低溫制冷技術(shù)

目錄低溫制冷系統(tǒng)形式1低溫制冷劑2低溫制冷應(yīng)用3低溫定義制冷技術(shù)中低溫指的是蒸發(fā)器側(cè)的溫度范圍，在不同應(yīng)用中低溫所指的范圍有所區(qū)別：1）在空調(diào)中，蒸發(fā)器中水或酒精的溫度達(dá)到0℃，就被認(rèn)為是低溫;2）在工業(yè)制冷中，蒸發(fā)器中熱匯的溫度快速達(dá)到－45～－50℃，才被認(rèn)為是低溫;3）在低溫醫(yī)學(xué)和低溫生物學(xué)領(lǐng)域中，溫度范圍在－73～－123℃，才算是低溫;4）在低溫學(xué)領(lǐng)域，溫度接近－273℃才被指定為低溫。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展工業(yè)制冷的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，所涵蓋的低溫溫度范圍也不斷擴(kuò)大，現(xiàn)在－40～－100℃的溫度范圍都屬于工業(yè)制冷所指的低溫。多（兩）級壓縮制冷循環(huán)一、單級蒸氣壓縮局限性1.冷凝壓力?tk?環(huán)境溫度、冷卻介質(zhì)溫度蒸發(fā)壓力?t0?用戶要求（制冷系統(tǒng)的用途）2.用戶要求蒸發(fā)溫度↘→蒸發(fā)壓力↘→壓縮比（pk/p0）↗壓縮機(jī)輸氣系數(shù)下降；3.pk/p0增大導(dǎo)致→壓縮機(jī)排氣溫度升高，潤滑條件變壞；耗功增加，制冷量下降，制冷系數(shù)降低。二、單級蒸氣壓縮條件1.氨制冷系統(tǒng)：pk/p0≤8；最低蒸發(fā)溫度-25℃；2.氟利昂制冷系統(tǒng)：pk/p0≤10；蒸發(fā)溫度-37℃

表1單級活塞式壓縮機(jī)的最低蒸發(fā)溫度

采用多級蒸汽壓縮式制冷循環(huán)來獲取低溫，能夠避免或減少單級蒸汽壓縮制冷循環(huán)中由于壓力比過大所引起的一系列不利的因素，從而改善制冷壓縮機(jī)的工作條件，提高制冷效率，具體優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）可降低各級壓縮比，減小活塞式制冷壓縮機(jī)的余隙容積影響，減少制冷劑回氣與氣缸壁間的熱交換，減少制冷劑在壓縮過程中的竄氣泄漏，提高制冷壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)，從而增大制冷量。

（2）可降低各級的排氣溫度，減小壓縮過程中的不可逆損失，保證設(shè)備更加高效、安全運(yùn)行。

（3）可降低各級的壓力差，使運(yùn)行的平衡性能提高、機(jī)械摩擦和磨損減小。有利于簡化設(shè)計(jì)和降低成本。

（4）可減少節(jié)流損失，提高制冷效率。多級蒸汽壓縮式制冷循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)就循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性而言，兩次節(jié)流優(yōu)于一次節(jié)流；但一次節(jié)流更具實(shí)際意義，被廣泛使用：供液壓差大，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離供液或高層供液；只用一只節(jié)流閥，系統(tǒng)簡化；閥前后壓差大，節(jié)流前液體過冷度大，不易閃蒸。簡要介紹一次節(jié)流中間完全冷卻循環(huán)；一次節(jié)流中間不完全冷卻循環(huán)；一次節(jié)流中間完全冷卻兩級壓縮制冷系統(tǒng)系統(tǒng)基本組成壓焓圖適用于大型氨制冷系統(tǒng)。一次節(jié)流中間不完全冷卻兩級壓縮制冷系統(tǒng)基本組成示意圖壓焓圖適用于氟利昂制冷系統(tǒng)。復(fù)疊式制冷循環(huán)是用兩種或兩種以上不同的制冷劑，分別組成兩個(gè)或兩個(gè)以上相互獨(dú)立的單級或兩級壓縮制冷循環(huán)，并把它們合成一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行制冷循環(huán)。它可以獲-130℃至-80℃的低溫。常見形式：由兩個(gè)單級壓縮制冷循環(huán)組成的二元復(fù)疊式制冷循環(huán)由一個(gè)兩級壓縮制冷循環(huán)和一個(gè)單級壓縮制冷循環(huán)組成的二元復(fù)疊式制冷循環(huán)由三個(gè)單級壓縮制冷循環(huán)組成的三元復(fù)疊式制冷循環(huán)

