复叠式制冷系统分析

复叠式制冷系统中R744替代R23的理论分析梁容真;阎富生【摘要】本研究对复叠式制冷系统R744/R404A和R23/R404A进行了理论与对比分析.分析了高低温压缩机的排气温度、压缩机的功耗、系统的COP、系统的火用率以及各个部件火用损失的变化规律.研究结果表明:复叠式制冷系统随着蒸发温度的升高,其最佳低温循环冷凝温度增大,且存在一个最佳的COPopt所对应的最佳低温循环冷凝温度T4 opt;高低温压缩机的排气温度随蒸发温度的升高而降低;系统的COP随蒸发温度的升高而增大;系统的火用效率随蒸发温度的升高而降低先增加后减小;系统的火用损失随蒸发温度的升高而降低.【期刊名称】《制冷》【年(卷),期】2018(037)003【总页数】8页(P11-18)【关键词】复叠制冷;性能系数;火用分析;R744【作者】梁容真;阎富生【作者单位】东北大学冶金学院, 沈阳 110819;东北大学冶金学院, 沈阳 110819【正文语种】中文【中图分类】TB61+2通常制冷系统要获得-60℃以下的低温时采用中温制冷剂和低温制冷剂的复叠制冷系统[1]。

R23作为广泛使用的低温制冷剂，通常用于复叠式制冷系统的低温级。

然而，其GWP值较高，根据《蒙特利尔议定书》，发展中国家应在2030年全面淘汰高GWP制冷剂，因此，制冷剂R23不可避免走向被淘汰的趋势，研发出可替代的制冷剂尤为重要[2]。

W对常用的复叠制冷工质对进行了能量和不可逆理论分析，且通过理论研究，验证了低GWP自然工质N2O代替高GWP制冷剂R23的可能性[3]。

在本研究中，提出用R744代替R23等制冷剂，皆采用R404A作为高温级的制冷剂，着重研究R744/R404A复叠式制冷系统的运行参数，并于R23/R404A进行比较。

1 制冷剂R23、R744的物理性质R23是非常有效和安全的的低温制冷剂，多用于复叠式制冷循环中的低温级制冷剂，由于其良好的综合性能，使其广泛应用于科研制冷和医用制冷的深冷设备中[4，5]，如：环境试验箱或环境试验设备也即冷热冲击试验机、冻干机以及冷冻干燥机、超低温冰箱或冷柜、血库冰箱、生化试验箱等。

