手把手教你设计高低温箱2：制冷热力计算全过程

摘要：R404A和R23为制冷剂的复叠制冷机组，不但满足了制取-80℃的低温要求，还具有环保的优点。通常我们的高低温箱采用的是复叠式制冷系统，那么我们下面对复叠机组设计中涉及到的几个关键问题及其解决方法进行分析和阐述：

一、组成：

复叠式制冷机组通常由两个部分(也可由三个部分) 组成 ,分别称为高温部分及低温部分。高温部分使用中温制冷剂 ,低温部分使用低温制冷剂 ,而每一部分都是一个完整的单级或双级压缩制冷系统。高温部分系统中制冷剂的蒸发是用来使低温部分系统中制冷剂冷凝 ,而只有低温部分系统的制冷剂在蒸发时才制取冷量。高温部分和低温部分用一个冷凝蒸发器联系起来 ,它既是高温部分的蒸发器 ,又是低温部分的冷凝器。

低温部分 :A. 压缩机 ;D. 冷凝器 ; G. 节流阀 ; E. 蒸发器

高温部分 :B. 压缩机 ;C. 冷凝器 ;D. 蒸发器 ; F. 节流阀

二、机组主要性能指标

R404A 高温部分：蒸发温度 te = - 38 ℃，蒸发压力 Pe = 1. 454 bar ,采用回热器 ,吸气过热度为15 ℃;冷凝温度 tc = 40 ℃,冷凝压力 Pc = 18. 157 bar ,过冷度 5 ℃;压缩机消耗功率 Ng = 11. 47 kW。

R23 低温部分 :蒸发温度 te = - 85 ℃,蒸发压力Pe = 0. 851 bar ,吸气过热度为 30 ℃;压缩机排气被水冷换热器冷却降温至 40 ℃, 中间温度 tm = - 33 ℃,对应压力 Pm = 9. 138 bar ;制冷量 Q0 = 10 kW ; 冷凝蒸发器热负荷 Qc = 13 kW ;电机消耗功率 N d = 6. 27 kW 。

总功率 (kW) : N = N d + N g = 17. 74KW

性能系数 : CO P = Q0/ N = 0. 56。

2.1 相关热力计算

复叠式制冷循环的热力计算可分别对高温部分及低温部分单独进行计算。计算中令高温部分的制冷量等于低温部分的冷凝热负荷加上冷损。计算方法与单级或两级压缩制冷循环的热力计算相同。

2.2中间温度的确定：

复叠式制冷循环中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 来确定中间温度似乎更为合理。

我们以可以根据迈勒普拉萨特公式 ,理论计算下低温复叠机组的中间温度 (低温段冷凝温度) ：

式中：

Tm 为中间温度 ( K) ;

Δ T 为冷凝蒸发器传热温差 ( K) ; 

Tc 为冷凝温度 ( K) ; 

Te 为蒸发温度( K) 。

这里 , 取Δ T = 5 K , Tc = 273. 15 + 40 = 313. 15 K , Te = - 85 + 273. 15 = 188. 15 K。于是 ,计算 Tm = 240. 25 K = - 32. 9 ℃。这里 ,取 Tm =

- 33 ℃。

2.3传热温差的确定

冷凝蒸发器传热温差的大小不仅影响到传热面积和冷量损耗，而且也影响到整个制冷机的容量和经济性，一般Δt = 5～10 ℃，温差选得大 ，冷凝蒸发器的面积可小些，但却使压力比增加 ，循环经济性降低。

制冷剂的温度越低 ,传热温差引起的不可逆损失越大 ,故蒸发器的传热温差因蒸发温度很低而应取较小值 ,最好不大于 5 ℃。

2. 4　油分离器

低温段 ,在低温区域 ,润滑油易从制冷剂中分离并凝结 ,会堵塞膨胀阀、板式换热器 ,也会影响蒸发器的换热 ,所以应尽可能使油气彻底分离 ,在低温段采用了二级高效油分离器。