復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)采用多級壓縮制冷循環(huán)可獲得-80℃以上的低溫，但是當(dāng)需要制取更低的溫度時(shí)，由于冷凝溫度與蒸發(fā)溫度相差過大，多級壓縮制冷循環(huán)也難以勝任。因此采用復(fù)疊式制冷壓縮。二元復(fù)疊式制冷循環(huán)示意圖二元復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)高溫部分：采用中溫中壓制冷劑（如氨、丙烷等），蒸發(fā)器為低溫部分冷凝器工作創(chuàng)造低溫冷凝的放熱環(huán)境。低溫部分：采用低溫高壓制冷劑（如R23、CO2等），蒸發(fā)器為用戶制冷。蒸發(fā)冷凝器：實(shí)現(xiàn)兩部分之間的熱量交換，本系統(tǒng)可制取-80~-60℃的低溫。在制取同樣冷量的要求下，復(fù)疊式制冷的低溫部分制冷壓縮機(jī)的理論輸氣量比兩級壓縮時(shí)低壓級制冷壓縮機(jī)的理論輸氣量可以小得多，使得整個(gè)機(jī)組的制冷壓縮機(jī)尺寸減小、重量減輕。每臺制冷壓縮機(jī)的工作壓力范圍比較適中，低溫部分制冷壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)及實(shí)際效率都有所提高，尤其是摩擦功率減少，因此循環(huán)的制冷系數(shù)提高。兩部分系統(tǒng)內(nèi)能保持正壓，空氣不易漏入，運(yùn)行的穩(wěn)定性好。復(fù)疊式制冷循環(huán)一般需要采用冷凝蒸發(fā)器、膨脹容器、氣液熱交換器等設(shè)備，并需采用多元制冷劑，系統(tǒng)比較復(fù)雜。復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)的特點(diǎn)單級分凝的工作原理單級壓縮單級分凝循環(huán)流程圖本圖為典型的單級分凝循環(huán)的流程。該循環(huán)通常使用二元混合工質(zhì)，但根據(jù)要制取的溫度，也可以使用多元混合工質(zhì)。改進(jìn)：如設(shè)置回?zé)崞?、逆流換熱器及分凝器等，使循環(huán)性能得到明顯提高。多級分凝的工作原理單級壓縮三級分凝循環(huán)原理圖當(dāng)混合工質(zhì)組分選擇合適時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)一種制冷劑的節(jié)流及蒸發(fā)，為下一種制冷劑的冷凝提供冷量，直至最低沸點(diǎn)的制冷劑冷凝成液體。多級分凝可提高混合工質(zhì)的分離效果，制取更低的溫度，減小蒸發(fā)器溫度滑移。可獲得90K以下的低溫，一般應(yīng)用于天然氣的液化流程或制取液氮溫區(qū)的溫度。自復(fù)疊系統(tǒng)特點(diǎn)：制冷循環(huán)系統(tǒng)采用單臺壓縮機(jī)，與多級壓縮和經(jīng)典復(fù)疊系統(tǒng)相比較，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，成本較低，而且低溫端沒有運(yùn)動(dòng)部件，性能可靠。應(yīng)用：由于自動(dòng)復(fù)疊系統(tǒng)具有較大的工作溫區(qū),因此,無論是在普冷領(lǐng)域還是在半導(dǎo)體工業(yè)、低溫醫(yī)學(xué)中血漿、疫苗保存及生物領(lǐng)域中遺傳酶、培養(yǎng)基、生物標(biāo)本保存、食品的冷凍儲存、氣體液化等深冷領(lǐng)域,都具有比較大的使用價(jià)值。

