采用CO2为制冷剂的商用制冷系统

GRE093，32 采用C02为制冷剂的商用制冷系统 O．JAVERSCHEK (BitzerKuehlmaschinenbauGmbH，Eschenbrtinnlestr．15，71065Sindelfingen，Germany， +49．(0)7031．9325244) 摘要：在以C02为制冷剂的商用制冷系统中，普遍采用闪发气体旁通循环，平行压缩循环方式，酉己合以复叠系统或 双机配打系统的形式存在。这些循环方式和系统配置在上，应用上，控制L有着各自的特点与。本文 从工程应用的角度出发探讨了上述方案并着重于能量调节，运行温度和油路控制等方面。 关键词：C02制冷，闪发气体旁通，平行压缩，复叠系统，双级配打系统，加强犁双级配打系统，COP比较，能量 调节，运行温度 1 介绍 在1988年GustavLorentzen先生重新研 究了C02作为制冷剂的技术以后，这种传统的 制冷剂的应用得到了世界范围内的认可。从那 时起，人们进行了大量的研发工作；同时伴随 着新开发的控制元件和系统运行方案，C02被 重新作为制冷剂被人们使用，而且在今后也将 被长时间的使用。本文主要讨论有关C02系统 应用的一些问题。 2 以C02为制冷剂的系统方案 除了常用的混合系统，比如以R134a和 R290作为冷却级，结合泵供液做中温级以及直 接蒸发作低温级的C02复叠系统或双级配打系 统以外。在商业冷冻的应用中，也存在多种全 部采用C02作为制冷剂的系统方案。下面介绍 5种全部采用C02作制冷剂的系统。 2．1闪发气体旁通系统 闪发气体旁通系统的概念是指采用一次压 缩两次膨胀的系统。这种系统较常见于中温制 冷系统。在二氧化碳在气体冷却器内放热之后， 制冷剂气体经过一个压力调节阀，经过一定的 截流膨胀进入到储液器当中。在储液器中，截 流产生的C02闪发气体与液体制冷剂分离。液 体C02经过一个膨胀阀再次截流到蒸发压力， 然后进入蒸发器。储液器中的闪发气体回旁通 过蒸发器，在这个旁通回路上的一个膨胀阀会 将闪发气体截流到蒸发压力。在压缩机的吸气 侧，两部分的质量流量汇集在一起被吸入压缩 机。 闪发气体旁通系统具有以下一些优点：在 高压控制阀和蒸发器膨胀阀之间的压力可以控 制在40公斤以内。在这个压力下，常规制冷 系统中使用的配件如，铜接头，阀门等可以被 使用；另外，这种设计会减少进入蒸发器的闪 发气体的量，进而提高蒸发器的换热效率并且 减低C02侧的压力降。[1]EbelHrnjak先生 展示了在采用微通道换热器的闪发气体旁通系 统中较低的压力将会明显提升制冷量和能效比。 在截面积相对较大的，带分液器的传统商用换 热器中，这种冷量的提升效果会被减弱。 因为闪发气体和液体C02的分离，和单级截流 系统相比，流经蒸发器的质量流量较低。但是 从蒸发器冷量的角度上看，这种影响会被较高 的液体制冷剂比例和较高的换热效率所补偿。 闪发气体旁通系统由于增加了闪发气体控制阀 门，所以在造价上比普通的单级截流系统要高 一些。 2．2平行压缩系统 平行压缩系统既可以通过2台压缩机实现， 也可以通过l台压缩机实现。本文着重介绍采 用1台压缩机实现平行压缩的系统。这种压缩 机也叫带经济器的压缩机，这种压缩机的设计 可以实现在1台压缩机中压缩2个质量流量的 制冷剂。 中国·珠海·2010国际制冷技术交流会 GRE093，33 在气体冷却器，高压调节阀和储液器之前 这段回路和之前介绍的吸同一样。在储液器中 同样气体和液体C02回分离。但是分离出来的 气体将不经过截流而直接进入压缩机的经济器 汽缸，从中间压力(相对于蒸发压力和高压) 直接被压缩到排气压力。储液器中的液体C02 流经截流装置，蒸发器，进入压缩机的主吸气 口。