CO2/NH3复叠制冷浅析

    近年来,在大型NH3系统的成熟设计经验的基础上,以及对CO₂低温制冷的深入研究,加之环境保护意识的增强,使用自然工质的CO2/NH3复叠制冷系统应运而生。该复叠制冷系统不仅具有自然工质的优势,而且CO₂作为低温段,运行在非跨临界状态,CO₂制冷的最高工作压力为32 bar,这在普通工业制冷中是能控制的。就CO₂对储藏物品的影响而言,即使泄漏也不会对储藏物品的品质产生不良影响。同时,该复叠系统低温段使用CO₂取代NH₃,大大减少了NH3的充灌量,并且高温段的NH₃机组可以安装在独立的机房,提高了系统的安全性。

    1 CO2/NH3复叠制冷系统

    1.1 原理

    在CO₂/NH₃复叠制冷系统(图1)中,CO₂用作低温段制冷剂,NH₃用作高温段制冷剂。两个制冷循环通过一个蒸发冷凝器(下文称为:复叠冷却器)联系在一起,构成完整的复叠循环。高温段NH₃循环是常规的制冷循环,NH₃在复叠冷却器中蒸发,使高温CO₂气体冷凝。在复叠冷却器中,冷凝后的CO₂进入气液分离器,液态CO₂通过CO₂循环泵,泵送到CO₂蒸发器(如平板速冻机或冷风机)。经过蒸发器后的两相CO₂返回气液分离器,气态CO₂被压缩机吸入,经过压缩,进入复叠冷却器冷凝。如此循环反复,完成整个复叠制冷循环。

    1.2 特点

    ①CO₂/NH₃复叠制冷系统一般应用范围为-35~-55℃,由于CO₂三相点(-56.6℃)高,所以蒸发温度最低能到-55℃。

    ②与传统的NH3两级制冷系统相比,由于CO₂的容积制冷量要比NH₃的大,所以同等冷量的系统减少了系统氨的充灌量,降低了NH₃泄漏的危险程度。同时,作为高温段的NH₃系统可以布置在单独的机房,这样提高整套系统的安全性。

    下面通过一个简单的计算实例来验证所需排气量的差异。

    条件:同等工况,要求的制冷量相同,均为440 kW。

    从所需的排气量明显看出,CO₂/NH₃复叠制冷循环所需的压缩机要小得多。本计算中,复叠系统CO₂侧的冷凝负荷与NH₃侧的蒸发负荷取值相等,得出上表中数据。

    ③与其他低温制冷剂相比,CO2在-40℃下,液体粘度是5℃水的粘度的1/8[1],即便在相对较低的流速下也可以产生湍流流动。流动和传热性能提高,减少了管道和热交换器的尺寸,从而使系统更紧凑[2]。