NH3CO2低温制冷系统研究

第2期 对臭氧层不产生破坏， 没有或基本没有温室 !"# 等， 效应问题， 但是 $%& 的高压和氨气的毒性却对制冷 系统的设计和单元设备提出了新的要求 ’ 本文研究了一种 !"# ( $%& 复叠式低温制冷系 统， 其中高温部分采用 !"# 做工质， 低温部分利用 $%& 为工质 ’ 通过对 !"# ( $%& 复叠式循环的热力计 算， 分析了该循环的运行参数和性能系数在中间温 度和冷凝温度改变时的变化规律， 为该复叠式制冷 系统的优化设计和实际运行提供了理论基础 ’
13A;*.0;： 5SWTORT OV < XOMT 7L <QQ7MO< E J<PY7M TO7ZOTR S[7\VS<UR 87[ SRQ]RP<SWPR PRLPOURP<SO7M V=VSRQ，OM [KOJK <QQ7MO< OV WVRT <V SKR PRLPOURP<MS OM SKR KOUK\SRQ]RP<SWPR VS<UR <MT J<PY7M TO7ZOTR OV WVRT <V SKR PRLPOU\ RP<MS OM SKR 87[\SRQ]RP<SWPR VS<UR 9 1KR ]RPL7PQ<MJR 7L SKR V=VSRQ OV VOQW8<SRT <MT <M<8=^RT Y= JK<MUOMU SKR QR<M SRQ]RP<SWPR 7L SKR RN<]7P<S7P\J7MTRMVRP <MT SKR SRQ]RP<SWPR 7L SKR J7MTRMVRP 9 1KR QR<M SRQ]RP<SWPRV 7L （ F’_）7L SKR V=VSRQ <S TOL\ SKR RN<]7P<S7P\J7MTRMVRP <PR J<8JW8<SRT S7 Q<ZOQO^R SKR J7RLLOJORMS 7L ]RPL7PQ<MJR LRPRMS J7MTRMVOMU SRQ]RP<SWPRV 9 /S OV VK7[M SK<S SKRPR RZOVSV <M 7]SOQWQ QR<M SRQ]RP<SWPR OM RN<]7P<S7P\J7M\ TRMVRP S7 Q<ZOQO^R SKR F’_ 7L SKR V=VSRQ，<MT SKR Q<ZOQ<8 F’_ 7L SKR V=VSRQ OV OMJPR<VRT [OSK 87[RPOMU SKR J7MTRMVOMU SRQ]RP<SWPR 9 1KR PR8<SO7MVKO] YRS[RRM SKR 7]SOQWQ QR<M SRQ]RP<SWPR <MT SKR J7MTRMVOMU SRQ]RP<\ SWPR OV UONRM 9 B)@8,*6A： /%01&) 2(&3(24 ； %55&)(% ； 0460(,40%7(&) 898745 ； )%7"0%’ 0460(,40%)7 全球环境问题， 如大气臭氧层的破坏及温室效 应， 对压缩式制冷系统产生了深刻的影响 9 F-FV 制
()*+,*-./0) ,+ 1--,/2. $ %.*3,/ 42,526) 7,8 9)-:)*.;<*) =)+*2>)*.;2,/ ?@A;)!" #$%&’() ， *(" +&),-"%) ， *( .")
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学
学
报 温度 %
第 $/ 卷
在复叠式系统中， 蒸发 ! 冷凝器中间温度的确 定直接影响着系统的效率 % 关于中间温度的选取， 一 般来说可采取两种方法， 即使制冷系统的性能系数 最大或使两级压缩机的压比近似， 以省功 % 本文按照 性能系数最大的原则确定最佳中间温度 % 在计算过 程中， 还需要假设两个压缩机的等熵压缩效率和压 力损失 %
第 !" 卷
第#期
$%%$ 年 # 月
西 安 交 通 大 学 学 报 &’()*+, ’- ./0+* &/+’1’*2 (*/34)5/16
378 9 !"