当两部分的气体被压缩到共同的高压时， 闪发气体质量流量和蒸发器质量流量汇合到一 起，形成压缩机的整体的排气质量流量。像闪 发气体旁通系统一样，在此种系统中，流经蒸 发器的质量流量有所减少。但是与闪发气体旁 通系统相比，此种系统中流经蒸发器的质量流 量还要高‘。些。造成这种现象的原因是经过经 济器汽缸的C02气体处于中压，气体密度相对 要大些。所以压缩机的整体质量流量也增加了。 这就造成了在储液器中和在蒸发器侧的系统内 液体制冷剂的绝对含量的增加。闪发气体旁通 系统由于旁通了闪发气体部分的质量流量，流 经蒸发器的制冷剂会减少；但是平行压缩系统 会增加蒸发器中的流量。除此之外，由于对闪 发气体进行压缩的压比较小，所以压缩机的功 耗也相应的会降低。由于在储液器内进行了汽 液分离，和闪发气体旁通系统一样，经过截流 进入蒸发器的制冷剂具有较低的气体含量，有 助于提高蒸发器的换热效率。当然，平行压缩 系统对于系统控制的要求要比闪发气体旁通系 统高。 经济器汽缸的排气量与蒸发器汽缸的排气 量的比例足与蒸发压力和经济器压力的比例密 切相关的，排气量比例的不同会导致储液器制 冷剂压力的不同。在比泽尔压缩机上这个比例 是按照l：3设计的；1个汽缸在经济器压力下 工作，3个汽缸在蒸发压力下工作。以4HTC一 20K—EC0压缩机为例，在以_F工况下运行：蒸 发温度一10。C，35。C气体冷却器出口温度， 90bar排气压力，在蒸发器和经济器吸气口的 过热度皆为10K，经济器压力为40bar。与闪发 气体压力为40bar的闪发气体旁通系统相比， 效率提高10％。效率提高的比率比理论值要低。 主要原因是进入经济器循环的制冷剂在压缩机 内不经过电机，所以影响了电机的冷却效果， 进而影响了压缩机的容积效率。另一个影响效 率的因素是经济器汽缸阀门的布置，但是阀门 对质量流量的影响很小，和测量允许的误差范 围在同一水平。此外，这样的效率还没有考虑 潜在的系统优化。 2．3中温和地温的复叠系统 复叠系统是指独立的制冷剂和润滑油循环 通过一个或多个复叠热交换器进行能量交换。 这里讨论的复霍系统包括单级压缩的中温和低 温系统。在典型的这类系统中，低温部分为带 闪发气体旁通阀的储液器的二次截流系统；中 温部分则为‘次截流的普通系统。从储液器中 出来的液体C02流经复跌热交换器。这种系统 在2004年由Haafetal[2]应用在商用制冷 设备中。该系统显示出了闪发气体旁通循环的 各种优点。独立的同路有利于润滑油的循环。 复叠热交换器的选择应使温度和压力变化对其 的影响降至最低，在实际应用中，建议使用排 气过热度去除装置。 2．4中温和低温的配打系统 双级配打系统的高温部分和低温部分相互 连通，制冷剂和润滑油以及能量直接进行交换。 本文介绍的案例为双级压缩，二次截流，带闪 发气体旁通的系统(如图l所示)。该系统的 中温部分的运行类似于2．1节中介绍的闪发气 体旁通循环；但是也有区别，区别在于储液器 中的液体C02直接给低温蒸发器供液，低温压 缩机的排气直接进入中温压缩机的吸气集管。 在中温压缩机吸气端，低温蒸发器的质量流量， 闪发气体和中温蒸发器的质量流量汇聚成整体 的质量流量被吸入中温压缩机。双级配打系统 不是通过热交换器来减低低压级压缩机的压缩 比功。和复叠系统相比，双级配打系统的结构 比较简单。在进入低温蒸发器之前，低温级的 C02没有冷却到低温及的冷凝温度，所以在低 温蒸发器内，可获得的焓有所降低。 对于双级配打系统来说非常重要的足系统 的负载情况对运行情况影响很大。在系统的设 计阶段，大幅度的负荷变化情况就应该被计算 在内并进行评估。最为不利的两种情况分别 为：中温蒸发器负荷很小，低温蒸发器的负荷 很大；或者正好相反。