NH_3_CO_2低温制冷系统研究

第36卷　第5期2002年5月

西　安　交　通　大　学　学　报

JOURNALOFXI′ANJIAOTONGUNIVERSITY

Vol.36　№5May2002

文章编号:0253-987X(2002)0520536205

NH3/CO2低温制冷系统研究

顾兆林,(,)

摘要:N2,其中高温部分采用NH3做工质,低温部分利用

CO2为工质.NH3/CO2复叠式制冷系统的性能进行的热力学模拟计算,分析了该循环的运行参数和性能系数在中间温度和冷凝温度改变时的变化规律,结果表明:在同一冷凝温度下,复叠式两级低温制冷系统存在一个最佳中间温度,使系统性能系数最大,在最佳中间温度的±5K范围内,性能系数降低很少;高温级冷凝温度改变时,循环性能系数也要随之变化,随冷凝温度增加,系统达到最大性能系数时的最大中间温度也增加.研究结果为该复叠式制冷系统的优化设计和实际运行提供了理论基础.

关键词:二氧化碳;氨;制冷系统;天然工质中图分类号:TB66　文献标识码:A

PerformanceofAmmonia/CarbonDioxideLow

TemperatureRefrigerationSystem

GuZhaolin,LiuHongjuan,LiYun

(SchoolofEnvironmentalandChemicalEngineering,Xi′anJiaotongUniversity,Xi′an710049,China)

Abstract:Studiedisakindofammonia/carbondioxidetwo2stagelowtemperaturerefrigerationsys2tem,inwhichammoniaisusedastherefrigerantinthehigh2temperaturestageandcarbondioxideisusedastherefrigerantinthelow2temperaturestage.Theperformanceofthesystemissimulatedandanalyzedbychangingthemeantemperatureoftheevaporator2condenserandthetemperatureofthecondenser.Themeantemperaturesoftheevaporator2condenserarecalculatedtomaximizethecoeffi2

cientofperformance(COP)ofthesystematdifferentcondensingtemperatures.Itisshownthatthereexistsanoptimummeantemperatureinevaporator2condensertomaximizetheCOPofthesystem,andthemaximalCOPofthesystemisincreasedwithloweringthecondensingtemperature.Therelation2shipbetweentheoptimummeantemperatureandthecondensingtemperatureisgiven.Keywords:carbondioxide;ammonia;refrigerationsystem;naturalrefrigerant

　　全球环境问题,如大气臭氧层的破坏及温室效应,对压缩式制冷系统产生了深刻的影响.CFCs制

冷剂的禁用和HCFC制冷剂的逐步淘汰,使得天然工质越来越受到人们的重视.天然工质,如CO2、

收稿日期:2001209211.　作者简介:顾兆林(1965～),男,博士,教授.　基金项目:国家自然科学基金资助项目

(59806010).

　第5期　　　　　　　　　　　　　　　顾兆林,等:NH3/CO2低温制冷系统研究537

NH3等,对臭氧层不产生破坏,没有或基本没有温NH3和CO2的双工质两级制冷系统代替传统的NH3低温制冷系统[8,9].图1示出了这种NH3/CO2

室效应问题,但是CO2的高压和氨气的毒性却对制冷系统的设计和单元设备提出了新的要求.

本文研究了一种NH3/CO2复叠式低温制冷系统,其中高温部分采用NH3做工质,低温部分利用CO2为工质.通过对NH3/CO2复叠式循环的热力计算,分析了该循环的运行参数和性能系数在中间温度和冷凝温度改变时的变化规律,为该复叠式制冷系统的优化设计和实际运行提供了理论基础.

两级低温制冷系统的组成简图

.

1　NH3/CO系统

1.1　CO2制冷剂

CO2作为制冷工质的优点是:无毒,不可燃;价

1:CO2制冷压缩机;2:中间热交换器(或蒸发ν冷凝器);3:NH3制

冷压缩机;4:高温级制冷循环的冷凝器;5:低温级制冷循环的蒸发器;6:低温级节流装置(毛细管或节流阀);7:液相CO2储液器;8:高温级节流装置;Q代表制冷量;Q+P代表

放热,P是两级压缩机的输入功.

格便宜,来源丰富;蒸发潜热较大,单位容积制冷量相当大;运动粘度低,与普通润滑油相容;属于自然工质,环境友好.

CO2作为制冷工质的缺点是:系统的工作压力高,最高压力达10MPa,甚至更高.

目前关于CO2制冷剂作为单一制冷剂的研究主要集中于采用跨临界制冷循环的汽车空调系统、热泵系统等[1～4].1.2　NH3制冷剂

NH3(R717)作为制冷工质的优点是:具有良好的热力学性能,与氟里昂相比,获得相同冷量的氨制冷系统可以采用较小尺寸的压缩机和换热器,功率消耗也较小;属于自然工质,环境友好.

