CO2用于自然复叠制冷系统的理论分析

    1 前 言

    在制取较低温度的工业或商业制冷装置中,由于制冷效率、制造成本、维护费用等方面的考虑,自动复迭制冷系统得到了越来越广泛的重视[1]~[3]。与传统复迭系统相比,自动复迭制冷系统使用混合工质、采用单台压缩机实现多级复迭,结构简单,成本低。

    目前,应用于食品速冻行业的复迭式制冷系统都采用氨作制冷剂,氨易燃、有毒、并且有刺激性气味。有必要研究新的环保型工质,以期克服氨制冷剂的以上缺点。

    CO₂作为制冷剂有很多优势:它是一种天然工质,其ODP=0,GWP=1;具有良好的安全性和化学稳定性,不燃,无毒;蒸发潜热大,单位制冷量相当高,迁移特性良好。因此,采用CO₂作制冷剂可显著减小系统尺寸,使系统结构紧凑。

    烷烃作为天然工质,也得到了广泛的重视[4]~[5]。这类物质具有较好的环境适用性,无毒、化学特性稳定,与许多材料兼容等优点,可燃是其最大缺陷。但通过精心设计,可以避免事故的发生,而且在小型制冷系统中,充注量很小,发生危险的可能性微乎其微。目前, CO₂和烷烃组成的混合物应用于自动复迭制冷系统的研究较少。

    为了研究上述工质的性能,本文对采用CO₂和烷烃(R290、R600a、R600)组成的混合工质的自动复迭制冷系统应用于普冷领域进行了理论分析,得出了各种工质性能参数的大小关系和其随CO₂摩尔含量的变化趋势,所得结论对于混合工质的选配实验具有较大的指导意义。

    2 系统循环

    试验装置如图1所示,图2为该系统的循环流程图。制冷剂在压缩机中由状态点1压缩到状态点2,然后进入冷凝器中被冷却到点3。制冷剂在气液分离器中(点3)分为气相回路和液相回路两部分。富含高沸点组元的液相回路节流后(点5)与来自蒸发器的气相回路(点12)汇合,在冷凝蒸发器中把富含低沸点组元的气相回路冷却,再经过回热器冷却成过冷液体(点9),经过节流阀节流到点10,进入蒸发器吸热后变为饱和蒸汽(点11),经过回热后,与节流后的液相回路汇合(点6)进入冷凝蒸发器,在冷凝蒸发器中蒸发吸热,变为饱和蒸汽(点0),在吸气管中过热后进入压缩机(点1),完成一次循环过程。其中6—0—1—2—3为总的制冷剂的循环流程, 7—9—10—11—12为气相回路流程, 4)5为液相回路流程。

    3 理论分析

    为了使图1所示系统的理论计算简单可行,作如下假设:①压缩过程的等熵效率为0.80:② 冷凝器出口温度为40℃,蒸发器进口温度为-40℃;③制冷剂在压缩机吸气管中的过热度为5℃,冷凝蒸发器两侧温差不小于3℃;④二级节流前(点9)过冷度为5℃;⑤理论计算中系统循环的高压均低于3.0MPa;⑥系统管道中的压力损失忽略不计;⑦ 蒸发器出口及冷凝蒸发器蒸发侧出口均为饱和蒸汽。