第～种情况会导致中温 中国·珠海·2010国际制冷技术交流会 GRE093，34 压缩机的吸气温度升高，不利于压缩机电机的 冷却和排气温度过高；第二种情况会导致压缩 机吸气温度过低从而影响润滑油温度和黏度， 另外再闪发气体旁通流量发生改变时，还有可 能会导致压缩机液击。为了应对可能发生的这 些极限情况，设计者必须决定是否需要才与诸 如额外的热交换器或热气旁通等安全装置。 MT七¨‘_r■m I．TeH-__簟t 图1商用冷冻中的双级配打系统简图 2．5加强型双级配打系统 本文中还会介绍一种加强型的双级配打系统， 该系统包括双级压缩机，三次截流，两个储液 器和平行压缩循环。如图2所示。与2．4种所 介绍的系统的不同之处在于平行压缩循环和额 外的一个储液器。在气体冷却器的后面，有一 个额外的储液器，我们叫它经济器储液器。在 这个储液器里液体制冷剂分为两个流量，分别 流向中温蒸发器和低温蒸发器。中温蒸发器直 接由经济器储液器供液，在经过截流和蒸发以 后，这部分流量直接回到中温压缩机。在低温 级的部分，共发生了三次截流，首先是气体冷 却器中的气体被截流到经济器储液器压力，在 储液器中气体和液体进行了分离，在储液器之 后，气体再次被截流到中温的压力并流进低温 储液器。在这里，气体和液体再次进行分离。 在理想的系统中，低温储液器中的气体压力等 同于低压级压缩机的排气压力和中温压缩机的 吸气压力。闪发气体回到中温压缩机的吸气侧， 而分离出的液体会进入低温蒸发器，在低温蒸 发器前被截流。低温蒸发器内蒸发的气体会被 低压级压缩机压缩，进而进入高压级压缩机。 在进入高压级压缩机之前，低温储液器的闪发 气体，和低温压缩机的排气汇合。中温压缩机 降这部分流量和经济器流量一同压缩到高压， 形成整个系统的高压质量流量。 M丌Ev州ato-$LTEva哪-m 图2商用制冷系统中加强型双级配打系统简图 和2．4中介绍的系统相比具有平行压缩系统的 优点(如2，2节中介绍)。此外，三级截流和 额外的汽液分离导致了进入低温蒸发器中的液 体制冷剂的比例增加，有助于提高低温蒸发器 的换热效率；这也使得我们可以适当减小低温 级压缩机的排气量。根据不同的冷量需求，这 一优势可以让我们选用较小管径的管材和较小 容量的电气元件。为了使储液器中的压力不受 经济器排气量变化的影响，经济器运行可以和 闪发气体旁通结合起来。这一举措使储液器内 的压力可调。 2．6系统COP的比较 在之前介绍的各种商用中温和低温制冷系 统的理论的能效比将在下文中进行讨论。我们 将从以下几个角度来研究，压缩机效率，对于 蒸发器换热效率的提高(如PearsonA[3]所 介绍)，在气体冷却器侧的换热，系统压力降， 不同的负载情况。环境温度分布和空气湿度的 影响没有考虑在系统的能效比较影响因素内， 但是在应用时，需要对系统的季节能效作出评 估。 2．3节和2．5节中介绍的系统适用于有中温 和低温负荷的商用制冷系统。我们按照以下工 况进行比较：中温蒸发温度一10*C，低温蒸发 温度一35．C，中温压缩机排气压力90bar，35．C 气体冷却器出口温度，蒸发器10K有用过热度， 中温蒸发器和低温蒸发器的冷量比为4：l。在 中国·珠海·2010国际制冷技术交流会 2 3节中介纲的C02复叠乐统作为拳!fc【。另外 假世附挺气体压山为35bar，复叠热交换器的 换热温斧为抓。 1∞ i瑚 8” {m {∞ ∞ 圈3系统COP№较 2 4节中介绍的般级配打系统的能效比参 考系统高4％，如酊文所述，该系统闪发气体压 力为35bar。巾温级压缩机所需的排气量要少 3％．而低压级压缩机的排气量要高7％。25节 中所介绀的加强型般级配打系统其有更明显的 能效提高。在这个用于理论计算的系统中，采 用r弊济器剌闶发气体旁通循环，经济器一}i的 压力为35bar。