双级复叠制冷系统原理1.低温压缩级：制冷剂从低温蒸发器进入低温压缩机，经过压缩后成为高温高压气体。

该气体通过低温冷凝器，在与冷却介质（如水）的热交换中，释放热量，冷却并变为高温高压液体。

2.高温压缩级：高温高压液体由低温冷凝器进入高温压缩机，在高温环境下进行压缩。

该过程会使制冷剂的温度和压力进一步升高，变为更高温高压的气体。

3.高温冷凝级：高温高压气体进入高温冷凝器，通过与冷却介质的热交换，释放热量，冷却并变为高温高压液体。

4.高温膨胀级：高温高压液体通过高温膨胀阀，进入高温蒸发器。

在高温蒸发器中，制冷剂通过与待冷物体的热交换，吸收热量并蒸发，从而实现制冷效果。

同时，制冷剂的温度和压力降低，成为低温低压气体。

5.低温膨胀级：低温低压气体通过低温膨胀阀，进入低温蒸发器。

在低温蒸发器中，制冷剂再次与待冷物体进行热交换，吸收更多的热量并蒸发。

同时，制冷剂的温度和压力进一步降低，成为低温低压气体。

通过双级复叠制冷系统，制冷剂在两个级别的蒸发器中循环工作，每个级别分别负责不同温度范围的制冷任务，从而实现更低的制冷温度。

整个系统呈现级联的结构，通过不同级别的压缩机和冷凝器，实现了对制冷剂的逐级升压和冷凝，以及对制冷剂的逐级减压和蒸发，从而实现制冷效果。

然而，双级复叠制冷系统也存在一些挑战，如对于系统的控制和操作要求较高，需要保证两个级别的制冷剂流量和压力的均衡，以及制冷剂在两个蒸发器中的分配和再循环。

此外，系统的建设和维护成本相对较高，需要更多的设备和管道，以及复杂的控制系统。

总之，双级复叠制冷系统通过两个级别的压缩机和冷凝器，以及两个级别的蒸发器和膨胀阀，实现了更低的制冷温度。

该系统适用于需要更低温制冷的领域，但也面临着控制和操作复杂、建设和维护成本较高等挑战。

复叠式制冷系统热力计算复叠式制冷系统热力计算可以帮助我们确定制冷系统中一些关键参数的变化，从而指导系统的设计和优化。

本文将对复叠式制冷系统热力计算进行详细的介绍和探讨。

一、复叠式制冷系统复叠式制冷系统是一种先进的制冷技术，其基本原理是将多个制冷循环串联起来构成一个复合制冷系统，从而实现更高效、更灵活的制冷效果。

复叠式制冷系统的优点在于其高效、耐用、可靠，以及其应用范围广泛的特点，在工业、医疗、航空等领域得到了广泛的应用。

二、热力计算热力计算是指对一个制冷系统进行热力分析，从而确定系统中各参数的变化，进而指导系统的设计和优化。

热力计算包括系统的热平衡分析、热传递分析和热流量分析等内容。

其中，系统的热平衡分析是热力计算的核心，可帮助我们确定系统中的热量分配和传递方式。

三、热力计算的步骤进行复叠式制冷系统热力计算的步骤如下：1. 确定制冷系统的输入参数，包括冷媒种类、冷却剂种类、压缩机工作状态以及系统的环境参数等。

2. 进行系统的热平衡分析，确定系统中各个部分的热量流动方式。

在分析时，应考虑不同区域的热阻、热容和热传递系数等参数。

3. 计算制冷系统中各个部分的热量流量，以便确定系统中的热量分配和传递方式。

在计算时，应注意各个部分的温度和压力的变化。

4. 利用计算结果，进行系统的设计和优化，以改善制冷系统的效率和性能。

四、热力计算的应用复叠式制冷系统热力计算可用于指导系统的设计和优化，在实际应用中，主要有以下几个方面的应用：1. 选择合适的制冷循环，确定合适的冷媒种类和冷却剂种类，以满足特定的制冷要求。

2. 指导系统的设计，包括管道的布置、换热器的选型以及压缩机、冷凝器和蒸发器的选择等。

3. 提高系统的效率和性能，主要包括减少能源消耗、降低维护成本和延长系统的使用寿命等。

4. 安全评估，包括压力容器的强度计算、系统的热稳定性评估和操作风险分析等。

五、总结复叠式制冷系统热力计算是一个重要的制冷系统设计和优化工具，可帮助我们确定系统中各个部分的热量分配和传递方式，提高系统的效率和性能。

《R1270/CO2复叠式制冷系统热力学分析与研究》摘要：因此在满足换热要求的基础上，还应适当将系统冷凝温度和蒸发温度减小，继而通过减小系统损获得更大COP，损主要产生在压缩和节流阶段，会引发较大压力损失，除了低温级冷凝温度，系统高温级质量流量也受系统冷凝温度影响，会随着冷凝温度升高而增加，促使高低温级质量流量比增加任继鹏孙远新张良摘要：针对R1270/CO2复叠式制冷系统，本文结合系统循环原理和制冷剂物性完成了系统热力学分析模型的建立，通过对系统热力学性能展开分析提出了适当降低冷凝温度和提高蒸发温度的优化建议，从而使系统维持良好运行性能，满足冷链管理需求。

关键词： R1270/CO2;复叠式制冷系统;热力学分析引言：复叠式制冷系统由两个单级制冷循环复叠而成，可以划分为高温级系统和低温级系统，利用冷凝蒸发器连接。

其中，高温端制冷剂采用R1270，低温端制冷剂采用CO2，均能在冷凝蒸发器中完成蒸发过程。

而系统R1270蒸汽会进入相应压缩机，通过冷凝器实现热量传递，完成从高温端→压缩机→冷凝器→膨胀阀→冷凝蒸发器的循环过程。

系统CO2液体将进入节流装置，在蒸发器中对被冷却介质的热量进行吸收，在压缩机中完成从低温端→压缩机→冷凝蒸发器→膨胀阀→蒸发器的循环过程。

在理想状态下，系统高温端制冷循环得到的蒸发制冷量与低温端循环得到的冷凝热负荷相等。

1系统制冷剂的物性分析系统高温端制冷剂R1270属于HCs制冷剂，ODP和GWP分别为0和20，给臭氧层带来的破坏微乎其微，带有环境友好性特点。

R1270临界温度为92℃，临界压力为4.5MPa，汽化潜热达439kJ/kg。

然而从安全性角度来看，该物质安全系数为A3，所以需要对其热力学性质进行分析，确定能否在制冷系统中使用。

系统低温端制冷剂CO2属于天然工质，ODP和GWP分别为0和1，带有环境友好性特点。

在冷链行业应用，由于CO2拥有稳定化学性质，无毒不可燃，所以具有较好安全性，安全系数为A1，即便泄露也不会引发污染。

什么叫复叠式制冷工作原理是什么复叠式制冷机通常由两个单独的制冷系统构成，分别称为高温级及低温级部分。

高温部分使用中温制冷剂，低温部分使用低温制冷剂。

制冷剂的蒸发是用来使低温部分系统中制冷剂冷凝，用一个冷凝蒸发器将两部分联系起来，它既是高温部分的蒸发器，又是低温部分的冷凝器。

低温部分的制冷剂在蒸发器内向被冷却对象吸取热量（即制取冷量），并将此热量传给高温部分制冷剂，然后再由高温部分制冷剂将热量传给冷却介质（水或空气）。

由于是温度保持不住，察看制冷压缩机在试验箱运行过程中是否能够启动，（东莞艾思荔——黄鑫磊为您解答）压缩机在步入式恒温恒湿试验室运行过程中都能够启动，说明从主电源到各压缩机的电器线路正常，电器系统方面也没有问题。