NH3制冷剂的不足之处是:具有中等程度的毒

图1　NH3/CO2复叠式低温制冷系统示意图

　　在NH3/CO2两级低温制冷系统中,利用CO2作为低温级循环的相变冷媒[10,11],降低了低温级循环的工作压力,压缩后的CO2气体被普通的NH3制冷系统冷却及冷凝,即NH3制冷系统是该低温制冷系统的高温级.因此,NH3制冷系统也可以在远离公众的场所设置,安全问题可以完全解决.由于CO2无毒、不可燃、没有气味,且相对分子质量比空气的大,因此可以按照氢氟烃(简称NFC)制冷剂的规程处理.另外,CO2制冷剂的容积制冷量大约是NH3制冷剂的8倍,低温级制冷剂的容积流量大大降低,而且由于是利用CO2相变来制冷,因此换热性能改善,大大减小了所需换热器的面积,使得这种低温制冷系统具有很强的竞争力,系统的安装、操作和维护成本可以降低.

图2是NH3/CO2复叠式低温制冷系统的实际循环TνS图.低温级制冷剂CO2从蒸发器出来进入压缩机前存在压力损失,导致压力降低,其过程为1ν1R;进入压缩机后,制冷剂被压缩,温度和压力升高,其过程为1Rν2R;制冷剂进入蒸发ν冷凝器被冷却、冷凝,其过程为2ν3ν4;然后通过节流阀,即过程4ν5;最后进入蒸发器中蒸发,即过程5ν1,从而达到制冷目的.　　高温级NH3制冷剂与低温级的工作原理相同,不同点是高温级NH3制冷剂在蒸发ν冷凝器中蒸发,然后进入压缩机被压缩,在冷凝器中冷却、冷凝,进入节流阀节流降压,最后在蒸发ν冷凝器中蒸发以冷凝低温级CO2制冷剂.

性,可燃;与普通矿物基润滑油不相溶;蒸发器须采用满液式蒸发器,使得系统中NH3的充注量增加;需要定期清除蒸发器表面的润滑油,操作维护不便,制冷系统的小型化困难;对铜具有腐蚀性,传热管采用钢管,传热性能差,需要较大的传热面积,机组的质量因此增加.

因此,要扩大NH3制冷剂的应用范围,必须克服其不足之处,这方面的研究已经取得了一些进展[5～7].

1.3　NH3/CO2复叠式低温制冷系统

由于要求减少NH3制冷系统中NH3制冷剂的充注量,同时让NH3制冷系统远离公众场合及半公众场合,以降低NH3制冷系统的危险性,因此使得NH3制冷技术发生了一些变化,其中之一就是利用

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高温级的蒸发温度和低温级的冷凝温度,即蒸

发ν冷凝器的平均或中间温度,是一个变动值.易知低温级的冷凝温度越低,则低温级的性能系数越大,而高温级的性能系数越小,因此存在一个中间温度,使整个系统的性能系数最大,此温度即为最佳中间温度.

在复叠式系统中,蒸发ν.,一,以省功.本文按照.在计算过程中,还需要假设两个压缩机的等熵压缩效率和压力损失.

图232　　,即低温级CO2压缩

机功N1和高温NH3压缩机功N2.由于高温级循环的制冷量来自低温级循环的冷凝热量,因此当低温级循环需要1kgCO2制冷工质时,高温级循环所需要的NH3制冷工质量应是CO2制冷剂的α倍,即

α=qc/qg(1)式中:qc为低温级循环的单位冷凝热(h2-h4)(kJ/

kg);qg为高温级循环的单位制冷量(h6R-h10)(kJ/kg).

在复叠式制冷系统中,低温级CO2制冷剂的质量流量为

(2)Gd=Q0/qd=Q0/(h1R-h5)式中:Q0为复叠式系统的制冷量(kW);qd为低温

级CO2的单位制冷量(kJ/kg).因此,高温级NH3制冷剂的质量流量为

(3)Gg=αGd　　在复叠式制冷循环中,由CO2蒸发而产生的制

冷量为整个系统的制冷量,因此复叠式制冷系统的性能系数　Ccop=

Gd(h2R

-h1R)+Gg(h7R-h6R)

(4)

3　计算结果及分析

设计计算条件:制冷温度为238115K,环境温度为303115K,制冷量为115kW.

假设各换热设备的传热温差为5K,则低压级CO2的蒸发温度为233115K,高压级冷凝温度为308115K.根据文献[12],对于全封闭压缩机,设等

熵效率为0175,压缩机机械效率为019.

图

3给出了系统性能系数随中间温度的变化,中间温度的变化范围是250165～265165K.可以看出,随中间温度Tm不同,系统的Ccop也不同;当中间温度为257165K时,系统的Ccop达最大值11486.

2　NH3/CO2复叠式制冷系统的

图3　系统COP随中间温度的变化

热力学模拟

为了计算性能系数,首先需对复叠式循环的状态点进行确定.根据已知制冷温度、环境温度和制冷量Q0,并设定传热温差,即可确定低温级蒸发器的CO2蒸发温度和高温级NH3制冷剂的冷凝温度

TK.

