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        復(fù)疊式制冷系統(tǒng)分析

        2018-05-16 06:04:42牛繼開,白鑫源,潘晨光
        家電科技 2018年5期
        關(guān)鍵詞:沸點制冷機制冷系統(tǒng)

        1 引言

        制冷機,或者說制冷系統(tǒng),最重要的目的就是產(chǎn)生制冷作用,達到制冷效果?,F(xiàn)如今各行業(yè)各領(lǐng)域?qū)χ评錅囟鹊囊蟛煌?,與此同時涉及的制冷循環(huán)方式也就相應(yīng)不同。單級壓縮制冷可達到溫度在-35℃至-40℃,雙級壓縮制冷可達到溫度-40℃至-80℃。如果還需要進一步達到更低溫,對制冷循環(huán)方式就需要更深的強化,改進和組配。

        科研和生產(chǎn)對低溫的要求越來越高,如需要-70℃至-120℃的低溫箱、低溫冷庫等,要想得到最低點的蒸發(fā)溫度,目前一般采用中溫制冷劑的雙級壓縮制冷裝置,但這套系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力過低,給系統(tǒng)設(shè)計帶來了一系列的限制問題。如果需要低于-70℃的蒸發(fā)溫度,勢必要使用低溫制冷劑。低溫制冷劑在常壓下的蒸發(fā)溫度較低,從而使低溫下的蒸發(fā)壓力得到提高。但低溫制冷劑要求較低的冷凝溫度,用一般的空氣冷卻或水冷是無法將低溫制冷劑凝結(jié)成液體的,必須用另一種制冷劑來冷凝低溫制冷劑,雙制冷劑的制冷系統(tǒng)應(yīng)運而生。

        2 復(fù)疊式制冷簡介及其工作原理

        2.1 復(fù)疊式制冷簡介

        要獲得有效的蒸汽壓縮式制冷,就要求制冷劑在其臨界點以下和標(biāo)準(zhǔn)沸點附近的溫度范圍內(nèi)循環(huán),而所有可做制冷劑的流體中,這個溫度范圍是有限的。低沸點制冷劑的臨界點溫度較低,高沸點制冷劑的臨界點溫度較高。沒有哪一種制冷劑可以既有很高的臨界溫度,又有很低的沸點溫度。每一種制冷劑的熱力性質(zhì)決定了它適宜的工作循環(huán)的溫度區(qū)間。不同的制冷劑,其相宜的工作循環(huán)溫區(qū)是不同的。

        解決上述問題的辦法是將總的制冷循環(huán)拆分成兩個或多個區(qū)間,每個循環(huán)區(qū)間選取相適宜的制冷劑,即沸點高的制冷劑承擔(dān)高溫制冷的區(qū)間,沸點低的制冷劑承擔(dān)低溫制冷的區(qū)間。因“劑”適宜地將它們疊加起來,達到最終需求的制冷溫度,這就是復(fù)疊式制冷。

        2.2 復(fù)疊式制冷工作原理

        復(fù)疊式制冷循環(huán)通常由兩個或三個獨立的子系統(tǒng)制冷循環(huán)組成,分別稱為高溫部分和低溫部分。其中每個子系統(tǒng)可以是單級壓縮循環(huán),也可以是雙級壓縮循環(huán)。子系統(tǒng)按工作溫度由高到低依次排列。相鄰子系統(tǒng)通過熱交換器聯(lián)系,將上一級的蒸發(fā)器與下一級的冷凝器疊加在一起,取做“蒸發(fā)/冷凝器”。子系統(tǒng)1使用較高沸點的制冷劑進行循環(huán),制冷劑在常溫下冷凝,在溫度t1下蒸發(fā);子系統(tǒng)2用沸點較低的制冷劑進行循環(huán),制冷劑在子系統(tǒng)1提供的低溫t1下冷凝,在溫度t2下蒸發(fā),以此類推,逐步實現(xiàn)獲得整套系統(tǒng)所要求的制冷溫度。

        當(dāng)需要獲取-60℃以下的低溫時,采用中溫制冷劑與低溫制冷劑復(fù)疊的制冷循環(huán)。兩級復(fù)疊式制取-60℃至-80℃的低溫,三級復(fù)疊式制取-80℃至-120℃的低溫,如圖1所示。用作高溫級的中溫制冷劑有:R717、R22、R502、R134a、R407c、R410a等;用于低溫級的低溫制冷劑有:R13、R14、R23、C2H6、C2H4等。

        3 復(fù)疊式制冷的優(yōu)點

        從低溫部分壓縮機的氣缸容積上看,復(fù)疊式要比雙級壓縮式小很多。這對減少整機的尺寸和重量都十分有利。例如:當(dāng)需要-60℃的蒸發(fā)溫度時,假設(shè)采用R12的雙級壓縮制冷機氣缸容積為a,能耗為b,那么采購R12和R13組成的復(fù)疊式制冷機的氣缸容積僅為a的35%,能耗也不到b的90%,而且整個復(fù)疊式制冷系統(tǒng)始終保持正壓力,使系統(tǒng)不易漏入空氣,從而保證運行的安全性和穩(wěn)定性。

        復(fù)疊式制冷系統(tǒng)不但可以組合不同的制冷方式,而且還可以使用不同的制冷劑組合。例如:高溫部分使用吸收式制冷機,低溫部分可用離心式制冷機。如果想使系統(tǒng)簡化,可采用鹽水冷源,用低溫鹽水來冷卻低溫部分的冷凝器,這樣高溫部分就不用再設(shè)置制冷機。

