自然工质复叠式制冷循环替代与节能研究

    0 引言

    当制冷温度很低时,可以采用复叠式制冷系统。由两个单级压缩制冷系统组成的复叠式制冷系统通常采用R22和R13作制冷剂,但R22和R13不仅破坏大气臭氧层,而且会产生严重的温室效应。根据/蒙特利尔议定书0,R13目前已限制使用,R22的使用期限到2030年。因此,需要采用对环境友好的制冷剂,以满足低温制冷的需要。重新启用自然工质是一种非常安全的选择,自然工质被已故前国际制冷学会主席G.Lorentzen称为解决环境问题的最终方案〔1〕。W. R. Kitzmiller〔2〕曾在1932年提出NH₃/CO₂复叠式低温制冷循环的方案,高压级用NH₃,低压级用CO₂作制冷剂。我国学者近年来也对膨胀机在自然工质制冷循环中的应用进行研究〔3〕,天津大学热能研究所已研制生产出几代自然工质膨胀机。Khalid A〔4〕与E. Halimic〔5〕研究了R290作为替代工质的性能,童明伟等〔6〕实验说明了多种金属材料与R290的良好相容性。本文对自然工质NH₃/CO₂、R290/CO₂与常规工质R22/R13复叠式制冷循环进行热力学分析对比,并提出在NH3高温循环和CO₂低温循环中采用膨胀机代替节流阀,结果表明NH₃/CO₂、R290/CO₂复叠式制冷循环的COP大于R22/R13常规循环,说明自然工质NH₃/CO₂、R290/CO2在低温制冷条件下有很好的发展前景。

    1 热力计算与结果分析

    1.1 热力计算

    如图1中所示,复叠式制冷循环由高温循环和低温循环组成。图2是自然工质NH₃/CO₂、R290/CO₂与常规工质R22/R13复叠式循环比较。本文对表1中给定工况条件下的R290/CO₂、NH₃/CO₂与R22/R13复叠式制冷循环进行了热力计算。

    不带膨胀机的低温循环功耗:

    不带膨胀机的高温循环功耗:

    带膨胀机的低温循环功耗:

    低温循环膨胀机的膨胀比:

    带膨胀机的高温循环功耗:

    高温循环膨胀机的膨胀比:

    带膨胀机的复叠式循环的COP:

    1.2 结果分析

    从图3可以看出,在相同的工况下,NH₃/CO₂复叠式制冷循环比常规工质R22/R13复叠式制冷循环的COP大1.4%,而R290/CO2复叠式制冷循环要比常规工质R22/R13复叠式制冷循环的COP小1.5%。用NH₃/CO₂、R290/CO₂常规的循环方式替代R22/R13复叠循环,在能效上没有明显的优势。因此,提出用膨胀机替代膨胀阀。

    图4中比较了CO₂与R13低温循环膨胀比,在相同的低温循环冷凝温度下,CO₂的膨胀比小于R13的膨胀比,CO₂膨胀机的结构尺寸要小于R13的膨胀机的结构尺寸。图6中低温循环工质膨胀后的干度也说明了同样的问题。