低温制冷技术概述.ppt

,低 温 制 冷 技 术,目录,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4550，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73123，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40100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/p08；最低蒸发温度-25； 2.氟利昂制冷系统：pk/p010；蒸发温度-37,表1 单级活塞式压缩机的最低蒸发温度,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。,多级蒸汽压缩式制冷循环的优点,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,系统基本组成,压焓图,适用于大型氨制冷系统。,一次节流中间不完全冷却两级压缩制冷系统,基本组成示意图,压焓图,适用于氟利昂制冷系统。,中间冷却器,中间冷却器示意图,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。,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： 由两个单级压缩制冷循环组成的二元复叠式制冷循环 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 由三个单级压缩制冷循环组成的三元复叠式制冷循环,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。,二元复叠式制冷循环示意图,二元复叠式压缩制冷系统,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。,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。,复叠式压缩制冷系统的特点,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。,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,低温系统特有设备,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。 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：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。,回热器,复叠和自复叠系统的区别及联系,常用低温制冷剂,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。,氨,复叠系统低温级制冷剂,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。,R23,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。,R508B(R23/R116),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4080）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,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。,存在的问题,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； ,研究进展,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,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。,CO2/NH3制冷系统,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,