        4 復(fù)疊式制冷系統(tǒng)設(shè)計與使用中需注意的問題

        通過以上內(nèi)容可知,制冷溫度要求在超低溫(-80℃以下)的情況下,可以采用復(fù)疊式制冷系統(tǒng)實現(xiàn)制冷效果,達到所需目的。但是,系統(tǒng)的利弊是同時存在的,復(fù)疊式制冷系統(tǒng)在設(shè)計使用過程中也需要注意一些問題。

        由于此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,由多套子系統(tǒng)組成,且使用多種制冷劑,尤其低溫制冷劑的成本是比較昂貴的,所以選取制冷劑時,要充分考慮其制冷溫度、制冷量大小和制冷劑的價格。

        另外,在運行過程中,上一級子系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度要低于下一級子系統(tǒng)的冷凝溫度,這樣就存在傳熱溫差,稱為“復(fù)疊溫差”。存在復(fù)疊溫差,也就相當(dāng)于造成了不可逆的損失,設(shè)計選擇時要考慮復(fù)疊溫差的取值,一般為5至10℃,盡量減小不可逆損失。

        同時,為了保證循環(huán)的正常運行,需要靈活地選用一些輔助熱交換器,如回?zé)崞?、水冷卻器,對壓縮機的吸氣和排氣做出合理的處理,以保證合理的熱交換,減少無用功耗,提高性能系數(shù)COP。

        最后,要注意系統(tǒng)啟動和停機時的壓力問題。應(yīng)先啟動高溫子系統(tǒng),待其蒸發(fā)溫度降低到足以保證下一級子系統(tǒng)的冷凝壓力不超過限制值時,方可啟動下一級子系統(tǒng)。停機有短期停機和長期停機兩種情況。其中短期停機可通過自動控制的方法讓高溫子系統(tǒng)間歇運行,以保持高溫子系統(tǒng)對低溫子系統(tǒng)高壓側(cè)的冷卻作用;長期停機時,應(yīng)將低溫子系統(tǒng)中的制冷劑抽出,用高壓鋼瓶來保存,目的是防止低溫子系統(tǒng)超壓,避免危險發(fā)生。

        5 自復(fù)疊式的簡介及工作原理

        5.1 自行復(fù)疊式制冷的產(chǎn)生

        近幾十年來,無論是在普冷領(lǐng)域還是在低溫領(lǐng)域,多元混合工質(zhì)技術(shù)已成為國際制冷界研究的熱點課題。復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中有一種特殊形式,被稱為“自行復(fù)疊制冷系統(tǒng)”,簡稱ACR系統(tǒng),它實質(zhì)上是混合制冷劑的多級分凝循環(huán)。系統(tǒng)中充灌了兩種制冷劑,例如R23和R22,它們在相同的冷凝壓力和蒸發(fā)壓力下工作,因而在系統(tǒng)中只需要一臺壓縮機。相同壓力下,R23的冷凝溫度遠(yuǎn)低于R22的冷凝溫度,自行復(fù)疊式制冷系統(tǒng)正是利用了這一特性。自行復(fù)疊式制冷系統(tǒng)采用“一級壓縮,多級復(fù)疊,自動分離”的原理,使混合制冷劑經(jīng)過一次壓縮后,在多級復(fù)疊管路中的多個冷凝蒸發(fā)器中逐級分離,使進入蒸發(fā)器的制冷劑沸點最低,從而獲得預(yù)定的低溫。

        5.2 自行復(fù)疊式制冷的工作原理

        以壓縮機為起點,壓縮機排出的R23和R22混合制冷劑氣體進入“分凝器”,分凝器用常溫冷卻水(或空氣)冷卻。常溫冷卻下,不足以使混合氣中的R23組分凝結(jié),R23離開分凝器時仍然保持氣態(tài),之后進入冷凝蒸發(fā)器,在溫度相當(dāng)?shù)偷睦淠舭l(fā)器中,R23凝結(jié)成了液態(tài),再經(jīng)過節(jié)流閥進入蒸發(fā)器產(chǎn)生制冷作用。另一方面,混合氣體中冷凝溫度較高的R22進入分凝器后,在常溫冷卻作用下凝結(jié)為液態(tài),再經(jīng)節(jié)流閥進入冷凝蒸發(fā)器,液態(tài)R22在冷凝蒸發(fā)器中蒸發(fā),產(chǎn)生較低的溫度,使進入的R23組分凝結(jié)成液態(tài)。來自蒸發(fā)器的R23蒸氣與冷凝蒸發(fā)器中產(chǎn)生的R22蒸氣匯合后,返回壓縮機,一次循環(huán)結(jié)束。

        6 總結(jié)

        本文介紹了復(fù)疊式制冷系統(tǒng)循環(huán),該系統(tǒng)相對復(fù)雜,但優(yōu)勢是可以達到更低的制冷溫度。

        圖1 三級復(fù)疊式制冷系統(tǒng)

        參考文獻

        [1] 吳業(yè)正. 制冷與低溫技術(shù)原理[M]. 高等教育出版社, 2003:131-136.

        [2] 張芳, 程有凱. 自動復(fù)疊制冷循環(huán)方式的探討[J]. 冷藏技術(shù), 2009.03.

        [3] 盛偉,復(fù)疊式制冷循環(huán)[R], 2014.

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