经济器吸气u的过热度为IOK。 在这样的系统巾，系统地能艘比参考系统高 16％，与此同时．对于址缩机排气毋也可以相应 的降低．对于。p温和低温级压缔机来说，排气 量町咀分别降低13％和2％。同样的系统，如果 不采用闪发气体旁通循环，那么相对应的经济 器压力会提高到42bar．由十经济器雎力的提 高，系统地CO?可以进一步提川11％：而且低 压级压缩机的排气每Ⅲ以再降低2％。以E系统 的能教比比较请见图3。 3 从应用角度出发比较各种系统的优劣 二氧化碳系统在麻用中尤其独特的优点和 必颁注意的地方。基本的要求如系统清洁度和 干燥等和其他的HFc制挣剂足样的。但是其 在安拿片面的耍求如最大工作压力，管内(或 窖器内)存液，检漏等，比HFC制冷荆耍高很 多。本文中土要讨论另外一些值得注意的河题 31能量调节 在需要能量蛹节的C02系统q，，部分负荷 运行比满负荷远行具有更高的挑战性。山丁 C02独特的热力学特rlr，在温度“高时，C02 经过截洫形成阿扣流，jl能提供较少部分的液 体制冷剂：但是如果这个过程反过来，在温度 降低时．C02所能提供的焓等足柏专大的。下 面的例子将展示C02系统在满负荷和部分负荷 是的匹别。在JO*C燕发，35'C气体冷却器山 n温度，90bar排气皓力及1OK吸气过热度的 T况F：比泽尔4iffc20K压缩机的制L争量为 232Kw。当环境温度降低到挣凝温度为20．C 时．压缩机的制冷量增自l了502％。这个比例 的冷量增加来源丁288％的焙差增加和166％ 的压缩机容积效率的增加。如果冷凝温度降低 到15．C，那幺制冷节会增加681％。凼此C02 系统在全年远打时需坚很好的能量惆节机制米 满足蒸垃器部分负荷的需要，好的能量调节机 构／方泣日，咀避免压缩机带涟运行，保证压缩 机和系统帅安全远行。枉仝部泉用c02的系统 中(』l【】前文巾23 2 5小竹lp描述的系统)， 自E量调节系统可以减少中温部分和低温部分的 相互影响。比较好的能调疔泣足在中温级和低 温级部采用并联机组的方式．而凡对并联机组 的一台或多台雎缩机采用变频调节。能调缸盖 的调节方法并不适合川丁c02压缩机，吸排气 温差大，压莘大使得能调缸盖冉式报难用于 C02系统。爿个需要考虑的因#是气体冷印 期(业临界循环的冷糍嚣)，‘L体冷却器的造 型应考虑有10K的换热温差，H侏征系统在 15．c环境温度r能稳定运行。这样选择山的冷 凝器的换热血积较人，根据经验，在高环境温 度运行时，气体冷却器出口温度会比环境温度 高2K左右。 32运行温度 C02压缩机稳定运行的艽键足温度，特指 蛙高和培低的排气温度以及屋低的油槽温度。 这儿个温度都与润滑油温J皇_l关。许比泽A‘跨 临界上fi缩机中采用的是黏度为85cSl(温度为 40．C时)的POE润滑油。在商业挣冻设备中使 用POE油是吲为其和PAG相比有较好的混溶性 较低的吸湿性和更好的绝缘性。但是POE油也 有缺点．就是对C02的溶解度较高。蛀自排气 温度限制为140．C，靠近压缩机排气n的位嚣 测最。在50barIJi力，水含量400ppm，160．C 中国·珠海·2010吲际制冷技术交流会 温度下纯润滑汕开始变质。考虑到C02系境巾 的水舍茸|殷为100ppm左右，雎山为100bar 所以润滑汕的温度j眦设定为140．C。除质量 流最幽翥2外，对电机冷却和油槽温度站成影 响昂大的因素足压缩机排气湍应。排气温度址 堆缔机电机，机械椰什．内部压山降和外界环 境混度煎同影响的结果。图4口币了秤不同的 压比条件下排气温度和汕槽温度的相互关系。 测量数据是对4FIC。411]C．4JTC和4町c甩缩 机删邑碍出的，测量I税为IOK的吸气过热度 40，62，84，106bar的排气K力，燕敏温』立 为5．