復疊壓縮機組裝中關(guān)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(huán)保的。
優(yōu) 點：對復疊機組設計中涉及到的幾個關(guān)鍵問題及其解決方法進行了分析和闡述。
關(guān)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(yè)和化工業(yè)的蓬勃發(fā)展以及日益嚴格的汽油揮發(fā)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(fā)了R404A/ R23 低溫復疊制冷機組。早在1997 年,美國的EDWARDS 公司出產(chǎn)的深冷油氣回收系統(tǒng)就有400 余臺低溫復疊制冷機組在*運轉(zhuǎn),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(nèi)的消費者而言,還是很昂貴。國內(nèi)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(chǎn)品,尤其天利公司在低溫領域可謂表現(xiàn)不凡,其主打產(chǎn)品就是低溫冷凍、冷藏, 可以生產(chǎn)- 60～ - 125 ℃低溫和超低溫設備。目前,國內(nèi)- 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(chǎn)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(tǒng)。高溫部分系統(tǒng)中制冷劑的蒸發(fā)是用來使低溫部分系統(tǒng)中制冷劑冷凝,而只有低溫部分系統(tǒng)的制冷劑在蒸發(fā)時才制取冷量。高溫部分和低溫部分用一個冷凝蒸發(fā)器起來,它既是高溫部分的蒸發(fā)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(huán)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(zhì)量分數(shù)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(zhì), 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(fā)溫度te = - 38 ℃,蒸發(fā)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(fā)溫度te = - 85 ℃,蒸發(fā)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(fā)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(shù): COP = Q0/ N = 0. 56 。
 
2.系統(tǒng)設計關(guān)鍵點
2.1.1相關(guān)熱力計算
復疊式制冷循環(huán)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(huán)的熱力計算相同。
2.2中間溫度的確定
復疊式制冷循環(huán)中中間溫度的確定應根據(jù)制冷系數(shù)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(jīng)濟,后者對壓縮機氣缸工作容積的利用率較高(即輸氣系數(shù)較大) 。由于中間溫度在一定范圍內(nèi)變動時對制泠系數(shù)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(jù)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(fā)器傳熱式中, Tm 為中間溫度( K) ;Δ T 為冷凝蒸發(fā)器傳熱溫差( K) ; Tc 為冷凝溫度( K) ; Te 為蒸發(fā)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(fā)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(jīng)濟性,一般Δt = 5～10