膨脹容器蒸發(fā)冷凝器蒸發(fā)冷凝器的作用是高溫制冷劑蒸發(fā)使低溫制冷劑冷凝,它既是高溫級的蒸發(fā)器,又是低溫級的冷凝器。按其結(jié)構(gòu)來分,蒸發(fā)冷凝器主要有3種形式:立式殼管式、立式盤管式和套管式。立式殼管式

結(jié)構(gòu)與一般殼管式冷凝器基本相同。在這種蒸發(fā)冷凝器中,高溫級的制冷劑液體在管內(nèi)吸熱蒸發(fā),低溫級的制冷劑蒸氣在管外放熱冷凝。該蒸發(fā)冷凝器的結(jié)構(gòu)簡單,但高溫級的制冷劑充注量大,且液體靜壓力對蒸發(fā)溫度的影響較大。2.立式盤管式

立式盤管式蒸發(fā)冷凝器在圓形的殼體中裝有一組套在一起的盤管。當(dāng)蒸發(fā)冷凝器工作時(shí),高溫級制冷劑液體從殼體一側(cè)上端的進(jìn)液管經(jīng)分液器分4路進(jìn)入盤管,吸熱蒸發(fā)后,蒸氣從該側(cè)下端的出氣管引出;低溫級制冷劑蒸氣從頂部進(jìn)氣管進(jìn)入,在盤管外冷凝后由底部出液管流出。3.套管式結(jié)構(gòu)與套管式冷凝器相似,它2根直徑不同的銅管套在一起后彎曲而成。

