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低温制冷技术概述_图文

作者:欧宝体育 日期:2020-08-19 12:28 人气:

  低温制冷技术概述_图文_物理_自然科学_专业资料。低温制冷技术概述_图文.ppt 目录 1 低温制冷系统形式 2 低温制冷剂 3 低温制冷应用 低温定义 ? 制冷技术中低温指的是蒸发器侧的温度范围,在不同应 用中低温所指的范围有所

  低温制冷技术概述_图文.ppt 目录 1 低温制冷系统形式 2 低温制冷剂 3 低温制冷应用 低温定义 ? 制冷技术中低温指的是蒸发器侧的温度范围,在不同应 用中低温所指的范围有所区别: 1)在空调中,蒸发器中水或酒精的温度达到0℃,就被认为是低温; 2)在工业制冷中,蒸发器中热汇的温度快速达到-45~-50℃, 才被认为是低温; 3)在低温医学和低温生物学领域中,温度范围在-73~-123℃ ,才算是低温; 4)在低温学领域,温度接近-273 ℃才被指定为低温。 ? 随着现代工业技术的发展工业制冷的应用范围不断扩展,所涵盖的 低温温度范围也不断扩大,现在-40~-100℃的温度范围都属于 工业制冷所指的低温。 如何实现低温制冷 ? 多级蒸汽压缩系统 (-70~-40℃) ? 复叠制冷系统 (-90~-60 ℃) ? 自复叠制冷系统 (-40~-150 ℃) 多(两)级压缩制冷循环 一、单级蒸气压缩局限性 1. 冷凝压力 ? tk ? 环境温度、冷却介质温度 蒸发压力 ? t0 ? 用户要求(制冷系统的用途) 2. 用户要求蒸发温度↘ →蒸发压力↘ →压缩比(pk/p0)↗ 压缩机输气系数下降; 3. pk/p0增大导致→ 压缩机排气温度升高,润滑条件变坏; 耗功增加,制冷量下降,制冷系数降低。 二、单级蒸气压缩条件 1.氨制冷系统:pk/p0≤8;最低蒸发温度-25℃; 2.氟利昂制冷系统:pk/p0≤10;蒸发温度-37℃ 表1 单级活塞式压缩机的最低蒸发温度 多级蒸汽压缩式制冷循环的优点 采用多级蒸汽压缩式制冷循环来获取低温,能够避免或减 少单级蒸汽压缩制冷循环中由于压力比过大所引起的一系列 不利的因素,从而改善制冷压缩机的工作条件,提高制冷效 率,具体优点如下: (1)可降低各级压缩比,减小活塞式制冷压缩机的余隙容积影响, 减少制冷剂回气与气缸壁间的热交换,减少制冷剂在压缩过程中的窜气泄 漏,提高制冷压缩机的输气系数,从而增大制冷量。 (2)可降低各级的排气温度,减小压缩过程中的不可逆损失,保证 设备更加高效、安全运行。 (3)可降低各级的压力差,使运行的平衡性能提高、机械摩擦和磨 损减小。有利于简化设计和降低成本。 (4)可减少节流损失,提高制冷效率。 ? 两级蒸汽压缩的类型 单机双级:一台压缩机,气缸一部分为高压级,一部分为低压级。 双机双级:两台压缩机,分别为高压级和低压级。 一级节流:供液的制冷剂液体直接由冷凝压力节流至蒸发压力。 二级节流:一级节流至中间压力,二级节流至蒸发压力。 中间完全冷却:将低压级的排气冷却到中间压力下的饱和蒸气。 中间不完全冷却:未将排气冷却到中间压力下的饱和蒸气。 就循环的经济性而言,两次节流优于一次节流; 但一次节流更具实际意义,被广泛使用: ? 供液压差大,可实现远距离供液或高层供液; ? 只用一只节流阀,系统简化; ? 