复叠制冷机组设计的问题

膨胀容器的容积可按如下方法计算[8 ] :
Vp
= ( Gd vp -
V d)
vd vd - vp
式中 : V d 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
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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[7 ] 。
厂家 型号 制冷剂 蒸发温度/ ℃ 压缩机 制冷量/ kW 电机功率/ kW 蒸发器类型
北京天利 Procool2P15 R22/ R13
- 75 活塞式
17. 5 29. 4 ×2 板式换热器
表 1 国内几种复叠机组情况
上海一冷开利
上海希普冷冻机有限公司
FD23B R22/ R13
FDB211 R22/ R13
低温段 ,在低温区域 ,润滑油易பைடு நூலகம்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
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 ,其主打产品就是低温冷冻 、冷藏 , 可以生产 - 60～ - 125 ℃低温和超低温设备 。目 前 ,国内 - 60 ℃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 。
Some key problems of design of R404A/ R23 cascade refrigeration unit
Wang Zhiming Ji Hongli Zhang Shuxue (Dalian Bingshan Group)
ABSTRACT The cascade ref rigeration unit using R404A/ R23 as ref rigerant can achieve low temperat ure , - 80 ℃, and has t he advantage of environmental protection. Analyses and ex2 pounds some key problems of t he design of t he cascade ref rigeration unit . KEY WORDS R404A/ R23 ; low temperat ure ; cascade ref rigeration ; design
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 ℃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 ,每台机组价格几十万美元 。近年
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 。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[6] 。
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
R404A 高温部分 :蒸发温度 te = - 38 ℃,蒸发 压力 Pe = 1. 454 bar ,采用回热器 ,吸气过热度为 15 ℃;冷凝温度 tc = 40 ℃,冷凝压力 Pc = 18. 157 bar , 过冷度 5 ℃;压缩机消耗功率 Ng = 11. 47 kW。
R23 低温部分 :蒸发温度 te = - 85 ℃,蒸发压力 Pe = 0. 851 bar ,吸气过热度为 30 ℃;压缩机排气被水 冷换热器冷却降温至 40 ℃, 中间温度 tm = - 33 ℃, 对应压力 Pm = 9. 138 bar ;制冷量 Q0 = 10 kW ; 冷
Ξ 收稿日期 :2005211209 通讯作者 :王智明 , E2mail :wangzhiming @bingshan. com
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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[1 ] 。
制冷机在运行时 ,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 。
图 2 设计系统流程图
第 2 期 王智明等 : R404A/ R23 复叠制冷机组设计中的几个关键问题 · 57 ·
凝蒸发器热负荷 Qc = 13 kW ;电机消耗功率 N d = 6. 27 kW 。 总功率 (kW) : N = N d + N g = 17. 74
性能系数 : CO P = Q0/ N = 0. 56 。 2 系统设计关键点 2. 1 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
- 84 活塞式
- 80 活塞式
26 55 ×2 管壳式换热器
11 30 ×2 管壳式换热器
大连冰山集团 FDF210
R404A/ R23 - 85
活塞式 10
18 + 16 板式换热器
1 复叠制冷机组 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
参考文献
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第 6 卷 第 2 2006年4
期 月
R
制 冷 与
EFRIGERA TION AND
空
A IR
调
- CONDITION IN
G
55258
R404A/ R23 复叠制冷机组设计中的 几个关键问题 Ξ
王智明 季红莉 张术学
(大连冰山集团)
摘 要 以 R404A 和 R23 为制冷剂的复叠制冷机组 ,不但满足了制取 - 80 ℃的低温要求 ,还具有环保的 优点 。对复叠机组设计中涉及到的几个关键问题及其解决方法进行了分析和阐述 。 关键词 R404A/ R23 低温 复叠制冷 设计
冷凝蒸发器传热温差的大小不仅影响到传热 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Δt = 5～10 ℃,温差选得大 ,冷凝 蒸发器的面积可小些 ,但却使压力比增加 ,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 5 ℃。 2. 2 油分离器
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 、 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 。
Tm = ( Tc ·Te) 0. 5 - 0. 5ΔT + 0. 125ΔT2/ ( Tc ·Te) 0. 5
式中 , Tm 为中间温度 ( K) ;Δ T 为冷凝蒸发器传热 温差 ( K) ; Tc 为 冷 凝 温 度 ( K) ; Te 为 蒸 发 温 度 ( K) 。这 里 , 取 Δ T = 5 K , Tc = 273. 15 + 40 = 313. 15 K , Te = - 85 + 273. 15 = 188. 15 K。于是 , 计算 Tm = 240. 25 K = - 32. 9 ℃。这里 ,取 Tm = - 33 ℃。 2. 1. 2 传热温差的确定
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) [5 ] :
温系统制冷剂过热气体比容 (m3/ kg) ; v d 为设计温 度 、吸 气 压 力 下 低 温 系 统 制 冷 剂 过 热 气 体 比 容 (m3/ kg) ; Gd 为不计膨胀容器容积时 ,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 M Pa 。 3 结 论
作制冷剂。其中 , R404A 由 R125 (标准沸点 - 49 ℃) 、 R143a (标准沸点 - 47. 2 ℃) 和 R134a (标准沸点 - 26. 1 ℃) 按质量分数 44∶52∶4 混合而成 ,具有与 R22 (标准沸点 - 40. 8 ℃) 较为相近的热物理性质 , 标准沸点为 - 46. 6 ℃, OD P 和 CL P 值为零 ,无毒 , 安全性高 , GW P 值为 4 540 。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增大 更多 ,综合来看其 CO P 比 R22 机组要小一些 ,这是 不利的一方面[223] ; R23 标准沸点 - 82. 1 ℃, ODP 和 CL P 为零 , 无毒 , 安全性高 , GW P 稍高 , 约为 14 800[4 ] 。 1. 2 机组主要性能指标
图 1 复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 R22/ R13 为
制冷剂 。为满足环保要求 ,本设计采用 R404A/ R23