CO2-C3H8复叠低温预冷系统的理论分析及优化设计

　　符号说明

　　IT:中间温度(复叠温度)

　　DT:复叠温差

　　AT:低温级蒸发器冷端温差

　　Q:换热量

　　E:低温级回热器效能

　　Tc:环境温度

　　TL:制冷温度

　　TCONDH:高温级冷凝温度

　　TCONDL:低温级冷凝温度

　　TCOND:冷凝温度

　　1 引 言

　　两级复叠制冷循环适用于冷热源温差较大的情况,选用适当的制冷剂,两级复叠制冷循环能应用于193K-213K温区的制冷设备^[1]。近年来,由于臭氧层破坏和全球温暖化成为日益严峻的全球问题,寻找高效、绿色的环保制冷工质已成为国际社会的共识,制冷系统使用天然工质在国际制冷大会上也一再被强调^[2]。

　　一种典型的天然工质复叠制冷循环是NH₃-CO₂复叠制冷循环。其高温级采用NH₃,低温级采用CO₂作制冷剂,能够用于制冷温度较低的设备,但不适应于热源温度较高的情况^[3]。因此, Sarker J.等人提出将CO₂用于高温级环,NH₃用于低温级循环。随后发现,C₃H₈-CO₂复叠制冷循环能获得比NH₃-CO₂复叠制冷循环更大的温差。CO₂、C₃H₈的ODP指数均为零,GWP指数非常小; C₃H₈的热力性能和NH₃很相似,是一种便宜且应用广泛的物质,最重要的是C₃H₈没有毒性。2000年丹麦一家超市的冷柜首次使用了C₃H₈-CO₂复叠制冷循环。C₃H₈具有可燃性,将其应用于低温级循环恰可以避免这种危险性^[4]。中国国内关于CO₂-C₃H₈复叠制冷循环做了较多研究,但都是将C₃H8用于高温级, CO₂用于低温级,制冷温度基本在233K以上^[5]。鉴于科技发展对低温预冷设备越来越广的需求,考虑到C₃H₈可以用于很低温度(213K-243K)的制冷系统^[1],本文设计了一个CO₂-C₃H₈复叠制冷循环低温预冷系统,并对该系统进行了理论分析及优化设计。

　　2 系统循环

　　本低温预冷系统采用复叠制冷循环,但不同于常规复叠制冷循环的是低温级循环增加了一个回热器,既能充分回收低温级的冷量,又使低温级压缩机吸气温度比常规复叠制冷循环时要高出很多,压缩机稳定性有所保证,润滑油回油效果也要变好^[6],循环流程如图1所示。系统由高温级回路1-2-3-4-5-1,低温级回路6-7-8-9-10-11-12-6以及外界负荷管路13-14-15组成。该系统高温级循环采用CO₂、低温级循环采用C₃H₈作为循环工质。高、低温级由一个蒸发冷凝器联系起来,它既是高温部分的蒸发器,又是低温部分的冷凝器。