CO2压缩机技术及应用(源自冰轮)

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℃)
CO2压缩机技术
烟台冰轮股份有限公司 产品开发部
螺杆型谱
开启单级 制冷 内容积比可调 内容积比可调 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 工艺 干式 喷液 RCV RCU
开启单机双级
RCC
RCL RCH RSH RSC ACS ACL ACM AHC OFC OPC OFP OLP
安全阀设定:36bar(-10%MWP)
系统应急处理设定:34bar(-1℃) 排气越小，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。
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，

CO2系统的热气融霜流程
可采取的融霜方式
ICM阀2 ON / OFF ICM阀1 ON / OFF ICS阀2 ON / OFF
CO2热气融霜 缺点：压力高
CO2 气液分离器
ICS阀1 ON / OFF
CO2压缩机
NH3热气融霜
缺点： NH3进入冷库
冷凝蒸发器
油泵供油
压差供油

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 5℃冷凝 0℃冷凝 -5℃冷凝
3.5
3
2.5 -10℃冷凝 2 -15℃冷凝 1.5
1 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25
-30
0
30
60
90
120
150
180
210
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
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压缩机技术及应用
烟台冰轮股份有限公司 产品开发部
进入后氟利昂时代
京都议定书
1987年：蒙
特利尔议定书， 限制ODP高的
R404A
制冷剂使用
1997年：京 都决议案，限
蒙特利尔协 议
制GWP高的制
冷剂使用

CO2作制冷工质的特点
R744
0 1 31.1 7.372 -56.55 -78.4 3.49
R717
0 0 133.0 11.42 -77.7 -33.3 0.429 4384 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 1

CO2螺杆压缩机组

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

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
凝固点（℃） 标准沸点（℃） 0℃饱和压力（MPa）
单位容积制冷量（kJ/m3） 22600 相对价格 0.1

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℃


TLV安全极限：NH3为25ppm而CO2为5000ppm (0.5%)

CO2、NH3等压焓图比较

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） 临界点 温度(℃) 压力（MPa）
撑起来 不存在机械磨损，无所谓轴 承寿命 中心距
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

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

6、配置辅助制冷机组：
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 根据实际情况选用（冻结、冷库）

控制器 辅助冷却系统
PS
CO2 气液分离器
CO2泵
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％。

CO2复叠系统中间压力选择
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
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。

空压机
螺杆压缩机型谱
VLG单机 LG单机 LGT单机 LG单机双级 LG双机撬块
增压机 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 BFD低温半封
八十多个规格
单机双级空压机 BF半封单机双机
氨半封

相同制冷量，压缩机不同排量
考虑系统的承压能力。

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
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
NH3 压缩机 NH3气液分离器
油分离器
CO2 节流原件 CO2 泵 NH3 节流原件 CO2贮液器 NH3 贮液器 CO2蒸发器
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

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
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

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

螺杆压缩机转子型线
Screw compressor rotor profile
0
0
采用的组成齿曲线均为二次曲线及其共轭包络线 The tooth curves are conic and conjugated envelope
0
0
0
0
0
0
0
0
0 120
-90
-60
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。
础上需要确定低温级的冷凝温度（中间温度）。
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
pressure
效率高 High efficiency
RCH12 RCH16 RCH20 RCH25 RCH32
150
300
600
800
1600

LG300压缩机

LG600机组

LG800机组
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 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

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

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