复叠制冷系统技术进展

复叠制冷系统技术进展

李腾昌     

海信容声（广东）冰箱有限公司

摘要：制冷技术在人类生产生活中发挥着重要的作用。在低温制冷领域，多级压缩式制冷循环由于温度过低无法保证生产的顺利进行，此时需要采用复叠制冷，其是利用高温级的冷量承担低温级的冷凝负荷从而获取较低温度的低温制冷技术，且因复叠制冷可灵活选用制冷剂、压缩机体积较小等特点广泛应用于食品冷冻冷藏等领域。

关键词：复叠制冷系统；制冷剂工质对；系统优化；复合制冷

Technical progress of overlapping refrigeration system

Abstract: Refrigeration technology plays an important role in human production and life. In the field of low temperature refrigeration, the multi-stage compression refrigeration cycle cannot guarantee the smooth progress of production because the temperature is too low. In this case, it is necessary to adopt multiple refrigeration, which uses the cooling capacity of high temperature level to bear the condensing load of low temperature level so as to obtain the low temperature refrigeration technology. In addition, it is widely used in food refrigeration because of its flexible selection of refrigerants and small compressor volume.

Key words: overlapping refrigeration system; Refrigerant working medium pair; System optimization; Composite refrigeration

引言

制冷机，或者说制冷系统，最重要的目的就是产生制冷作用，达到制冷效果。现如今各行业各领域对制冷温度的要求不同，与此同时涉及的制冷循环方式也就相应不同。单级压缩制冷可达到温度在-35℃至-40℃，双级压缩制冷可达到温度-40℃至-80℃。如果还需要进一步达到更低温，对制冷循环方式就需要更深的强化，改进和组配。科研和生产对低温的要求越来越高，如需要-70℃至-120℃的低温箱、低温冷库等，要想得到最低点的蒸发温度，目前一般采用中温制冷剂的双级压缩制冷装置，但这套系统的蒸发压力过低，给系统设计带来了一系列的限制问题。如果需要低于-70℃的蒸发温度，势必要使用低温制冷剂。低温制冷剂在常压下的蒸发温度较低，从而使低温下的蒸发压力得到提高。但低温制冷剂要求较低的冷凝温度，用一般的空气冷却或水冷是无法将低温制冷剂凝结成液体的，必须用另一种制冷剂来冷凝低温制冷剂，双制冷剂的制冷系统应运而生。

1复叠系统制冷剂选择依据

在复叠式制冷系统中，制冷剂的选择依据主要遵循以下几点：（1）高温级使用中温制冷工质，低温级使用低温制冷工质。无论是中温制冷工质还是低温制冷工质，都要重点关注其环保、安全以及节能特性；（2）制冷工质应与制冷系统设备、阀件和管路的材质相兼容；（3）制冷工质应具有化学稳定性，也要考虑其与润滑油的互溶性。

2复叠制冷系统技术进展

2.1冷凝蒸发器

复叠式制冷系统通过冷凝蒸发器将较大范围的总温差分割，冷凝蒸发器作为高温段的蒸发器和低温段的冷凝器，是复叠制冷系统的重要部件之一。盘管式、壳管式和套管式换热器均在19世纪初开始应用，在20世纪初发展尤为迅速。盘管式换热器占地面积小，换热效率高，但其结构复杂，检修、清理较困难。壳管式换热器结构简单，但其制冷剂充装量大。套管式换热器不仅结构简单且可自如增减传热面积，传热效率高，但检修、清洗和拆卸较为困难，焊接处容易出问题，其可在管内使用有毒制冷剂，以降低泄漏的风险。19世纪末板式冷凝蒸发器被关注，20世纪30年代受到广泛应用，具有传热系数高，适应性大，结构紧凑，易于拆洗、修理等优点，文献［23］研究分析不同制冷剂、容量调节比、换热温差和制冷量对系统性能的影响。近30年来，国内外越来越多大中型企业CO2系统采用全焊接板壳式换热器作为冷凝蒸发器，其属于全焊接结构，整体没有密封垫片，减少外漏风险，故可节省空间，降低充注量，提高机组安全性能。在冷凝蒸发器发展过程中，研究方向和发展趋势均指向为系统节能，而节能的关键在于复叠传热温差的减小。例如，冷凝蒸发器的温差每降低0.5 K，整套制冷装置的能耗下降约2.46%。在改变冷凝蒸发器的基础上，冷凝温度和蒸发温度也会对系统性能造成一定的影响。除冷凝蒸发器本身结构的选取和优化，系统中制冷剂的状态也是影响冷凝蒸发器的运行的重要因素。当冷凝蒸发器内同时存在过冷和过热循环时，系统的性能得到了提升，且过冷度和过热度越大，提升的性能就越大。

