ➢NH3/ CO2的复叠系统效率与其他制冷剂与CO2的复叠系统相比最 高。
ICS阀2 ON / OFF
ICS阀1 ON / OFF
CO2 气液分离器
CO2泵
CO2压缩机 冷凝蒸发器
可采取的融霜方式
➢CO2热气融霜 缺点：压力高 ➢NH3热气融霜 缺点： NH3进入冷库 ➢水融霜
充霜蒸发器器
ICM3 电动调节阀
CO2蒸发器

实际实验结论
冰轮自主研发的NH3/CO2螺杆复叠制冷系统在蒸发温度为-45℃工况 下，COP比NH3双级制冷系统（理论计算的最佳配搭）COP高8.8％。
RCH12 RCH16 RCH20 RCH25 RCH32 150 300 600 800 1600

LG300压缩机
牛牛文

LG600机组

LG800机组


与其他系统的COP比较

CO2的气液比特点

CO2的含水量控制
➢如果水超过在CO2系统中的溶解限制值，当温度低于0℃的时候，水将 结冰，产生的冰晶可堵塞控制阀、电磁阀、过滤器或其他设备 ➢干燥过滤器尽量设置在低温区
制冷 空压机
工艺
螺杆型谱
开启单级
内容积比可调 内容积比可调
开启单机双级
低压级
高压压缩机
半封
半封单机双级
单级
单机双级低压
单机双级中压
增压机
干式
喷油
干式
喷液
RCV RCU RCC RCL RCH RSH RSC ACS ACL ACM AHC OFC OPC OFP OLP

➢ 操作压力较高 ➢ 临界点处在较低的温度下：31.1℃ （88.0°F） ➢ CO2比空气重,封闭空间内,产生的混合气体足以令人窒息。 ➢ TLV安全极限：NH3为25ppm而CO2为5000ppm (0.5%)

CO2、NH3等压焓图比较