高效两级复叠深冷机组的优化设计

高效两级复叠深冷机组的优化设计

陈传宝孙思蔡碧昊

(南京五洲制冷集团有限公司江苏南京211100)

摘要：以某项目为依附，设计制造了一台带有预冷和温度调节的高效两级复叠深冷机组，该机组包含两个独立而又相互制约的制冷循环系统，分别为高温级制冷循环系统和低温级制冷循环系统，其中高温级循环采用R22作为制冷剂，低温级采用R23作为制冷剂，载冷剂为无水乙醇，出水温度为-80℃。整个系统增加了经济器、预冷器、回热器、吸气温度调节阀等装置，并配有完善的控制系统，有效的提高了机组运行的稳定性，并且能效比有大幅度的提高，从而达到了为用户节能降耗、为国家节约能源的目标。

关键词：两级复叠，预冷器，回热器，R22/R23

Abstract:Anoveltwo-stagecascadecryogenicunitconsistingofapre-coolingpartandtemperaturecontrolsystemwasdesignedandmanufacturedbasedonacertainprojectprograminthiswork.Apairofrefrigerationcyclesystems,whicharecorrelatedwitheachother,areusedashightemperatureandlowtemperaturerefrigerationcycle,respectively.TherefrigerantR22andR23wasrespectiveaddedintheformerandthelatterascryogenicworkingfluid.Thealcoholwasusedasthesecondaryrefrigerantkeepingalowexittemperatureat-80℃inthecryogenicunit.Inaddition,theregenerator,pre-cooler,economizer,andtheflowcontrolvalvewithdifferentbreathmodeareincludedintheunittoensureareliableandstabilizedworking,inturnenhancingtheCOPofunit.Itisattractiveinviewofenergysavingandconsumptionreducing.

Keywords:two-stagecascade;precooler;heaterregenerator;R22/R23

1引言

随着科技的进步，经济的发展，-60℃～-80℃低温环境的应用越来越广泛，此温区的低温制冷设备在能源，化工，医疗，低温电子，低温生物保存以及军工等研究领域的需求量也不断增大。目前，获得-60℃～-80℃温区的最常用制冷方法就是复叠制冷(包括了自然复叠制冷及两级复叠制冷)。

自然复叠制冷发展相对较早，技术也比较成熟，与两级复叠制冷循环比较，自然复叠制冷循环具有单台压缩机驱动，系统结构简单，热效率较高等许多优点，但仍然存在着工质组分分配比及充注量最优值确定难，工质泄露后不能直接补充制冷剂等问题[1]；两级复叠制冷循环采用两种不同温区的制冷工质复叠运行，能很好地克服单级蒸汽压缩制冷循环压比过大的缺陷及单一制冷剂两级蒸汽压缩制冷循环低温级压缩机吸气温度低，输气系数低等缺点[2-3].考虑到用户所需制冷量及载冷剂温度-80℃，本次设计采用两级复叠制冷循环，与常规两级复叠制冷循环不同的是，本次设计增加了经济器、回热器、预冷器以及吸气温度调节阀等装置，对系统进行全面优化，并且采用AB聚氨酯发泡对低温级的蒸发器及回热器进行保温处理，尽可能地减少冷损，在确保机组稳定运行的同时，极大地提高了制冷循环效率，有效地降低能耗，为用户节省运行成本。

2系统循环

该高效两级复叠制冷循环系统流程图如图1所示。

整个系统由高温级回路、低温级回路以及冷却水管路组成，如图1所示，高温级回路主要包含高温级压缩机C1、油分离器S1、冷凝器E1、过滤器F1、经济器G1、膨胀阀EV1、冷凝蒸发器E2、油冷却器G2以及截止阀、喷液膨胀阀等管路附件；低温级回路主要包含低温级压缩机C2、低温级油分离器S2、预冷器E3、冷凝蒸发器E2、过滤器F2、回热器G3、低温级蒸发器E4、吸气温度调节阀、膨胀罐Q1、低温级油冷却器G4以及截止阀、电磁阀等管路附件。高温级回路采用R22作为制冷剂，低温级回路采用R23作为制冷剂，两个回路通过冷凝蒸发器联系起来，它即是高温级系统的蒸发器，又是低温级系统的冷凝器。

3系统参数计算

3.1中间温度

两级复叠制冷循环计算中，中间温度的确认被认为是比较重要的一个环节，中间温度的确定应根据制冷系数最大或各个压缩机压力比大致相等的原则。前者对能量利用最经济,后者对压缩机气缸工作容积的利用率较高(即输气系数较大)。由于中间温度在一定范围内变动时对制冷系数影响并不大,故按各级压力比大致相等的原则来确定中间温度。

根据迈勒普拉萨特公式,低温复叠机组的中间温度：

Tm=（TcTe）0.5-0.5△T+0.125△T2/（TcTe）0.5

Tm——中间温度，K；

Tc——冷凝温度，K；

Te——蒸发温度，K；

△T——两级复叠温差，K.

