CN105571187A - 采用Xe为低温级制冷剂的超低温复叠制冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用Xe为低温级制冷剂的超低温复叠制冷系统，包括压缩机、冷凝蒸发器、回热器、节流阀或电子膨胀阀，蒸发器，从压缩机排出蒸气经过冷凝蒸发器冷凝为液体后，再经过回热器、节流阀，进入蒸发器进行蒸发制冷，从蒸发器出来的低沸点气体经回热器再进入压缩机，所用低温级制冷剂为Xe。采用天然工质Xe作为制冷剂，环保，且不可燃没有安全性问题，特别适用于低温复叠制冷系统中的低温环路，以提供深低温温度的冷量。

Description

采用Xe为低温级制冷剂的超低温复叠制冷系统
技术领域
本发明涉及一种制冷系统，特别涉及一种采用Xe为低温级制冷剂的超低温复叠制冷系统。
背景技术
制冷剂替代技术的发展推动着制冷技术的进步。以前超低温制冷系统经常使用的制冷剂是R22/R13和R501、R502/R503系列，其中以R22、R13和R502使用最广泛。ODP是全球变暖潜能值，是描述物质对平流层臭氧破坏能力的一种量值；GWP是全球变暖潜能值，用来表示和比较消耗臭氧层物质对全球气候变暖影响力的大小的一种量值。根据《蒙特利尔协议》，制冷剂的消耗臭氧潜能值(ozonedepressionpotential,ODP)和全球变暖潜能值(globalwarmingpotential,GWP)是两项重要的考核指标，基于此R13和R502于2010年完全淘汰；R22也是要被淘汰的工质，因此寻找新的环保替代工质是超低温制冷技术发展的趋势。
自然工质大体上可分为两类：①天然的碳氢类物质，如丙烷、丁烷等；②各种天然无机物，如CO2、NH3等。其中CO2、NH3最具竞争力。NH3/CO2复叠式制冷系统的出现，解决了两种工质独立作为超低温制冷系统制冷剂的缺点。Pettersen等研究表明，与NH3双级压缩系统相比，高温级采用NH3和低温级采用CO2的复叠压缩系统可获得-45～-70℃的低温区。
以R290为代表的碳氢化合物是目前国际上比较看好的长期替代R22的碳氢类化合物，因R290与R22的物性相似。马一太等对以R290/CO2与R22/R13为制冷剂的复叠式制冷循环进行了热力学分析，分析指出，R290/CO2复叠式制冷循环的性能系数(coefficientofperformance，COP)比R22/R13的低。Christensen等对超市用R290/CO2复叠式制冷系统(-40～-60℃)进行能耗和经济性分析后发现，与传统的R404A系统相比，采用R290/CO2复叠系统初投资增加20％，而与原来的R404A制冷系统相比,系统整体能耗可减少5％。虽然当前欧美一些超市已经安装了R717/CO2、R290/CO2等超低温复叠制冷系统，但是此类制冷剂在设备运行压力、可燃性、刺激性等方面的问题，限制了其在全球范围内的推广。所以降低天然工质运行设备成本、寻找与之相匹配的阻燃剂以及减小爆炸极限是扩大天然工质替代范围的一条有效出路。
目前，常用于双级或者复叠制冷系统的HFC类环保替代制冷剂主要有R134a、R404A、R507/R116、R508B和R23。R23、R116与R13的沸点都在-80℃左右，彼此很接近，是HFC物质中替代R13的制冷剂最有可能的选择。在实际应用中发现，R23具有破坏压缩机运动部件和分解润滑油等问题，长期使用还可导致电机线圈短路。此外R23、R116和R508B的GWP值很高，故只能作为过渡性制冷剂使用。