2.5 回热器

对于采用活塞压缩机的系统最好配备气液分离器 ,以免负荷变化和启动时出现带液现象。本系统有回热器 ,故可省去气液分离器。

三、复叠机组的能量调节问题

制冷机在运行时 ,受使用条件的变化以及工况变化影响 ,需要的输气量随之变化。通常 ,采用输气量调节的方法进行能量卸载。主要原理是将吸排气腔连通 ,压缩机排气直接返回吸气腔 ,此时 ,吸气压力与排气压力几乎相同 ,压缩机只需克服吸排气阀弹簧预紧力 ,就可将吸气变为排气。主要有内部旁通和外部旁通两种方式。

本设计采用外部旁通阀调节能量 ,旁通能量调节阀实质上是一种阀后恒压阀。当制冷装置热负荷减小 ,压缩机吸气压力下降至预先调定值时 ,旁通调节阀开启 ,吸气压力越低 ,阀的开度越大 ,制冷剂从排气侧旁通量也越多 ,使吸气压力下降速度减慢

系统中高温段采用热气旁通到膨胀阀与蒸发器之间的调节阀 ,旁通的热气通过一个气液混合器混合后进入蒸发器 ,相当于热气为蒸发器提供了一个“虚负荷”,达到减载的目的 ,同时尽管实际负荷较低 ,热力膨胀阀仍能控制向蒸发器的供液量充足 ,以保证蒸发器中有足够的制冷剂流速 ,不会出现回油困难。

低温段由于调节阀体材料使用温度的限制 ,采用了热气旁通到吸气管的能量调节阀来改变压缩机的有效排气量的方法 ,采用这种能量调节阀 ,会导致吸气过热 ,需要对压缩机采用喷液冷却系统。

四、膨胀容器

复叠机组停止运转时 ,由于系统内的温度升高到了环境温度 ,低温制冷剂全部气化成过热蒸汽 ,并且将高于规定的最大工作压力 ,这种情况是不允许的。因此要在系统中接入一个膨胀容器 ,以便在停机后大部分的制冷剂蒸汽进入膨胀容器中 ,膨胀容器可以接到吸气管上 ,也可以接到排气管上 ,接到吸气管上时 ,膨胀容器所需要的容积较小 ,因而比较合理

式中 : 

V d 为不计膨胀容器容积时 ,低温部分的制冷系统总容积 (m3) ; 

vp 为设计温度、设计压力下低温系统制冷剂过热气体比容 (m3/ kg) ; 

vd 为设计温度、吸气压力下低温系统制冷剂过热气体比容(m3/ kg) ; 

Gd 为不计膨胀容器容积时 ,低温系统制冷剂充注量 (kg) 。

本设计取设计温度 38 ℃,设计压力 1. 5 MPa。

五、总结：

在当前和今后的制冷系统设计中 ,要尽可能考虑到环保问题 ,尽量选用环保的制冷剂 ,即使牺牲部分性能也是值得的。复叠机组因其蒸发温度很低 ,设计中要全面考虑到回油问题、冷量调节问题、膨胀容器的设计、制造材料的选用等一系列问题。笔者就 R404A/ R23 复叠机组设计中的一些问题的处理做了粗浅的分析和说明 ,不当之处请各位专家指正。

六、实际案例：

我们上一次课程，得到的负荷求和，我们再乘以一个余量1.2；得到最后的结果如下：

我们用以上的结果，来设计一套-70℃的高低温箱的制冷系统：

选择低温级的设计参数：

excel进行自动的热力计算，结果如下：

选择 高温级的设计参数：

Excel自动计算出结果：

以上为本套高低温箱热力计算的数据。

7、仿真计算小软件：

为了方便各位小伙伴的学习和工作，我们特地结合高低温的使用，编写了一套复叠式制冷系统的小软件，方便各位从业者的使用和交流，效果如下：