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复叠制冷系统:理论分析篇李军(武汉新世界制冷工业有限公司)摘要从什么是复叠制冷系统着手,分析复叠制冷系统的流程、仿真计算方法、容积比对COP值的影响,并比较双级压缩系统与复叠制冷系统的优劣。最后,提出几种提高复叠制冷系统COP值的方法。关键词复叠制冷;螺杆压缩机;双级压缩;CoolScrewTheoreticalanalysisofcascaderefrigerationsystemLiJun(Wuhan2NewWorldRefrigerationIndustrialCo.,Ltd.)ABSTRACTAnalyzestheprocess,simulationmethodandtheinfluenceofvolumeratioonCOPforthecascaderefrigerationsystem,makescomparisonofadvantagesanddisad2vantagesbetweentwostagecompressionsystemandcascaderefrigerationsystem.PointsoutseveralmethodsforimprovingtheCOPofcascaderefrigerationsystem.KEYWORDScascaderefrigeration;screwcompressor;twostagecompression;CoolScrew随着国民经济的高速发展,-50℃以下的低温需求越来越多,从水产加工的金枪鱼冷冻,到制药行业层出不穷的低温冷冻,到多晶硅的改良西门子法制取,到化工行业的应用,其需求量逐年增加。在这个温度范围内,双级压缩系统已很难满足应用需要,这就要用到复叠制冷系统。1什么是复叠制冷系统?常见的复叠制冷系统通常由2个单独的部分组成,分别称为高温部分和低温部分,可以是单级压缩也可以是双级压缩。高温部分使用中温制冷剂,如R22,R717,R134a,R404A和R290等,低温部分使用低温制冷剂,如R23和R744等,各自组成一个使用单一制冷剂的制冷系统。高温部分和低温部分靠冷凝蒸发器连接在一起,其中,高温部分的制冷剂在冷凝蒸发器中蒸发,用来使低温部分的制冷剂冷凝。2为什么需要复叠制冷系统?由制冷剂的性质所决定:1)在-50℃以下,中温制冷剂的比容较大,单位容积制冷量较小,需要的机器尺寸较大。表1显示了在冷凝压力1.5MPa下不同制冷剂在低温下的单位容积制冷量。可见,低温制冷剂R23在-50℃以下工况的单位容积制冷量是中温制冷剂R22的8倍以上。换句话说,在-50℃以下制取同样的制冷量,采用低温制冷剂,其压缩机容量只是采用中温制冷剂的1/8。表1冷凝压力1.5MPa下制冷剂的单位容积制冷量kJ/m3蒸发温度/℃R22R717R134aR23-50-60417243385211—14677—338621951363-70—2)在-50℃以下,中温制冷剂的吸气压降对饱和温度及制冷量的影响较大。如表2所示,假设R22蒸发器中的蒸发温度为5℃,0.007MPa的吸气压力降对压缩机吸入的饱和温度的影响仅为0.39℃,当蒸发温度降低到-50℃时,同样的吸气压力降将影响吸气饱和温度2.22℃,对制冷量的减少更高达15.81%。蒸发温度对R717的影响更大。可见,低温下如何降低吸气阻力损失已是中温制冷剂系统所必须要考虑的首要问题。而-50℃下同样吸气压力降对R23吸气饱和温度收稿日期:2010205206通信作者:李军,Email:lionjun@21第5期李军:复叠制冷系统:理论分析篇·17·的影响仅为0.64℃,对制冷量的影响要比R22和R717小1个数量级。CoolScrew是基于Windows95/Excel2000以上平台的一套应用软件,共包括32个主要模块,用户通过少量键盘及鼠标输入即可轻易完成从各种工质物性参数计算到螺杆式制冷压缩机组、各类液体冷却机组、双级压缩系统、复叠制冷系统的计算,十几种换热器的计算等全套工作,真正的所见即所得,可用于螺杆机组及制冷系统的最优化设计、选型、定量及定性分析、模拟、优化以及理论分析计算等各个领域。CoolScrew最大的特点就是量化计算,数百种计算功能,几乎囊括了所有能够涉及到的螺杆压缩机、换热器、制冷系统的计算。衡量复叠制冷系统的几个主要指标如下:①中间温度:高温级的蒸发温度。②制冷量:低温级的制冷量就是复叠制冷系统的制冷量。③冷凝负荷:高温级的冷凝负荷就是复叠制冷系统的冷凝负荷。④COP值:参照开启式螺杆压缩机COP值的计算方法,复叠制冷系统的COP值等于制冷量除以高温级主电机(及油泵电机)轴功率与低温级主电机(及油泵电机)轴功率之和。这里没有考虑输入功率是为了在理论分析COP值时避免考虑电机的大小和效率,简化处理。5不同工况下的