　　确定了最佳中间温度后,循环的各状态点即可确定,从而可以对系统的其他性能进行计算.计算所得最佳中间温度下循环各状态点的参数如表1所示.系统的Ccop值为11486,各主要设备的负荷如表2所示,表中Q为换热量,Qe为蒸发器换热量,Qc

为冷凝器换热量,q为质量流量,Ne为压缩机输入轴

　第5期　　　　　　　　　　　　　　　顾兆林,等:NH3/CO2低温制冷系统研究539

表1　循环各状态点的参数

状态点

11R2AR234566R7AR7R78910

T/K

P/MPa

H/kJ kg

-1

(kg S/kJ K)-1

510288510322510322--318718-871818811818811---415638-

用数学表达式可表示为

Tm=196102+012TK

(5)

233115232189280186-260115260115-255115254196395182--308115308115-

110040198421474214262142621426-

629166629166668139681129-364170364170

其中冷凝温度TK在298115～323115K范围内变化

.

0111192519711375202113411348202113411348---565116565116

图4　

不同冷凝温度下性能系数随中间温度的变化

表2　各主要设备的负荷

Qe/kW

Qc/kW

q/g s

-1

Ne/kW

低温级11500高温级11792

1179221428

51661167

0131801692

功率.

　　另外,虽然存在最佳的中间温度使得Ccop最大,但是在最佳中间温度的±5K范围内,Ccop降低很少,这为NH3/CO2两级低温制冷系统的设计与运行操作增加了弹性.

当复叠式制冷循环高温级冷凝温度改变时,循环的Ccop也要随之变化,如图4所示.可以看出:在同一冷凝温度下,制冷系统的Ccop随中间温度的改变而有所变化;在不同的冷凝温度下,系统Ccop的最大值也不同,如当冷凝温度为298115K时,循环的

Ccop可达1175,而当冷凝温度为33115K时,循环的Ccop只有1119.

图5　最佳中间温度随冷凝温度的变化

4　结　论

(1)在同一冷凝温度下,NH3/CO2复叠式两级

低温制冷系统存在一个最佳中间温度,使系统的性能系数最大,且在最佳中间温度的±5K范围内性能系数降低很少,因此为NH3/CO2两级低温制冷系统的设计与运行操作增加了弹性.

(2)当高温级冷凝温度改变时,系统的性能系数也要随之变化;在不同的冷凝温度下,性能系数的最大值不同,最佳中间温度也不同;冷凝温度越高,系统达到最大性能系数时的最佳中间温度就越高.参考文献:

[1]　LorentzenG,PettersenJ.Anew,efficientandenvi2ron2

　　图5给出了不同冷凝温度下最大Ccop所对应的最佳中间温度的变化.从图中可以看出,最佳中间温度随冷凝温度的升高而升高,且基本上呈线性关系:当冷凝温度从298115K升高到323115K时,最佳中间温度从255165K升高到260165K.这一关系

540西　安　交　通　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　第36卷　

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版社,2001.

(编辑

　葛赵青)

(上接第535页)

表1　压力容器的模糊稳健优化设计参数

方案号

1234

λ

V max/m3SVmax/mm3R /mmH /mm

018501010498019001010494019501010550019801011676

01627016350164101716

661414641030631388631259

4291583460194747214565221497

稳健性和模糊约束条件的可行稳健性,因此本文所

作的探讨对完善稳健设计理论是有益的.从望大望小特性模糊设计目标的稳健性准则对设计质量指标y的均值和方差的控制作用来看,其效能和田口试验法、随机模型法、容差模型法[3]的作用是相同的,故本文的模糊稳健设计原理和方法可认为是传统稳健设计理论的发展和进步.参考文献:

[1]　韩之俊.三次设计[M].北京:机械工业出版社,1991.[2]　何可桢.因子试验、RSM与田口方法的比较研究[J].

由表1可见,模糊稳健优化设计可同时对模糊

设计目标的均值和方差进行有效控制,而且方差随均值而变化.所得优化设计参数的稳健性是显而易见的,设计者还可根据用户的要求,调整λ值或由模糊综合评判来确定[5],直到设计方案满意为止.

机械设计,1999,(10):1～4.

[3]　陈立周.稳健设计[M].北京:机械工业出版社,2000.

79～86.

[4]　杨伦标,高英仪.模糊数学原理及应用[M].广州:华南

5　结束语

在工程实际中,模糊信息是普遍存在的,故稳健设计理论应考虑这些客观存在的各种模糊因素.望

大望小特性的模糊设计目标是产品质量设计中的典型情况,其模糊稳健优化设计理论的研究尚是一个新的课题.稳健设计的内容应包括模糊设计目标的

理工大学出版社,1993.22～23,337～340.

[5]　黄洪钟.机械模糊优化原理及应用[M].北京:科学出

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(编辑　管咏梅)