阀前后压差大,节流前液体过冷度大,不易闪蒸。 简要介绍 ?一次节流中间完全冷却循环; ?一次节流中间不完全冷却循环; 一次节流中间完全冷却两级压缩制冷系统 ? 适用于大型氨制冷系统 。 系统基本组成 压焓图 一次节流中间不完全冷却两级压缩制冷系统 ? 适用于氟利昂制冷系统。 基本组成示意图 压焓图 中间冷却器 作用: 1.降低低压级压缩机排气温度 ,避免高压级排气温度过高; 2.使高压液体在节流前得到过 冷,以提高系统制冷能力,减 少节流产生的闪发气体; 3.起到油分离器的作用,它可 将由低压级压缩机带出的润滑 油,通过改变流动方向、降低 流速、洗涤和降温作用分离出 来,并由放油管排出。 中间冷却器示意图 复叠式压缩制冷系统 ? 采用多级压缩制冷循环可获得-80℃以上的低温,但是当需要制取更 低的温度时,由于冷凝温度与蒸发温度相差过大,多级压缩制冷循环 也难以胜任。因此采用复叠式制冷压缩。 ? 复叠式制冷循环是用两种或两种以上不同的制冷剂,分别组成两个或 两个以上相互独立的单级或两级压缩制冷循环,并把它们合成一个系 统进行制冷循环。它可以获-130 ℃至-80℃的低温。 ? 常见形式: ① 由两个单级压缩制冷循环组成的二元复叠式制冷循环 ② 由一个两级压缩制冷循环和一个单级压缩制冷循环组成的二元复叠 式制冷循环 ③ 由三个单级压缩制冷循环组成的三元复叠式制冷循环 二元复叠式压缩制冷系统 二元复叠式制冷循环示意图 高温部分:采用中温中压制冷 剂(如氨、丙烷等),蒸发器 为低温部分冷凝器工作创造低 温冷凝的放热环境。 低温部分:采用低温高压制冷 剂(如R23、CO2等),蒸发 器为用户制冷。 蒸发冷凝器:实现两部分之间 的热量交换,本系统可制取 -80~-60℃的低温。 复叠式压缩制冷系统的特点 ? 在制取同样冷量的要求下,复叠式制冷的低温部分制冷压缩机的 理论输气量比两级压缩时低压级制冷压缩机的理论输气量可以小 得多,使得整个机组的制冷压缩机尺寸减小、重量减轻。 ? 每台制冷压缩机的工作压力范围比较适中,低温部分制冷压缩机 的输气系数及实际效率都有所提高,尤其是摩擦功率减少,因此 循环的制冷系数提高。 ? 两部分系统内能保持正压,空气不易漏入,运行的稳定性好。 ? 复叠式制冷循环一般需要采用冷凝蒸发器、膨胀容器、气液热交 换器等设备,并需采用多元制冷剂,系统比较复杂。 自复叠系统 ? 自复叠制冷循环(Auto-Cascade Refrigeration Cycle,简称ACR 循环) 又称内复叠或自然复叠循环,根据非共沸混合工质在相同压力下沸点不 同的特点,用一台压缩机对两种或两种以上的制冷剂蒸汽进行压缩,排入 冷凝器后高沸点工质在冷凝器中冷凝为液态,低沸点工质仍为气体,通过 气液分离器将高沸点液态工质和低沸点气态工质分离开来,并在冷凝蒸发 器中通过高沸点工质节流蒸发来实现低沸点工质冷凝,低沸点液态制冷剂 节流后进入蒸发器蒸发,获得较低的温度,高、低沸点制冷剂蒸汽一起被 吸入压缩机进行循环,从而使高沸点液态工质在相同蒸发压力下获得更低 的制冷温度。 可依据所要达到的蒸发温度,进行混合工质的选择。 ? 根据分凝级数的不同可分为 (1) 单级压缩单级分凝循环 (2) 单级压缩多级分凝循环 单级分凝的工作原理 单级压缩单级分凝循环流程图 ? 本图为典型的单 级分凝循环的流 程。该循环通常 使用二元混合工 质,但根据要制 取的温度,也可 以使用多元混合 工质。 ? 改进:如设置回 热器、逆流换热 器及分凝器等, 使循环性能得到 明显提高。 多级分凝的工作原理 单级压缩三级分凝循环原理图 ? 当混合工质组分选择合适时,可以实现一种制冷剂的节流及蒸发,为下一种制 冷剂的冷凝提供冷量,直至最低沸点的制冷剂冷凝成液体。多级分凝可提高混 合工质的分离效果,制取更低的温度,减小蒸发器温度滑移。 ? 可获得90K 以下的低温,一般应用于天然气的液化流程或制取液氮温区的温度 。 自复叠系统 ? 特点:制冷循环系统采用单台压缩机,与多级压缩和经典复 叠系统相比较,系统结构简单、紧凑,成本较低,而且低温 端没有运动部件,性能可靠。 ? 应用:由于自动复叠系统具有较大的工作温区, 因此, 无论是 在普冷领域还是在半导体工业、低温医学中血浆、疫苗保存 及生物领域中遗传酶、培养基、生物标本保存、食品的冷冻 储存、气体液化等深冷领域, 都具有比较大的使用价值。 低温系统特有设备 膨胀容器 ? 复叠式制冷系 统中特有的设 备。 ? 保证停机后低 温级的压力过 度升高。 ? 连接在低压级 压缩机的吸气 管上。 ? 一般为钢制的 封闭筒形承压 容器。 ? 膨胀容器 ? 蒸发冷凝器 ? 蒸发冷凝器的作用是高温制冷剂蒸发使低温制冷剂冷 凝, 它既是高温级的蒸发器, 又是低温级的冷凝器。 ? 按其结构来分, 蒸发冷凝器主要有3种形式:立式壳管式 、立式盘管式和套管式。 1. 立式壳管式 结构与一般壳管式冷凝器基本相同。在这种蒸发冷 凝器中, 高温级的制冷剂液体在管内吸热蒸发, 低温级 的制冷剂蒸气在管外放热冷凝。该蒸发冷凝器的结构 简单, 但高温级的制冷剂充注量大, 且液体静压力对蒸 发温度的影响较大。 2. 立式盘管式 立式盘管式蒸发冷凝器在圆形的壳体中装有一组套在一 起的盘管。当蒸发冷凝器工作时, 高温级制冷剂液体从壳体 一侧上端的进液管经分液器分4路进入盘管,吸热蒸发后, 蒸气 从该侧下端的出气管引出; 低温级制冷剂蒸气从顶部进气管 进入, 在盘管外冷凝后由底部出液管流出。 3. 套管式 结构与套管式冷凝器相似, 它2根直径不同的铜管套在 一起后弯曲而成。 在这种蒸发器中, 高温级制冷剂在内管中蒸发汽化,低温 级制冷剂在内管与外管之间放热冷凝。尽管这种蒸发冷凝器 的结构简单, 加工方便, 但其金属消耗量较大, 因此只适用于 小型低温设备。 回热器 回热器:由于复 叠式制冷系统所 用的低温制冷剂 ,蒸发器出来的 气体温度与环境 温差很大,导致 有害过热太大, 同时压缩机希望 在常温下工作, 吸气温度不宜低 于-30℃,为此 ,要用回热器使 吸气过热成为有 用过热。 复叠和自复叠系统的区别及联系 制冷剂 复叠 系统 自复 叠系 统 两种或两 种以上不 同的制冷 剂 混合工质 压缩机 工作压力 两台或 以上 制冷剂分别 在各自的蒸 发、冷凝压 力下工作 一台 系统在相同 的冷凝压力 和蒸发压力 下工作 低温端 工作 温区 有膨胀 -90~-60 容器等 ℃ 无运动 -40~部件 150 ℃ 常用低温制冷剂 ?氨 ? 氨是应用较广的中温制冷工质。沸点为-33.3℃,凝固点为-77.9℃。氨 具有较好的热力性质和热物理性质,在常温和普通低温范围内压力比 较适中。单位容积制冷量大,粘性小,流动阻力小,传热性能好,但 排气温度较高。但是氨对人体有较大毒性,具有一定的可燃性。