在這種蒸發(fā)器中,高溫級制冷劑在內(nèi)管中蒸發(fā)汽化,低溫級制冷劑在內(nèi)管與外管之間放熱冷凝。盡管這種蒸發(fā)冷凝器的結(jié)構(gòu)簡單,加工方便,但其金屬消耗量較大,因此只適用于小型低溫設(shè)備。復(fù)疊和自復(fù)疊系統(tǒng)的區(qū)別及聯(lián)系制冷劑壓縮機(jī)工作壓力低溫端工作溫區(qū)復(fù)疊系統(tǒng)兩種或兩種以上不同的制冷劑兩臺或以上制冷劑分別在各自的蒸發(fā)、冷凝壓力下工作有膨脹容器等-90~-60℃自復(fù)疊系統(tǒng)混合工質(zhì)一臺系統(tǒng)在相同的冷凝壓力和蒸發(fā)壓力下工作無運(yùn)動(dòng)部件-40~-150℃常用低溫制冷劑氨是應(yīng)用較廣的中溫制冷工質(zhì)。沸點(diǎn)為-33.3℃，凝固點(diǎn)為-77.9℃。氨具有較好的熱力性質(zhì)和熱物理性質(zhì)，在常溫和普通低溫范圍內(nèi)壓力比較適中。單位容積制冷量大，粘性小，流動(dòng)阻力小，傳熱性能好，但排氣溫度較高。但是氨對人體有較大毒性，具有一定的可燃性。氨含水分時(shí)會腐蝕鋅、銅、青銅和其他銅合金，只能使用磷青銅。氨可用于蒸發(fā)溫度-65℃以上的制冷機(jī)中，以前主要用于大、中型制冷機(jī)，現(xiàn)在小型也開始應(yīng)用。氨對R23和R508B,綜合比較其制冷量和能效比的性能可知,R508B的性能優(yōu)于R23,尤其重要的是,在相同工況下，R508B的排氣溫度較R23低得多，并且在壓縮機(jī)容許的安全運(yùn)行排氣溫度范圍內(nèi),這對保證潤滑油的潤滑性能和延長壓縮壽命方面非常有利。R508B(R23/R116)制冷量/%能效比/%排氣壓力/MPa吸氣壓力/MPa排氣溫度/℃R131001000.7170.08392R23104900.8480.090138R508B138981.0130.12485CO2CO2是一種天然制冷劑，它不破壞臭氧層，溫室效應(yīng)指數(shù)為1，對環(huán)境友好。其單位容積制冷量大，運(yùn)動(dòng)粘度低，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行維護(hù)簡單，具有良好的經(jīng)濟(jì)性能。它的化學(xué)性能穩(wěn)定，安全無毒不可燃，適用于各種潤滑油常用機(jī)械零部件材料。CO2制冷循環(huán)的壓縮比要比常規(guī)制冷劑的低，因而壓縮機(jī)的容積效率可以維持在較高的水平。由于其臨界溫度較低，在制冷工況時(shí)，宜采用跨臨界循環(huán)方式。但CO2作為制冷劑其主要缺點(diǎn)是運(yùn)行壓力較高和循環(huán)效率較低。目前CO2在汽車空調(diào)和復(fù)疊式循環(huán)應(yīng)用比較好。在汽車空調(diào)中它的跨臨界循環(huán)排氣溫度高、氣體冷卻器的換熱性能好，適應(yīng)于汽車空調(diào)惡劣的工作環(huán)境。在復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中用作低溫級制冷工質(zhì)。與NH3兩級壓縮系統(tǒng)相比，低溫級采用CO2，其壓縮機(jī)體積減小到原來的十分之一，CO2環(huán)路可達(dá)-45~-50℃的低溫。碳?xì)浠衔镏评鋭┨細(xì)浠衔锏膬?yōu)點(diǎn)是ODP為0，GWP很小，常用的有烷烴類和烯烴類制冷劑。其主要問題是易燃易爆性，使用時(shí)低壓側(cè)應(yīng)保持正壓或?qū)⑾到y(tǒng)嚴(yán)格密封。丙烯R1270的制冷溫度范圍與R22相當(dāng)，可用于兩級壓縮制冷裝置，也可以用作復(fù)疊式制冷裝置的高溫部分制冷劑。乙烷R170、乙烯R1150的制冷溫度范圍與R13相當(dāng)，只在復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的低溫部分使用。甲烷R50可以與乙烯、氨（或丙烷）組成三元復(fù)疊制冷系統(tǒng)，獲得-150℃左右的低溫，用于天然氣液化裝置。丙烷R290一般不用作純質(zhì)制冷劑，它常常用作混合制冷工質(zhì)一部分混合工質(zhì)R170、R116、R23組成的共沸和近共沸工質(zhì)55%CO2、45%R290組成的非共沸混合工質(zhì)CO2、R170混合物……自復(fù)疊系統(tǒng)制冷劑自復(fù)疊系統(tǒng)的工作原理是通過非共沸制冷劑的分凝來分離高沸點(diǎn)和低沸點(diǎn)組分。因此,自復(fù)疊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要根據(jù)要求的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度,選擇適合的制冷劑組分。各組分之間需要有較好的互溶性、合適的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)差值（一般沸點(diǎn)間距在40～80℃）及盡可能好的溶油性。自復(fù)疊制冷系統(tǒng)高溫部分使用的制冷劑主要包括R134a、R22、R600a、R600、R502、R1270、R290等；低溫部分使用的制冷劑有R23、R14、R1150、R170、R744等混合工質(zhì)組分選取及配比

混合工質(zhì)的成分須根據(jù)各級設(shè)計(jì)的蒸發(fā)溫度來選定,組分含量由實(shí)際運(yùn)行工況決定,并進(jìn)行精確控制。而具體工況對應(yīng)的制冷劑比例的選擇和設(shè)計(jì)目前還沒有較完善的結(jié)論?；旌瞎べ|(zhì)泄露