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图)
!"# ( $%& 复叠式低温制冷系统示意图
格便宜， 来源丰富； 蒸发潜热较大， 单位容积制冷量 相当大； 运动粘度低， 与普通润滑油相容； 属于自然 工质， 环境友好 ’ 系统的工作压力 $%& 作为制冷工质的缺点是： 高， 最高压力达 )* +,-， 甚至更高 ’ 目前关于 $%& 制冷剂作为单一制冷剂的研究主 要集中于采用跨临界制冷循环的汽车空调系统、 热
!"# $ %&’ 低温制冷系统研究
顾兆林，刘红娟，李 云
（西安交通大学环境与化学工程学院，AB%%C?，西安）
摘要：研究了一种 *D! E F’$ 复叠式低温制冷系统， 其中高温部分采用 *D! 做工质， 低温部分利用 分析了该循环的运行 F’$ 为工质 9 通过对 *D! E F’$ 复叠式制冷系统的性能进行的热力学模拟计算， 参数和性能系数在中间温度和冷凝温度改变时的变化规律， 结果表明： 在同一冷凝温度下， 复叠式 两级低温制冷系统存在一个最佳中间温度， 使系统性能系数最大， 在最佳中间温度的 G # H 范围 内， 性能系数降低很少； 高温级冷凝温度改变时， 循环性能系数也要随之变化， 随冷凝温度增加， 系 统达到最大性能系数时的最大中间温度也增加 9 研究结果为该复叠式制冷系统的优化设计和实际 运行提供了理论基础 9 关键词：二氧化碳； 氨； 制冷系统； 天然工质 中图分类号： 1I"" 文献标识码：+
顾兆林， 等： !"# ( $%& 低温制冷系统研究
2#1
［3， 4］ 低温制冷系统 ’ 图 ) 示出了这种 !"# ( $%& 两级 低温制冷系统的组成简图 ’
)
!"# ( $%& 复叠式低温制冷循环及系 统
#$% 制冷剂 无毒， 不可燃； 价 $%& 作为制冷工质的优点是：
中间热交换器 （或蒸发!冷凝器） ； )： $%& 制冷压缩机； &： #： !"# 制 冷压缩机； 高温级制冷循环的冷凝器； 低温级制冷循环的蒸 /： 2： 发器； 低温级节流装置 （毛细管或节流阀） ； 液相 $%& 储 5： 1： 液器； 高温级节流装置； 3： ! 代表制冷量； ! 6 " 代表 放热， " 是两级压缩机的输入功 ’
!"%
&’( 制冷剂 （ 作为制冷工质的优点是： 具有良好 !" # 01)1）
的热力学性能， 与氟里昂相比， 获得相同冷量的氨制 冷系统可以采用较小尺寸的压缩机和换热器， 功率 消耗也较小； 属于自然工质， 环境友好 ’ 具有中等程度的毒 !"# 制冷剂的不足之处是： 性， 可燃； 与普通矿物基润滑油不相溶； 蒸发器须采 用满液式蒸发器， 使得系统中 !"# 的充注量增加； 需要定期清除蒸发器表面的润滑油， 操作维护不便， 制冷系统的小型化困难； 对铜具有腐蚀性， 传热管采 用钢管， 传热性能差， 需要较大的传热面积， 机组的 质量因此增加 ’ 因此， 要扩大 !"# 制冷剂的应用范围， 必须克 服其不 足 之 处， 这方面的研究已经取得了一些进 展
收稿日期：$%%B " %? " BB 9 （#?@%"%B%） 9
冷剂的禁用和 DF-F 制冷剂的逐步淘汰， 使得天然 工质 越 来 越 受 到 人 们 的 重 视 9 天 然 工 质 ， 如 F’$ 、
基金项目：国家自然科学基金资助项目
作者简介：顾兆林 （B?"# ‘ ） ， 男， 博士， 教授 9
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图! "#$ % &’! 复叠式系统的实际循环图
计算结果及分析
的制冷量来自低温级循环的冷凝热量， 因此当低温 高温级循环所需 级循环需要 ( )* &’! 制冷工质时， 要的 "#$ 制冷工质量应是 &’! 制冷剂的! 倍， 即 （(） ! ! "+ # "* 式中： （ $! , $- ） （ ). % " + 为低温级循环的单位冷凝热 ； （ $ /0 , $ (1 ） （ ). % )*） " * 为高温级循环的单位制冷量 )*） % 在复叠式制冷系统中， 低温级 &’! 制冷剂的质 量流量为 （!） & 2 ! ’1 # " 2 ! ’1（ # $ (0 ( $ 3） （ )4） ； 式中： ’ 1 为复叠式系统的制冷量 " 2 为低温级 （ ). % )*） 高温级 "#$ 制冷 &’! 的单位制冷量 % 因此， 剂的质量流量为 &* ! ! &2 （$） 在复叠式制冷循环中， 由 &’! 蒸发而产生的制 冷量为整个系统的制冷量， 因此复叠式制冷系统的 性能系数 ) +56 ! ’1 （-） &（ 2 $ !0 ( $ (0）* &（ * $ 70 ( $ /0）