氨含 水分时会腐蚀锌、铜、青铜和其他铜合金,只能使用磷青铜。 ? 氨可用于蒸发温度-65℃以上的制冷机中,以前主要用于大、中型制冷 机,现在小型也开始应用。 复叠系统低温级制冷剂 制冷剂 编号 R13 R503 R23 R508B R170 分子式或成 分分子式 CClF3 CHF3/CClF3 CHF3 CHF3/C2F6 C2H6 相对分 子量 标准沸 点/℃ 临界温度 和压力 ODP GWP 毒 (100年) 性 104.46 -81.3 28.9℃ 3.88MPa 1.0 14000 无 87.28 -87.5 18.4℃ 4.27MPa 0.599 13000 无 70.01 -82.1 25.9℃ 4.84MPa 0 12000 无 95.4 -87.4 14℃ 3.93MPa 0 12000 无 30.07 -88.9 32℃ 4.87MPa 0 ~20 无 可燃性 不燃 不燃 不燃 不燃 高可燃 ? R23 ? 用 R23 作为复叠制冷低温级的替代 工质时, 由于其绝热指数和压比都 很大, 容易引起压缩机排气温度上升、 效率降低、 功耗增大, 甚至造成 系统内制冷剂和润滑油的分解, 恶化压缩机运转条件, 对整个制冷系统 不利。 ? 所以在设计系统时, 除了采用对压缩机缸体通冷却水冷却或在压缩机顶 部加装散热风扇等措施以外, 还应在低温压缩机排气口设置冷却器, 使 气温度降低, 然后再送入冷凝蒸发器, 不但能提高系统的可靠性, 而且减 轻了高温子系统的蒸发器负荷,从而减少功耗, 提高 COP。 ? 此外,压缩机和润滑油的选择也与R13等制冷剂有所不同。 ? R508B(R23/R116) 制冷量/% 能效比/% 排气压力 吸气压力 /MPa /MPa R13 100 100 0.717 0.083 R23 104 90 0.848 0.090 R508B 138 98 1.013 0.124 排气温度/℃ 92 138 85 对 R23 和 R508B , 综合比较其制冷量和能效比的性能可知, R508B 的性 能优于 R23 ,尤其重要的是, 在相同工况下, R508B 的排气温度较R23低 得多,并且在压缩机容许的安全运行排气温度范围内, 这对保证润滑油的 润滑性能和延长压缩寿命方面非常有利。 ? CO2 ? CO2是一种天然制冷剂,它不破坏臭氧层,温室效应指数为1,对环境 友好。其单位容积制冷量大,运动粘度低,使系统结构紧凑、运行维 护简单,具有良好的经济性能。它的化学性能稳定,安全无毒不可燃 ,适用于各种润滑油常用机械零部件材料。CO2制冷循环的压缩比要 比常规制冷剂的低,因而压缩机的容积效率可以维持在较高的水平。 由于其临界温度较低,在制冷工况时,宜采用跨临界循环方式。但 CO2作为制冷剂其主要缺点是运行压力较高和循环效率较低。 ? 目前CO2在汽车空调和复叠式循环应用比较好。在汽车空调中它的跨 临界循环排气温度高、气体冷却器的换热性能好,适应于汽车空调恶 劣的工作环境。在复叠式制冷系统中用作低温级制冷工质。与NH3两 级压缩系统相比,低温级采用CO2,其压缩机体积减小到原来的十分 之一,CO2环路可达-45~-50℃的低温。 ? 碳氢化合物制冷剂 ? 碳氢化合物的优点是ODP为0,GWP很小,常用的有烷烃类和烯烃类 制冷剂。其主要问题是易燃易爆性,使用时低压侧应保持正压或将系 统严格密封。 ? 