如果制冷裝置中發(fā)生制冷劑工質(zhì)泄露，剩余在系統(tǒng)內(nèi)的混合物濃度就會改變。所以需要向系統(tǒng)中補(bǔ)充制冷工質(zhì)使其達(dá)到原來的數(shù)量和濃度，并需要計(jì)算確定各種制冷工質(zhì)的充灌量。這一特點(diǎn)在一定程度上限制了非共沸混合制冷劑的應(yīng)用。壓力控制

當(dāng)制冷溫度較低時(shí)，低沸點(diǎn)制冷劑組分所占比例較大的混合工質(zhì)，會導(dǎo)致開機(jī)階段過高的排氣壓力、過高的排氣溫度或過高的壓縮機(jī)輸入功率，嚴(yán)重影響最低制冷溫度的實(shí)現(xiàn)和長期運(yùn)行的可靠性。存在的問題采用美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所開發(fā)的REFPROP程序計(jì)算混合工質(zhì)的熱力性質(zhì)，并確定混合工質(zhì)的成分及配比；設(shè)計(jì)合理的流程，可使熱質(zhì)交換更加充分、獲得較好的分離效果和較高的循環(huán)性能；設(shè)置旁通管路，及時(shí)將不凝性氣體排入膨脹容器；采用變濃度精餾型自復(fù)疊制冷系統(tǒng)，變濃度模塊可以使系統(tǒng)更自由地調(diào)節(jié)參與循環(huán)的制冷劑流量和成分；……研究進(jìn)展應(yīng)用1：冷藏冷凍庫早期建設(shè)成的大型冷庫，多是分期建成，庫區(qū)、機(jī)房往往是自成一體;冷庫大都采用氨制冷壓縮機(jī)。按蒸發(fā)溫度不同，冷庫一般設(shè)計(jì)為3種制冷系統(tǒng)：-15℃系統(tǒng)用于高溫，庫溫在0℃左右，一般采用單機(jī)壓縮;-28℃蒸發(fā)系統(tǒng)多用于低溫冷藏庫，庫溫一般在-18℃~-23℃左右，主要用于冷凍、冷藏貨物的貯藏;-33℃制冷系統(tǒng)，一般用于速凍庫(間)，庫溫一般為-23℃以下，主要用于貨物的速凍用-28℃制冷系統(tǒng)多采用配組雙級壓縮，也有設(shè)計(jì)把它并入-33℃系統(tǒng)，而速凍系統(tǒng)往往采用單機(jī)雙級壓縮，也可按壓縮比不同，設(shè)置為1:2或1:3兩種配組方式應(yīng)用1：冷藏冷凍庫在CO2/NH3復(fù)疊系統(tǒng)中，利用CO2作為低溫級循環(huán)的相變工質(zhì)，壓縮后的CO2氣體被普通的NH3制冷系統(tǒng)在復(fù)疊熱交換器中冷卻及冷凝。采用這樣的制冷方式，可以把有毒的NH3限制在特定的區(qū)域內(nèi)，并且大大減少了其充注量。復(fù)疊式熱交換器中間溫度的選取：

