自然工质低温复叠式制冷循环的热力学分析与比较

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    在工业和商用制冷系统的应用中,如果要求制冷温度较低时,采用通常的蒸汽压缩式制冷循环很难达到要求。因为当蒸发温度和冷凝温度相差很大时,找不到一种制冷剂既满足冷凝压力不太高又满足蒸发压力不太低的要求。如果冷凝压力过高,为了保证足够的强度,冷凝器和高压管道的壁厚均需要增加,结果使制冷机笨重庞大。如果蒸发压力过低,由于低压部分在真空下运行,增加了空气漏入系统的可能性,同时由于级压比增大,使压缩机输气系数降低。而且蒸发压力过低时,吸气状态下制冷剂的比容增大,使压缩机尺寸增大。另外,对于使用活塞式制冷压缩机的循环,压缩比一般不能超过10,吸气压力不能低于0.015MPa,如果要达到更低的蒸发温度,即使级数再多也无能为力。如果改用沸点低的制冷剂,虽然蒸发压力可不低于0.015 MPa,但其冷凝压力太高,接近临界压力,此时循环的节流损失很大。因此,应用单一的低温制冷剂的循环是不利的。

    当制冷温度很低时,可以采用复叠式制冷系统。它既能满足在较低蒸发温度下蒸发时合适的蒸发温度,又可以满足在环境温度下冷凝时适中的冷凝压力。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,蒸发温度可达- 80～- 90℃。但是R22(CHF2Cl)和R13(CF3Cl)不仅破坏大气臭氧层,而且会产生严重的温室效应。根据1987年9月的“蒙特利尔协定”和1992年哥本哈根修正案,R13目前已限制使用,R22的使用期限到2030年。因此,需要采用新的制冷剂替代系统,以满足低温制冷的需要。经实践证明,人工制造的物质与自然状态偏离得越远,对自然和人类造成的危害就越大。从对环境的长期安全来看,应尽量避免使用那些最终会排放到生物圈中的非自然工质,重新起用自然工质是一种非常安全的选择。从九十年代起,欧洲率先发起使用“自然工质”的运动。我国学者近年来也开始了自然工质的研究[1]。

    使用CO₂作为工质与可挥发的冷媒卤代烃相比有很多优势,如管路尺寸较小、泵能耗低、换热效率高以及没有腐蚀问题等,因此目前已被应用于商用制冷系统和船用制冷系统。将CO₂-NH₃用于复叠式低温制冷循环的方案1932年W.R.Kitzmiller曾提出[2],但随着氟里昂的推广应用,CO₂-NH3复叠式制冷并没有得到发展。在CO₂-NH₃低温复叠式制冷循环系统中,CO₂用作低温级制冷剂,高压级用NH3作制冷剂。与其它低压制冷剂相比,即使处在低温CO₂的粘度也非常小,传热性能良好,因为利用潜热,其制冷能力相当大。例如PettersenA.和Jakobsen[3]的研究表明,与NH3复叠系统相比,低温级采用CO₂,其压缩机体积减小到原来的1/10,CO2环路可达到- 45～- 50℃的低温,而且通过干冰起粉末作用可降低到- 80℃。目前,欧洲在超市中已建立了几个这种用CO₂做低温制冷剂的复叠式制冷系统,运行情况表明技术上是可行的,这种系统还适用于低温冷冻干燥过程。由于R290压缩机与R22极为相似,CO₂-R290复叠式制冷系统在超市小型制冷系统的应用研究目前也成为人们普遍关注的方向[4]。