复叠压缩机组装中关键问题
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
Some key problems of design of R404A/ R23 cascade refrigeration unit
Wang Zhiming J i Hongli Zhang Shuxue
(Dalian Bingshan Group)
ABSTRACT The cascade ref rigeration unit using R404A/ R23 as ref rigerant can achieve low temperature , - 80 ℃, and has the advantage of environmental protection. Analyses and ex2 pounds some key problems of the design of the cascade ref rigeration unit . KEY WORDS R404A/ R23 ; low temperature ; 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。
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 ] 。图1
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 ℃, ODP 和CL P 值为零,无毒, 安全性高, GWP 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COP 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, GWP 稍高, 约为 14 800[4 ] 。
1. 2机组主要性能指标
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; 冷凝蒸发器热负荷Qc = 13 kW;电机消耗功率Nd =6. 27 kW 。
总功率(kW) : N = Nd + Ng = 17. 74
性能系数: COP = Q0/ N = 0. 56 。
2.系统设计关键点
2.1.1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。
2.2中间温度的确定
复叠式制冷循环中中间温度的确定应根据制冷系数******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 ] :
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
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