存在一個(gè)最優(yōu)蒸發(fā)冷凝器的中間溫度，使循環(huán)的性能系數(shù)達(dá)到最大使用膨脹機(jī)代替節(jié)流閥

回收膨脹功并增加部分制冷量，低溫級增加回?zé)崞?，使蒸發(fā)冷凝器出口液體過冷，能夠有效提升循環(huán)性能CO2/NH3制冷系統(tǒng)案例1：美國賓夕法尼亞州的USCS冷庫USCS冷庫是目前世界上最大的CO2/NH3復(fù)疊系統(tǒng)之一，總?cè)莘e達(dá)到446873m3。由于采用了CO2/NH3的復(fù)疊，整個(gè)冷庫的NH3充注量只有不到4500kg。CO2/NH3制冷系統(tǒng)案例2：漁船上的CO2/NH3復(fù)疊制冷系統(tǒng)在一條長度為75m的拖網(wǎng)漁船上，需要安裝能夠冷卻210噸魚/天的制冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了帶有熱氣除霜的CO2/NH3復(fù)疊系統(tǒng)進(jìn)行制冷。該系統(tǒng)采用了兩套NH3螺桿機(jī)組，6套CO2活塞壓縮機(jī)（其中3臺用于除霜）。-48℃蒸發(fā)溫度下的總制冷量達(dá)1350kw，該系統(tǒng)采用了管殼式復(fù)疊熱交換器，并在CO2循環(huán)桶處采用了輔助冷凝機(jī)組用于停機(jī)時(shí)的系統(tǒng)冷卻，故這里大約1350kw的冷量對應(yīng)6kw冷量的冷凝機(jī)組就可以很好地滿足系統(tǒng)的安全要求。同時(shí)，NH3的充注量大幅度減少，只需600kg；由于采用了緊湊的熱交換器，CO2的用量也僅為5500kg。對于類似冷量及應(yīng)用的R22系統(tǒng)而言，R22的充注量大約需要13000kg。CO2/NH3制冷系統(tǒng)應(yīng)用2：船舶多溫冷庫船舶冷庫一般都做成雙溫或三溫的形式.，又因?yàn)榇袄鋷斓膸烊葺^小,只用一臺制冷裝置就可以滿足各冷庫所需的制冷量,所以目前使用最多的就是一機(jī)多庫冷藏系統(tǒng)。如果一機(jī)多庫冷藏系統(tǒng)只提供一級蒸發(fā)溫度,使高溫庫和低溫庫在相同的蒸發(fā)壓力和溫度下?lián)Q熱,高溫庫蒸發(fā)器由于較大的傳熱溫差會導(dǎo)致制冷系數(shù)降低,貨物干耗增加。使用自復(fù)疊制冷循環(huán)可以在相同蒸發(fā)壓力下為多溫冷庫提供2級或3級蒸發(fā)溫度,可以通過選擇合適的工質(zhì)對和組分使系統(tǒng)的壓力比、性能系數(shù)都能很好地達(dá)到要求,是一種適用于船舶冷庫的新制冷循環(huán)。應(yīng)用3：氣體液化天然氣液化中山大學(xué)提出一種混合制冷劑循環(huán)膨脹機(jī)內(nèi)復(fù)疊天然氣液化流程。特點(diǎn)為預(yù)冷循環(huán)和混合制冷劑循環(huán)兩級外復(fù)疊。該流程與常用的丙烷預(yù)冷混合制冷劑液化流程相比，增加膨脹機(jī)制冷循環(huán)承擔(dān)天然氣深冷段負(fù)荷，流程負(fù)荷配置更靈活。預(yù)冷段工質(zhì)采用丙烷。參考文獻(xiàn)[1]曹興中,王智明.現(xiàn)代工業(yè)低溫制冷技術(shù)概述[J].低溫與特氣.2012,30(6):7-12[2]張芳,劉發(fā)柱,劉巖.自動(dòng)復(fù)疊蒸發(fā)冷凝器參數(shù)變化影響的研究[J].制冷與空調(diào)，2011，11(1):56-58[3]王雨,王林,汪慶軍.非共沸混合工質(zhì)自復(fù)疊制冷循環(huán)研究進(jìn)展[J].制冷與空調(diào).2011,25(1):73-77[4]芮勝軍,張華,黃理浩.自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)壓力特性[J].化工學(xué)報(bào).2012,63(S2):176-180[5]于志強(qiáng),劉昌豐.復(fù)疊制冷系統(tǒng)的控制方案及分析[J].制冷與空調(diào).2012,12(3):128-131[6]陳國邦等著.新型低溫技術(shù)M.上海交通大學(xué)出版社[7]陳光明,陳國邦.制冷與低溫原理M.機(jī)