对于R23、R508B的试验研究主要集中在其作为复叠系统低温环路制冷剂的循环性能上。Agnew等在复叠制冷系统中以制冷剂R717/R508B替代R12/R13并进行了模拟运行，模拟结果表明在-45～-60℃的超低温范围内，R717/R508B具有更好的循环性能。Keumnam等研究了在复叠制冷系统低温环路使用R23作为R13替代物的循环性能。Robert等研究了在蒸发温度为-50～-70℃，制冷剂为R134a/R508B的复叠制冷系统在蒸发器中的质量流量为50～70g/min。Murat等分析指出R134a/R508B的复叠制冷系统可以实现蒸发温度(-50～-75℃)和更高的单位容积效率。
作为复叠系统的高温环路制冷剂，R404A和R507在超低温系统中是R502的中长期替代品。孙艳秀等对R404A、R507和R22在双级压缩制冷系统中的运行性能进行的模拟结果表明：R404A和R507的各项性能比较接近，另外双级压缩系统采用R404A和R507达到的低温范围是-45～-75℃,比R22更广。王维等完成了一套采用工质R404A/R23替代R22/R13的复叠制式系统试验机组的设计。试验结果表明，在-45～-60℃内，使用替代工质R404A/R23的系统较原系统的制冷量略有降低，但其它系统运行参数均优于R22/R13系统，系统的可靠性大大提高。文献通过试验研究发现R507和R502在相同的蒸发温度-40℃下，两者的COP相当，但R507的单位容积制冷量略高于R502。
虽然R23、R116、R508b的ODP＝0，但其具有很高的温室效应系数，仍属于京都协议所规定的温室气体，只能作为过渡性制冷剂使用；当前HFC类工质替代最大问题是超低温系统润滑和压缩机匹配的问题。
发明内容
本发明是针对环保制冷剂替换存在的问题，提出了一种采用Xe为低温级制冷剂的超低温复叠制冷系统，低温环路制冷剂采用氙气Xe，以替代R23和R508B等高GWP的HFC类合成工质以及高可燃性的R1150等HC类天然工质。该系统的优点是Xe为天然工质，因而环保，且不可燃没有安全性问题。
本发明的技术方案为：一种采用Xe为低温级制冷剂的超低温复叠制冷系统，包括压缩机、冷凝蒸发器、回热器、节流阀或电子膨胀阀、蒸发器，从压缩机排出蒸气经过冷凝蒸发器冷凝为液体后，再经过回热器、节流阀或电子膨胀阀，进入蒸发器进行蒸发制冷，从蒸发器出来的低沸点气体经回热器再进入压缩机，所用低温级制冷剂为Xe。
所述压缩机用强冷风扇降温。所述系统在1至2.5标准大气压的正压下获得-90℃至-108℃的低温。所述蒸发温度为-108℃时，系统的制冷系数达0.856。
本发明的有益效果在于：本发明采用Xe为低温级制冷剂的超低温复叠制冷系统，采用天然工质Xe作为制冷剂，环保，且不可燃没有安全性问题，特别适用于低温复叠制冷系统中的低温环路，以提供深低温温度的冷量。
附图说明
图1为本发明采用Xe为低温级制冷剂的超低温复叠制冷系统结构示意图。
具体实施方式
氙气的标准沸点为-108.1℃，因而可制取-100℃以下的低温。同R23，R116等合成工质相比，氙气为天然工质，温室效应接近0，其在环保上具有绝对的优势，且可以在正压下达到-100℃的低温。同R1150相比，氙气不可燃，安全性好。氙气也不存在对材料的腐蚀和与润滑油相容的问题。因此，本文提出采用氙气作为低温环路制冷剂。几种常用的低温环路制冷剂的热物性汇总于表1中。
表1