丙烯R1270的制冷温度范围与R22相当,可用于两级压缩制冷装置, 也可以用作复叠式制冷装置的高温部分制冷剂。 ? 乙烷R170、乙烯R1150的制冷温度范围与R13相当,只在复叠式制 冷系统的低温部分使用。 ? 甲烷R50可以与乙烯、氨(或丙烷)组成三元复叠制冷系统,获得150℃左右的低温,用于天然气液化装置。 ? 丙烷R290一般不用作纯质制冷剂,它常常用作混合制冷工质一部分 ? 混合工质 ? R170、R116、R23组成的共沸和近共沸工质 ? 55%CO2、 45% R290组成的非共沸混合工质 ? CO2、R170混合物 ? …… 自复叠系统制冷剂 ? 自复叠系统的工作原理是通过非共沸制冷剂的分凝来分离 高沸点和低沸点组分。因此,自复叠系统的设计需要根据 要求的冷凝温度和蒸发温度,选择适合的制冷剂组分。 ? 各组分之间需要有较好的互溶性、合适的标准沸点差值( 一般沸点间距在40~80℃)及尽可能好的溶油性。 ? 自复叠制冷系统高温部分使用的制冷剂主要包括R134a、 R22、R600a、R600、R502、R1270、R290等;低温部 分使用的制冷剂有R23、R14、R1150、R170、R744等 ? 存在的问题 ? 混合工质组分选取及配比 混合工质的成分须根据各级设计的蒸发温度来选定,组分含量由实际 运行工况决定,并进行精确控制。而具体工况对应的制冷剂比例的选 择和设计目前还没有较完善的结论。 ? 混合工质泄露 如果制冷装置中发生制冷剂工质泄露,剩余在系统内的混合物浓度就 会改变。所以需要向系统中补充制冷工质使其达到原来的数量和浓度 ,并需要计算确定各种制冷工质的充灌量。这一特点在一定程度上限 制了非共沸混合制冷剂的应用。 ? 压力控制 当制冷温度较低时,低沸点制冷剂组分所占比例较大的混合工质,会 导致开机阶段过高的排气压力、过高的排气温度或过高的压缩机输入 功率,严重影响最低制冷温度的实现和长期运行的可靠性。 ? 研究进展 ? 采用美国标准技术研究所开发的REFPROP程序计算混合工质的热 力性质,并确定混合工质的成分及配比; ? 设计合理的流程,可使热质交换更加充分、获得较好的分离效果 和较高的循环性能; ? 设置旁通管路,及时将不凝性气体排入膨胀容器; ? 采用变浓度精馏型自复叠制冷系统,变浓度模块可以使系统更自 由地调节参与循环的制冷剂流量和成分; ? …… 应用1:冷藏冷冻库 早期建设成的大型冷库,多是分期建成,库区、机房往往是自成一体; 冷库大都采用氨制冷压缩机。 按蒸发温度不同,冷库一般设计为3种制冷系统: ? -15℃系统用于高温,库温在0℃左右,一般采用单机压缩; ? -28℃蒸发系统多用于低温冷藏库,库温一般在-18℃~-23℃左右, 主要用于冷冻、冷藏货物的贮藏; ? -33℃制冷系统,一般用于速冻库( 间) ,库温一般为-23℃以下,主 要用于货物的速冻用 -28℃制冷系统多采用配组双级压缩,也有设计把它并入-33℃系统, 而速冻系统往往采用单机双级压缩,也可按压缩比不同,设置为1: 2或 1: 3两种配组方式 应用1:冷藏冷冻库 ? CO2/NH3制冷系统 在CO2/NH3复叠系统中,利用CO2作为低温级循环的相变工 质,压缩后的CO2气体被普通的NH3制冷系统在复叠热交换 器中冷却及冷凝。采用这样的制冷方式,可以把有毒的NH3 限制在特定的区域内,并且大大减少了其充注量。 ? 