自然工质复叠式制冷系统研究现状

自然工质复叠式制冷系统研究现状

宁静红1，李超飞2，苗惠1，曾凡星1

(1天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津 300134

2

江苏省精创电气股份有限公司, 江苏徐州 221116)

摘要 通过分析近年来自然工质复叠式制冷系统，尤其是NH3/CO2、R290/CO2以及自然工质混合物等复叠式制冷系统的研究现状，得出自然工质复叠式制冷系统在性能上可以优于常规制冷剂制冷系统。从保护环境的角度出发，以及随着自然工质复叠式制冷系统研究的不断深入，自然工质复叠式制冷系统将拥有广阔的市场前景。

关键词 自然工质 复叠式制冷系统 NH3/CO2 R290/CO2

CURRENT SITUATION ON NATURAL REFRIGERANT CASCADE

REFRIGERATION SYSTEM

Ning Jinghong1, Li Chaofei2, Miaohui1, Zeng Fanxing1

(1Tianjin University of Commerce, Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin 300134

2

Jiangsu electric Limited by Share Ltd)

Abstract Current situation on natural refrigerant cascade refrigeration system in recent years, especially NH3/CO2, R290/CO2 and blends of natural refrigerants cascade refrigeration system, were analyzed. It is found that the coefficient of performance of natural refrigerant cascade refrigeration system may achieve an effect superior to that of conventional refrigerant refrigeration system. In terms of environmental protection, natural refrigerant cascade refrigeration system will have extensive market prospect with the development of further studies on natural refrigerant cascade refrigeration system.

Keywords natural refrigerant cascade refrigeration system NH3/CO2 R290/CO2

担高温部分的制冷，用低沸点的制冷剂循环承

担低温部分的制冷，高温部分系统中制冷剂的蒸发

0 前言

用来使低温部分系统中制冷剂冷凝，二者通过一个

节能减排、环境保护已成为全球共同关注和必冷凝蒸发器将两部分叠加起来，它既是高温部分的须面对的核心议题，而新的合成工质可能存在其他蒸发器，又是低温部分的冷凝器。低温部分的制冷潜在的威胁，自然工质再次受到制冷领域研究工作剂在蒸发器内向被冷却对象吸取热量，并将此热量者的广泛关注。在制冷系统中，当制冷循环的温差传给高温部分制冷剂，然后再由高温部分制冷剂将（即蒸发温度和冷凝温度的差值）达到一定程度热量传给冷却介质，从而达到最终要求的制冷温度

[1]

时，无法用一种制冷剂有效地制冷，此时往往采用，其系统原理图和T-S图分别如图1和图2所示。 复叠式制冷系统，即：用高/中沸点的制冷剂循环承 复叠式制冷系统可以满足制冷剂在较低蒸发

作者简介：宁静红（1964-），女，博士，教授， 主要研究方向：制冷系统的节能及优化 E-mail:ningjinghong@http://doc.guandang.net

温度下蒸发时有合适的蒸发压力以及在环境温度下冷凝时有合适的冷凝压力。由两个单级压缩制冷循环组成的复叠式制冷系统通常采用R22和R13（或R23等），但是R22和R13不仅破坏大气臭氧层，而且会产生严重的温室效应。因此，从保护环境来看，应使用自然工质，包括氨、CO2和碳氢化合物。本文主要阐述了国内外采用自然工质的复叠式制冷系统的研究现状。