2.2自行复叠式制冷的工作原理

以压缩机为起点，压缩机排出的R23和R22混合制冷剂气体进入“分凝器”，分凝器用常温冷却水（或空气）冷却。常温冷却下，不足以使混合气中的R23组分凝结，R23离开分凝器时仍然保持气态，之后进入冷凝蒸发器，在温度相当低的冷凝蒸发器中，R23凝结成了液态，再经过节流阀进入蒸发器产生制冷作用。另一方面，混合气体中冷凝温度较高的R22进入分凝器后，在常温冷却作用下凝结为液态，再经节流阀进入冷凝蒸发器，液态R22在冷凝蒸发器中蒸发，产生较低的温度，使进入的R23组分凝结成液态。来自蒸发器的R23蒸气与冷凝蒸发器中产生的R22蒸气汇合后，返回压缩机，一次循环结束。

2.3低温级常用制冷剂

可制取-80℃的复叠制冷系统低温级的传统制冷剂有R23和R501、R502、R503系列，其中以R23和R502使用最广泛。目前，应用于双级或者复叠制冷系统中的低温环保制冷工质主要是R116、R134a、R23、R404A、R507和R508B。R23在实际制冷系统应用时，最大的缺点是损坏压缩机运动部件，且有分解润滑油，导致电机短路等危险，由于其GWP高达12000，因此只能作为过渡性制冷剂。R116的GWP值高达11900，也不能长期使用。单依靠纯质制冷剂替代物，并不能实现R13的完全替代。为了研制环保绿色不破坏环境，同时具有优良的热物性、循环性能的制冷剂，可将某些环保、热力性能优的纯质制冷剂组成混合物，减弱甚至抵消单一纯质的某种缺点。杜邦公司推出的由R116与R23按一定比例组成的混合物而形成的R508A和R508B两种。有研究指出，同等工况下，使用工质R508B在制冷量和COP两个重要指标上比R503分别有2.2%和3.2%的提升。R508系列工质ODP为零，但GWP高达12000，且在低温下与润滑油不互溶，导致堵塞节流阀而降低系统运行的可靠性。

2.4复叠/载冷复合制冷

目前，单一功能的冷库系统不能完全满足用户和企业的制冷需求，现工程要求同一制冷系统可支持较宽工况范围的蒸发温度（如人工操作区域和食品冷冻冷藏区域的蒸发温度要求不同），即实现冷库不同区域的温度控制和全季节节能运行，是技术发展的主要方向之一。为了实现这一目标，需将载冷系统和复叠系统相结合，构成复合制冷系统。以CO2、NH3制冷剂工质对为例，目前NH3/CO2复叠系统的蒸发温度范围是-50 ℃~-30 ℃，CO2载冷制冷系统的蒸发温度-30 ℃~-5 ℃，将CO2载冷和NH3/CO2复叠制冷模式组合起来，可实现不同区域的制冷（蒸发温度）要求，也可在NH3/CO2复叠制冷系统再次投入运行前，先启动CO2载冷系统，以实现快速、安全、高效达到拟运行工况的目的。

结语

(1)对于复叠和双级压缩循环，随着蒸发温度的降低，系统COP都逐渐降低。蒸发温度对系统性能的影响较大，可通过提高蒸发温度来提高系统的运行性能。在低温工况下，复叠循环的效率更高，所以在获取低温时，选用复叠循环效率更高。(2)当系统运行的工况条件一定时，复叠系统的中间温度随着级间容量比的增大而减小;随着系统级间容量比的不断增大，系统COP呈现出先增大后减小的变化趋势。故对于固定工况条件下的复叠式制冷系统，存在一个级间容量比，在该级间容量比下，系统运行的COP最优。(3)低温级压缩机的运行频率保持不变时，随着高温级频率的增大，系统的级间容量比不断减小，系统的COP先增大后缓慢减小，在达到最佳运行COP后，系统COP随频率的增加没有太大的变化，系统运行稳定。

参考文献

［1］ 张功旺.食品速冻中四种制冷形式的性能对比分析［J］.冷藏技术，2020，43（3）：15-19.

［2］ 盛峰，吴得卿，周宇翔，等.基于天然工质的串联式复叠制冷系统集成优化［J］.制冷技术，2021，41（4）：41-47.