对几种低温制冷剂在蒸发温度-84.4℃，冷凝温度-35℃，过冷度5.6℃，吸气温度-17.8℃，压缩机的余隙容积为4％、等熵压缩指数0.7时理论性能进行了计算，结果如表2所示。表2表明低温制冷剂制冷循环时的理论性能，从制冷系统制冷量和能效比等经济方面综合考虑，R503是性能最佳的低温制冷剂，但R503环境友善性差，是被禁用的制冷剂。R508B的性能优于R23，且排气温度较R23低得多并且在压缩机容许的安全运行排气温度范围内，但它们的GWP值均太高。
表2
项目 R13 R503 R23 R508B Xe
制冷量(％) 100 141 104 138
能效比(％) 100 95 90 98
排气压力/MPa 0.717 0.999 0、848 1.013 1.783
吸气压力/MPa 0.083 0.124 0.090 0.124 0.331
压比 8.638 8.056 9.422 8.169 5.387
排气温度/℃ 92 107 138 85 237
从表2中可以看出，在同样的蒸发温度和冷凝温度下，Xe的压比仅为5.387，远小于其它制冷工质。但Xe的排气温度较高，在不考虑冷却的情况下可达237℃。因而，Xe气压缩机必须要冷却，但可以通过风冷降低到100℃以下。
以下计算了几种工况，假定吸气温度-17.8℃，等熵压缩指数0.7，如表3所示Xe低温环路制冷性能分析。由于Xe气的等熵指数K较大，因而压缩机排气温度在200℃以上，因而，压缩后的排气需要冷却到环境温度后，再进入冷凝蒸发器。但由于Xe气是惰性气体，高温也不会发生分解，因而制冷工质是安全的。另外，可以采用空气压缩机而非HFC类压缩机。
表3
从上述计算结果可知，若蒸发温度为-84.4℃时，采用Xe气作为低温环路制冷工质，冷凝温度为-33.1℃时，其理论制冷系数可以达到1.237。因而Xe气作为低温环路制冷工质是可行的。
采用Xe制冷工质，可以在正压(1至2.5atm)的情况下获得-90℃至-108℃的低温，满足一些特殊场合的应用。当蒸发温度为-108℃时，低温环路的制冷系数可达0.856。
为此，本文提出Xe作为制冷剂的低温环路制冷系统，如图1所示采用Xe为低温级制冷剂的超低温复叠制冷系统结构示意图，包括压缩机、冷凝蒸发器、回热器、节流阀或电子膨胀阀、蒸发器，Xe制冷剂从压缩机排出蒸气经过冷凝蒸发器冷凝为液体后，再经过回热器、节流阀或电子膨胀阀，进入蒸发器进行蒸发制冷，从蒸发器出来的低沸点气体经回热器再进入压缩机，用强冷风扇或其他方式对压缩机降温。对其低温环路制冷系统热力性能进行了分析。结果表明，在蒸发温度为-108.1℃时，若冷凝温度为-53℃，吸气温度为-17.8℃时，其压比为10.347。若等熵压缩效率为0.7，则理论制冷系数为0.856，可以满足有特殊要求的深低温应用场合的需要。

Claims (4)

1.一种采用Xe为低温级制冷剂的超低温复叠制冷系统，包括压缩机、冷凝蒸发器、回热器、节流阀或电子膨胀阀、蒸发器，从压缩机排出蒸气经过冷凝蒸发器冷凝为液体后，再经过回热器、节流阀或电子膨胀阀，进入蒸发器进行蒸发制冷，从蒸发器出来的低沸点气体经回热器再进入压缩机，其特征在于，所用低温级制冷剂为Xe。
2.根据权利要求1所述采用Xe为低温级制冷剂的超低温复叠制冷系统，其特征在于，所述压缩机用强冷风扇降温。
3.根据权利要求2所述采用Xe为低温级制冷剂的超低温复叠制冷系统，其特征在于，所述系统在1至2.5标准大气压的正压下获得-90℃至-108℃的低温。
4.根据权利要求2或3所述采用Xe为低温级制冷剂的超低温复叠制冷系统，其特征在于，所述蒸发温度为-108℃时，系统的制冷系数达0.856。
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