图1 复叠式制冷系统的原理图

图2 复叠式制冷系统的T-S图

1 NH3/CO2复叠式制冷系统研究现状

司春强等（2012）[2] 对NH3/ CO2复叠式制冷系统进行了性能分析，研究了低温级蒸发温度、冷凝温度和冷凝蒸发换热温差对各过程循环效率和COP的影响，得出结论：首先，当蒸发温度升高时，蒸发过程损失减小明显，循环效率急剧上升，系统COP增加；其次，当低温级冷凝温度升高时，循环效率和COP均呈先上升后下降趋势，即复叠式制冷循环在某一工况下，存在最优的低温级冷凝温度使得循环的火用效率和COP最大，在低温级蒸发温度为-35℃，冷凝蒸发换热温差为5℃的工况下，最优的低温级冷凝温度为-10℃；最后，当改变冷凝蒸发器的换热温差时，COP发生明显变化，随着冷凝蒸发器的换热温差从0℃增加到14℃，冷凝蒸发过程的火用损率从4.1%上升至 24.7%，循环的火用效率从29.6%下降至12.8%，系统的COP从1.98下降至1.6。由此可见，优化换热器，减小换热温差，对提高能效具有重要作用。

于志强等（2012）[3]通过介绍NH3/CO2复叠式制冷系统在工业制冷中的一个具体应用，提出了相应的系统设计参数，并针对一些控制问题，例如系统的压力控制和热气融霜，系统中CO2的稳定优化供液和温度控制等进行探讨和分析，并给出了相应的解决方案，其中关于系统热气融霜的解决方案与文献[4]中相应的控制策略一致，即增加一个除霜压缩机，把CO2制冷压缩机的排气进行压缩后向蒸发器提供热气用于除霜。最后通过对系统进行安全性、效率以及成本等方面的分析发现：首先，NH3/CO2复叠式制冷系统把NH3工质作为复叠系统的高温部分限制在机房内，并且充注量只有完全采用NH3制冷剂时的1/10，大大提高了系统安全性；其次，NH3/CO2复叠式制冷系统的COP在一定的工况范围内比NH3双级制冷系统或R22双级制冷系统的COP要高，三种制冷系统的COP对比如图3所示；最后，该复叠系统与采用NH3双级制冷系统相比，其初始投资大约增加20%~30%。但是随着NH3/CO2复叠式制冷系统应用的增加，关于成本方面的控制经验也将提高，可以预见其初始投资也将相应下降。此外，从图3可以看出，该NH3/CO2复叠式制冷系统的蒸发温度在-35℃以下具有较高的效率，再加上系统较高的自动化程度，从而使得系统的运行成本大大降低。

图3 三种制冷系统的COP对比图

图4 壳管式复叠换热器原理图

Mumanachit等（2012）[5]通过在能效和经济性方面比较NH3/CO2复叠式制冷系统和两级NH3制冷系统，建立了系统和各个部件的模型，这些模型

的建立为量化NH3/CO2复叠式制冷系统的年度费用和使用寿命提供了理论基础，其中NH3/CO2复叠式制冷系统的复叠换热器模型如图4所示。通过理论分析得出，当蒸发温度低于-46.2℃时，使用壳管式冷凝蒸发器的NH3/CO2复叠式制冷系统在能效方面要比NH3双级制冷系统更有潜力；当复叠换热器的换热温差（即高温级蒸发温度与低温级冷凝温度的差值）为5.6℃时，该复叠式制冷系统的性能和资本成本达到一个最佳平衡。

Messineo（2012） [6]对NH3/CO2复叠式制冷系统进行了热力学分析，考虑了冷凝温度、蒸发温度、过冷度以及过热度对系统COP的影响。另外，又把该复叠式制冷系统同一次节流、中间完全冷却的R404A两级压缩系统进行了对比，结果表明，在其它工况不变的情况下，当冷凝温度从30℃增加到45℃，蒸发温度为-45℃且没有过冷度时，R404A两级系统的COP下降了37%，而NH3/CO2复叠式制冷系统的COP下降了27%；当蒸发温度从-50℃增加到-30℃，冷凝温度为35℃且没有过冷度时，R404A两级系统的COP增加了53%，而NH3/CO2复叠系统的COP增加了50%。

图5 不同工况下轴功率的比较

图6 NH3/ CO2复叠式制冷实验系统原理图

卢允庄等（2011）[7]对NH3/CO2复叠式制冷系统低温级的CO2螺杆式压缩机组进行性能 …… 此处隐藏：14351字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……