现在电器系统没有问题，我们连续检查制冷系统。

首先检查两组制冷机组的低温（R23）级压缩机的排气和吸气压力都较正常值偏低，且吸气压力呈抽闲状态，说明主制冷机组的制冷剂量不足。

用手摸主机组R23压缩机的排气和吸气管路，发现排气管路的温度不高，吸气管路的温度也不低（未结霜），这也说明白主机组的R23制冷剂缺乏。

假如以上未确定故障原因，结合步入式恒温恒湿试验室的掌控过程进一步确认故障原因，本试验室拥有两套制冷机组。

一为主机组，另一为辅佑襄助机组，在降温速率较大时，两组机组同时工作，在温度保持阶段初期，两组机组仍然同时工作。

待温度初步稳定下来，辅佑襄助机组停止工作，由主机组来维持温度的稳定。

假如主机组R23泄露，会使主机组的制冷效果不大，由于降温过程中，两机组同时工作，故没有温度稳定不住的现象，而指示降温速率降低。

在温度保持阶段，一旦辅佑襄助机组停止工作，主机组又无制冷作用，试验室内的空气就会缓慢上升，当温度上升到确定程度，掌控系统就会启动辅佑襄助机组来降温，将温度下降至设定值相近，然后辅佑襄助机组又停止工作，至此，已确认生产故障的原因是主机组的低温（R23）级机组的制冷剂R23泄露。

对制冷系统进行查漏，用检漏仪和肥皂水相结合的方法检查，发现一热气旁通电磁阀的阀杆裂了约1cm的细缝。

采用复叠式制冷循环的原因
1. 提高制冷效率：复叠式制冷循环可以将低温冷凝器中的冷气进一步冷却，使其温度更低，从而提高制冷系统的效率。

通过多个级别的冷凝器和蒸发器，冷凝温度不断下降，从而减少了对压缩机的功率需求，并提高了制冷系统的性能。

2. 扩大制冷范围：复叠式制冷循环可以扩大制冷系统的工作温度范围。

传统的单级制冷循环通常适用于较低的温度范围，而复叠式制冷循环可以通过多级蒸发器和冷凝器，在不同温度范围内工作，适用于更广泛的应用领域。

3. 降低系统压力：复叠式制冷循环通过将制冷循环中的压力降低到较低的水平，可以减少系统中的压力损失，提高了压缩机的效率，减少了能耗。

4. 提高系统稳定性：复叠式制冷循环的多级结构可以提高系统的稳定性。

通过将制冷系统分为多个级别，可以减小每个级别的温度和压力差异，减少了运行过程中的温度和压力波动，从而提高了系统的稳定性和可靠性。

5. 实现多种制冷要求：复叠式制冷循环可以根据不同的制冷需求进行灵活调节。

通过增加或减少冷凝器和蒸发器的级数，可以实现不同的制冷效果，满足不同的使用要求。

总的来说，采用复叠式制冷循环可以提高制冷系统的效率和性能，扩大制冷范围，减小能耗，提高系统的稳定性和可靠性，以及适应不同的制冷要求。

自复叠制冷系统的原理
自复叠制冷系统是一种高效、节能的制冷技术。

其原理是利用自复叠效应，在制冷过程中不断地重复吸收和释放热量，提高制冷效率。

具体来说，自复叠制冷系统由两个自复叠循环组成：制冷循环和再生循环。

制冷循环通过膨胀阀将高压制冷剂流入蒸发器，使制冷剂在蒸发器内蒸发，吸收周围的热量，从而使蒸发器周围的温度下降。

经过蒸发后，制冷剂从蒸发器中流出，流入压缩机，再次被压缩成高温高压状态，释放出吸收的热量，并将高压制冷剂传输到冷凝器中。

在冷凝器中，制冷剂通过与外部空气的接触，将热量传递给外部环境，冷却并被转化为液体状态，便于下一次循环使用。

再生循环是通过再生器实现的。

再生器是一个热交换器，它将制冷循环中的高温高压制冷剂和冷凝循环中的低温低压制冷剂进行热
交换。

在这个过程中，制冷循环中的高温高压制冷剂被冷却，释放出一部分热量，使其温度下降，然后被送回到压缩机中再次被压缩，提高了制冷效率。

同时，再生循环中的低温低压制冷剂被加热，提高了其压力和温度，使其可以再次被用于制冷循环中。

总之，自复叠制冷系统通过不断的吸收和释放热量，利用再生循环实现能量的回收和利用，从而提高了制冷效率和能源利用率。

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