氨/二氧化碳复叠制冷系统的优越性

steve.li

      CO2和NH3作为制冷剂的优点：
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5 P9 p( g: j  P8 @& r& [      CO2 制冷剂

      CO2属于天然工质，常温下是一种无色、无味的气体。作为制冷工质，CO2具有许多优势。首先，从环境保护的角度讲，CO2的ODP为0，GWP为1，远远小于CFCs和HFCs的，并且在实际中所用的CO2大多为化工副产品，用CO2作制冷剂等于延迟了这些废气的排放，这对环境是有利的。因此，CO2是一种环境友好型工质。其次，从工质的热物理性质来看，CO2与制冷循环和设备相适应。这主要表现在：①CO2的蒸发潜热大，单位容制冷量高(0℃ 时达到22．6 MJ／m )，约为传统制冷剂的5～8倍。②CO2的运动黏度小，并且在低温时也非常小。③ 导热系数高，液体密度和蒸气密度的比值小，节流后各回路间制冷剂能够分配得比较均匀。CO2这些优良的流动和传热性能，可显著缩小压缩机和系统的尺寸，使整个系统非常紧凑。另外，CO2化学稳定，无毒无害，不可燃，高温下也不会分解出有毒气体，并且CO2价格便宜，容易获取，具有优良的经济性。

       NH3制冷剂

) H( }1 M: F, ~/ x: _4 @       NH3与CO2同属于天然工质，其在制冷工业中的使用直至今日已达120年之久。NH3作为制冷剂的优点可以归纳为：①对环境友好，0DP=0，GWP=0。②具有优良的热力学性质，其单位容积制冷量较传统的氟利昂制冷剂大，0℃时达到4 360
kJ／ ，这就意味着获得相同冷量的氨制冷系统可以采用较小尺寸的压缩机和换热器，功率消耗也较小。③价格便宜，容易检漏。NH3制冷剂的最大不足之处是具有中等程度的毒性并且可燃。但由于氨有强烈的刺激性气味，当空气中浓度达5×10 时就能闻到。因此，一旦有微小泄漏就会被及时发现，并且这一浓度远低于氨的着火浓度。另外，氨比空气轻，很容易上升从建筑物顶部逸出室外，氨溶于水，能很快被水吸收，这一性质可用来消除空气中的氨蒸气，大大减少事故的发生率。100多年的历史经验表明，氨的事故率是很低的。其次，氨和普通润滑油不相溶，这给氨制冷机的润滑带来了困难。蒸发器须采用满液式蒸发器，导致NH 的充注量增加。为了解决这一问题，目前已研制出能溶于氨的合成润滑油。

        NH3／CO2复叠式制冷系统热力性能分析

        NH3/CO2 复叠式制冷循环的性能系数C0P与冷凝温度、蒸发温度以及中间温度有关。所谓中间温度是指高温级的蒸发温度和低温级的冷凝温度，即蒸发冷凝器的平均温度。若低温级的冷凝温度降低，则低温级的性能系数增大，而高温级的性能系数减小。目前，国内所进行的关于NH3/CO2复叠式制冷系统的热力学模拟计算表明：在同一冷凝温度和蒸发温度下，复叠式两级低温制冷系统存在一个最佳中间温度，使系统的性能系数C0P最大，并且在最佳中间温度的±5℃范围内，COP降低很少，这为NH，NH3/CO2复叠式制冷系统的设计与运行操作增加了弹性。当系统的蒸发温度和蒸发冷凝温差一定时，复叠式制冷系统的COP值随高温级冷凝温度的升高而减小。并且在不同的冷凝温度下，系统的最大COP值也不同，它同样随冷凝温度的升高而减小，并且这个最大C0P值所对应的最佳中间温度随冷凝温度的升高而升高。当系统的冷凝温度和蒸发冷凝温差一定时，复叠式制冷系统的C0P值随低温级蒸发温度的升高而增大。在NH3/CO2复叠式制冷系统中，蒸发温度与用冷需要有关，而冷凝温度是由环境温度决定的，不能轻易改变。所以蒸发冷凝器的中间温度的确定直接影响系统效率。关于中问温度的选取，一般有2种方法：一是使制冷系统的性能系数最大；二是使两级压缩机的压比近似，这样可以省功。

结论

        由于C02的优良特性，用NH3/CO2复叠式制冷系统作为低温制冷循环工质替代的一种解决方案具有独特的优势。实验研究表明，采用NH3/CO2作为工质对的复叠式制冷系统，其性能系数COP与传统的R22／R12复叠式制冷系统的接近。若再考虑环境效益，则这种制冷系统具有很强的竞争力和发展潜力。国内一些研究单位，如西安交通大学、天津大学、上海理工大学等，都开展了NH3/CO2复叠式制冷系统的实验研究。相关的热力学分析表明，在冷凝温度和蒸发温度一定时，系统的COP值随中间温度的变化而变化，且存在一个最大值。此最大COP值所对应的中间温度为最佳中间温度。这为该复叠式制冷系统的优化设计和实际运行提供了重要的理论基础。相信随着主要技术问题的解决，NH3/CO2复叠式制冷系统将会得到更加广泛的应用。