復疊壓縮機組裝中關鍵問題

摘 要：以R404A 和R23 為制冷劑的復疊制冷機組,不但滿足了制取- 80 ℃的低溫要求,還具有環保的。
優 點：對復疊機組設計中涉及到的幾個關鍵問題及其解決方法進行了分析和闡述。
關鍵詞：R404A/ R23 低溫 復疊制冷 設計
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
隨著制藥業和化工業的蓬勃發展以及日益嚴格的汽油揮發氣體排放標準的出臺, - 70 ℃以下深冷機組的需求量越來越大。因此,為適應市場需求,筆者研發了R404A/ R23 低溫復疊制冷機組。早在1997 年,美國的EDWARDS 公司出產的深冷油氣回收系統就有400 余臺低溫復疊制冷機組在*運轉,每臺機組價格幾十萬美元。近年來,其價格雖有下降,但對國內的消費者而言,還是很昂貴。國內的上海一冷、沈陽冷凍機和北京天利等公司均有低溫復疊產品,尤其天利公司在低溫領域可謂表現不凡,其主打產品就是低溫冷凍、冷藏, 可以生產- 60～ - 125 ℃低溫和超低溫設備。目前,國內- 60 ℃以下低溫設備的供應大都來自天利公司。下表列出幾家同類產品的比較情況。
1.復疊制冷機組
復疊式制冷機組通常由兩個部分(也可由三個部分) 組成,分別稱為高溫部分及低溫部分。高溫部分使用中溫制冷劑,低溫部分使用低溫制冷劑, 而每一部分都是一個完整的單級或雙級壓縮制冷系統。高溫部分系統中制冷劑的蒸發是用來使低溫部分系統中制冷劑冷凝,而只有低溫部分系統的制冷劑在蒸發時才制取冷量。高溫部分和低溫部分用一個冷凝蒸發器起來,它既是高溫部分的蒸發器,又是低溫部分的冷凝器[1 ] 。圖1
 
1. 1制冷劑選擇
當前,低溫復疊制冷機組大都以R22/ R13 為制冷劑。為滿足環保要求,本設計采用R404A/ R23作制冷劑。其中, R404A 由R125(標準沸點- 49 ℃) 、R143a (標準沸點- 47. 2 ℃) 和R134a (標準沸點 - 26. 1 ℃) 按質量分數44∶52∶4 混合而成,具有與 R22 (標準沸點- 40. 8 ℃) 較為相近的熱物理性質, 標準沸點為- 46. 6 ℃, ODP 和CL P 值為零,無毒, 安全性高, GWP 值為4 540。有試驗表明:以R404A 為制冷劑的制冷機組與以R22 為制冷劑的同一機組相比較,其制冷量會稍微增大但其消耗功率會增大更多,綜合來看其COP 比R22 機組要小一些,這是不利的一方面[223 ] ; R23 標準沸點- 82. 1 ℃, ODP 和CL P 為零, 無毒, 安全性高, GWP 稍高, 約為 14 800[4 ] 。
1. 2機組主要性能指標
R404A 高溫部分:蒸發溫度te = - 38 ℃,蒸發壓力Pe = 1. 454 bar ,采用回熱器,吸氣過熱度為 15 ℃;冷凝溫度tc = 40 ℃,冷凝壓力Pc = 18. 157 bar , 過冷度5 ℃;壓縮機消耗功率Ng =11. 47 kW。 R23 低溫部分:蒸發溫度te = - 85 ℃,蒸發壓力 Pe = 0. 851 bar ,吸氣過熱度為30 ℃;壓縮機排氣被水冷換熱器冷卻降溫至40 ℃, 中間溫度tm = - 33 ℃, 對應壓力Pm = 9. 138 bar ;制冷量Q0= 10 kW; 冷凝蒸發器熱負荷Qc = 13 kW;電機消耗功率Nd =6. 27 kW 。
總功率(kW) : N = Nd + Ng = 17. 74
性能系數: COP = Q0/ N = 0. 56 。
 
2.系統設計關鍵點
2.1.1相關熱力計算
復疊式制冷循環的熱力計算可分別對高溫部分及低溫部分單獨進行計算。計算中令高溫部分的制冷量等于低溫部分的冷凝熱負荷加上冷損。計算方法與單級或兩級壓縮制冷循環的熱力計算相同。
2.2中間溫度的確定
復疊式制冷循環中中間溫度的確定應根據制冷系數Z大或各個壓縮機壓力比大致相等的原則。前者對能量利用Z經濟,后者對壓縮機氣缸工作容積的利用率較高(即輸氣系數較大) 。由于中間溫度在一定范圍內變動時對制泠系數影響并不大,故按各級壓力比大致相等的原則來確定中間溫度似乎更為合理。
根據邁勒普拉薩特公式,低溫復疊機組的中間溫度(低溫段冷凝溫度)[5 ] :
Tm = ( Tc ·Te)0.5 - 0. 5ΔT + 0. 125ΔT2/ ( Tc ·Te) 0. 5
式中, Tm 為中間溫度( K) ;Δ T 為冷凝蒸發器傳熱式中, Tm 為中間溫度( K) ;Δ T 為冷凝蒸發器傳熱溫差( K) ; Tc 為冷凝溫度( K) ; Te 為蒸發溫度 (K) 。這里, 取Δ T = 5 K, Tc = 273. 15 + 40 = 313. 15 K, Te = - 85 + 273. 15 = 188. 15 K。于是, 計算Tm = 240. 25 K = - 32. 9 ℃。這里,取Tm = - 33 ℃。
2.1.2 傳熱溫差的確定
冷凝蒸發器傳熱溫差的大小不僅影響到傳熱面積和冷量損耗,而且也影響到整個制冷機的容量和經濟性,一般Δt = 5～10