复叠式热交换器中间温度的选取: 存在一个最优蒸发 冷凝器的中间温度,使循环的性能系数达到最大 ? 使用膨胀机代替节流阀 回收膨胀功并增加部分制冷量,低温级增加回热器,使蒸发冷凝器 出口液体过冷,能够有效提升循环性能 ? CO2/NH3制冷系统 案例1:美国宾夕法尼亚州的USCS冷库 USCS冷库是目前世界上最大的CO2/NH3复叠系统之一,总容积达到 446873m?。由于采用了CO2/NH3的复叠,整个冷库的NH3充注量只有 不到4500kg。 ? CO2/NH3制冷系统 案例2:渔船上的CO2/NH3复叠制冷系统 在一条长度为75m的拖网渔船上,需要安装能够冷却210吨鱼/天的制冷 系统。该系统采用了带有热气除霜的CO2/NH3复叠系统进行制冷。 该系统采用了两套NH3螺杆机组,6套CO2活塞压缩机(其中3台用于 除霜)。-48℃蒸发温度下的总制冷量达1350kw,该系统采用了管壳式 复叠热交换器,并在CO2循环桶处采用了辅助冷凝机组用于停机时的系 统冷却,故这里大约1350kw的冷量对应6kw冷量的冷凝机组就可以很 好地满足系统的安全要求。 同时,NH3的充注量大幅度减少,只需600kg;由于采用了紧凑的热交 换器,CO2的用量也仅为5500kg。对于类似冷量及应用的R22系统而 言,R22的充注量大约需要13000kg。 应用2:船舶多温冷库 ? 船舶冷库一 般都做成双温或三温的形式.,又因为船舶冷库的库容较 小, 只用一台制冷装置就可以满足各冷库所需的制冷量, 所以目前使用 最多的就是一机多库冷藏系统。 ? 如果一机多库冷藏系统只提供一级蒸发温度,使高温库和低温库在相同 的蒸发压力和温度下换热, 高温库蒸发器由于较大的传热温差会导致 制冷系数降低, 货物干耗增加。 ? 使用自复叠制冷循环可以在相同蒸发压力下为多温冷库提供 2 级或 3 级蒸发温度,可以通过选择合适的工质对和组分使系统的压力比、性能 系数都能很好地达到要求, 是一种适用于船舶冷库的新制冷循环。 应用3:气体液化 ? 天然气液化 ? 中山大学提出一种混合制冷剂循环膨胀机内复叠天然气液化流程。特 点为预冷循环和混合制冷剂循环两级外复叠。该流程与常用的丙烷预 冷混合制冷剂液化流程相比,增加膨胀机制冷循环承担天然气深冷段 负荷,流程负荷配置更灵活。预冷段工质采用丙烷。 参考文献 [1] 曹兴中,王智明. 现代工业低温制冷技术概述[J].低温与特气 .2012,30(6):7-12 [2]张芳,刘发柱,刘岩.自动复叠蒸发冷凝器参数变化影响的研究[J].制冷与 空调,2011,11(1):56-58 [3]王雨,王林,汪庆军.非共沸混合工质自复叠制冷循环研究进展[J].制冷与 空调.2011,25(1):73-77 [4]芮胜军,张华,黄理浩.自动复叠制冷系统压力特性[J].化工学报 .2012,63(S2):176-180 [5]于志强, 刘昌丰.复叠制冷系统的控制方案及分析[J].制冷与空调 .2012,12(3):128-131 [6]陈国邦等著.新型低温技术M.上海交通大学出版社 [7]陈光明,陈国邦.制冷与低温原理M.机械工业出版社 [8]王维, 吴兆林, 周志钢, 等. 低温复叠系统制冷工质替代研究[J]. 流体机械 , 2009, 37(7): 52-55. 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