根据该机组设计工况，确定冷凝温度为40℃，蒸发温度为-85℃，两级复叠温差取5℃，则可计算出系统中间温度为-33.6℃，此温度为高温级蒸发温度，那么低温级冷凝温度则为-28.6℃。

3.2低温级状态参数

根据上述计算得出的高低温级蒸发温度及冷凝温度，可分别对高低温级回路进行计算，并进行设备选型。高温级回路为以R22为制冷剂的常规中低温制冷循环，较为简单，故此处主要介绍低温级回路系统计算。低温级制冷回路的压焓图如图2所示。

本设计取设计温度38℃、压力1.5MPa（对应饱和温度-17.82℃），则υP=0.02214m3/kg，υd=0.4324m3/kg，取Gd=16kg(估算制冷剂充注量)，Vd=0.08m3，则可计算出Vp=0.289m3，放15%余量，最后取膨胀罐容积为0.335m3。

4主要设备选型

(1)压缩机

高温级和低温级均选用国际著名品牌——台湾汉钟的新一代中低温专用半封闭螺杆压缩机，其螺杆转子用的是具有世界先进水平的第三代五对六非对称专利齿形。具有运转平稳、效率高、振动小、噪音低等显著优点，是目前世界上最先进的机种之一。根据系统计算得到的参数，选定低温级压缩机及与高温级压缩机的型号。

(2)水冷冷凝器

采用壳管式水冷冷凝器，壳程走制冷剂，管程走冷却水。两个流程设计，冷凝管选用带内外螺纹的高效换热管，该换热管既可提高管内外的换热效率，又可增加扰动使层流变成紊流而延缓结垢。

(3)换热器

该制冷循环系统中所用到的换热器包括冷凝蒸发器、低温级蒸发器、经济器、回热器以及油冷却器均为不锈钢钎焊板式换热器。该类换热器具有换热系数高，污垢系数低，体积小，承压能力强等特点。

(4)预冷器

在低温级油分离器的输出端和冷凝蒸发器的输入端之间设置预冷器是对两级复叠制冷的一大优化。预冷器的设置可以减少冷凝蒸发器的热负荷，间接减少了所需高温级的制冷量，提高复叠制冷系统能效比。预冷器可为壳管式、翅片式换热器或板式换热器，冷却方式为采用冷却水冷却、空气冷却或制冷剂冷却。本次设计选用水冷壳管式预冷器，设计同(2)水冷冷凝器，且与水冷冷凝器设计为一体，氟路系统分开，水路系统共用。

5系统优化

为进一步提高两级复叠制冷循环效率，本设计对系统作了如下优化：

(1)设置经济器

在高温级回路中设置经济器可有效增加制冷能力达15%～25%，并变单级压缩为准二级压缩，可提高高温级压缩机自身效率及系统能效比。

(2)设置预冷器

要提高制冷系统能效比，最主要的就是减小蒸发器的传热温差，减小不可逆损失，对COP值得提升最为明显，而减小冷凝蒸发器的传热温差，同样可以提升系统的COP值[4]。

在低温级回路中设置预冷器，连接于低温级压缩机排气端与冷凝蒸发器之间，将由低温级压缩机排气口排出的高温高压制冷剂气体的大部分显热吸收，从而当制冷剂气体继续进入冷凝蒸发器后，减小了传热温差，并且充分利用了其换热面积，提高了换热效率。

此外，低温级系统所采用的制冷剂，在常温下已经超过其临界温度(R23，临界温度25.9℃)，全部以气态形式存在并且平衡压力较高，虽在低温级回路中设置了膨胀罐，但其仅仅在于降低机组停机后的平衡压力，对机组启动后对冷凝压力的迅速上升收效甚微。所以，这样的复叠式制冷机组在开机后，往往都是低温级短时间内因冷凝压力过高而出现压力保护，导致启动失败或持久不能启动，这对适时供冷的使用要求带来不利影响。而在低温级回路中加入预冷器，可在启动低温级后，快速辅助高温级对低温级制冷剂的冷却，抑制低温级冷凝压力的短时间的上窜，从而提高复叠式制冷机组启动的可靠性。

(3)设置回热器及吸气温度调节阀

在冷凝蒸发器和低温级蒸发器之间设置回热器，回热器的采用可以进一步降低低温级膨胀阀前的制冷剂温度，提高制冷量，并且可以提高低温级压缩机的吸气温度，避免带液现象发生。并且，当冷量需求较少时，在高温级循环辅助启动后，低温级循环可以通过自身回热而实现独立运行[5]。

设置吸气温度调节阀，使其一端与低温级蒸发器连接，另一端与回热器和低温级压缩机吸气端连接。同时配合预冷器，根据工况的变化调节分别从低温级蒸发器和回热器进入压缩机吸气端的制冷剂气体流量的比例，从而维持低温级压缩机的吸气温度在-60℃到-30℃的合理范围内，进一步保证了低温级压缩机合理的排气温度，同时保证了中间温度的稳定性，使机组在相对平衡的条件下长期稳定运行。

6结论

本文主要介绍了-80℃两级复叠低温深冷机组的系统设计与优化。整个机组为框架式的整体结构，在各个部件优化的基础上，配以完善的电气控制方案，保证了整个机组安全、稳定、高效运行。该类机组可提供-45℃～-85℃之间（相当于蒸发温度为-50℃～-90℃之间）的低温载冷剂，在低温冷冻，生物医疗，航空航天，实验室研究等领域具有巨大的市场需求。

参考文献

1.TuraA,RoweA.Designandtestingofapermanentmagnetmagneticrefrigerator[C].ProceedingsoftheSecondInternationalConferenceonMagneticRefrigerationatRoomTemperature.2007,363-370.

2.GHYao,MQGong,JFWu.Experimentalstudyontheperformanceofaroomtemperaturemagneticrefrigeratorusingpermanentmagnets[J].InternationalJournalofRefrigeration,2006,26(8);1267-1273.

3.ShaoweiZhu,YoichiMatsubara.Anumericalmethodofregenerator[J].Cryogenics,2004,44:131-140.

4.李军。复叠制冷系统：理论分析篇。制冷与空调，2010。

5.习兰,刘秀芳,侯予。-30℃/-60℃复叠低温预冷设备的设计及实验。低温工程，2009年第2期。