C到20．C．5K档环境为度为32．C。 结果显示油槽温度受到排气温度的影响。虽然 币l目型号的压缩机油槽温度不】刮但足其温度变 化的趋抖足柑同的。拒亚临界循环中排气过热 度至少应为40K以保证油楷温度小会过低。假 设曲轴箱的压力为20到30bat，溶解舟20'C 的润揖油中的C02的含量心为9。13％。这样溶 解度对于润滑油的黏度不会造成什幺影响，但 是过多的C02溶解在润措油中，会在蚯力波动 时j盘成严重的起淋和洗轴现象， 圈4不同压比下捧气温度和油槽温度的芙系 3 3安全的供油 为了保证灾不同的负载条件下都能保征安 全的供油+合理的，合适的润滑油系统显得尤 为重要。C02自IPOE润滑油的特性决定了从蒸 发器同油对于系统来随不是州题。润滑油与液 体C02的馓高的互溶性和吸气侧很高的气体密 度保证，润滑油-4以很容易的回到雎缩机。在 商业冷冻系统中，在部分负荷(如冬季的夜 川)仪有部分压缩机逗打时，燕发器的质量流 帚和气体流速都人人|5苹低r，这时候压缩机的 叫汕会变的根困难。可以通过一个带有分离器 减压阀，油罐，油恃控制器的油路系统柬保证 ，I：任何上乩F的安全#}油。在积级配扣的系统 中}|l_忙控制器安娃杠lL缩机的机体上并和低压 油罐联接。r{·溢压缩机和低温压缩机相比的带 汕幸会跟岛．这时闻为中温n、缩扣的吸气带度 和热负倚更高。这宵nJ能导致低温压缩机的油 位超过最自允许油位。为避免这种情眦的笈牛 应山中温雎缩帆配置分油技率极高的有分离器 肤缩机曲轴箱z问的油平衡对十管路的布置要 求竹常高。在设计上要考虑油平衡管和油平衡 n的位置，油管的截面积，吸气和排气的压力 油温，C02在润滑油中的溶解度，润滑汕和 C02混合物的错度．压缩机和吸气头管的内部 II、力降等因素。所以在宴际廊崩中需要人量的 测试和优化。 {4闪拄气体旁通 在闲芷气体旁通系统中需要考虑的是．在 闪鼓气体被截流到蒸发压力的后，C02在气体 和液体两枷区域。由此产牛的液体需要在进八 压缩机之前蒸发干净阻避免压缩机带液运行。 由丁C02气体的密度鞍^．其气体和液体的分 离效果和I{FC制冷荆相比要差，所以枉应川中 耍沣意这点。 3 5平行』}、缩 对T在高环境温度下运行的巾温系统或般 级配扣得中温级来说，平行压绵n儿l提高系统 的制冷骨和教牢。在气体冷_|=』1器山口温度和排 气温度降低的时候，储液器内的N投气体的含 量也会降低。这叫导致更低的。}，问压力，蒸发 器侧柯更大的焙差井可以提高制冷最。在这种 情况下，但不需要增i】||制冷量时，就必须对系 统进行卸载。同样的，平行Ⅱ、缩存低环温运行 时也足多余的。这时候就需要把平行胜缩机运 行模式切换到正常运行模式。如同5所示，一 个电磁阀可以控制经济器的开戈。在这个电碰 阀关闭后．经济器汽缸内的气体被排出压缩机 并降低气缸内的压力。当j苴力r降到燕牲压力 以r时，慷缩机内的男个阀扣开，将这个气 p用·珠海·2010国际制冷控术交流会 缸和蒸发器吸气连通，这样压缩机所有气缸就 都在蒸发压力下】作丁。 阿一专翔 照丁 1真三三．1 。≤堂茹‰ ：譬秘 。日?，÷鼍墨!y 圈5系统囤 鸺液器内的压力是由气体冷却器和经济器 共同决定的，这个Hi力与系统和艇缩机都有关 系。如果经济器的压力比设计压力高，那么甲 行压缩系统会和闪发气体旁通系统矧时J_作。 经济器气缶_所不能吸八的多余的州发气体会旁 通到雎缩机的吸气侧。 甲行压缩系统的另一个需要注意的问题是 经济器吸气n的过热度。储液器内的压力波动 有町能会导致吸气带液，所以建议在经济器吸 气u肌装热交换器(可以和气体玲却器mn的 气体换热)米保证压缩机的安全返钆。 4 结论 C02系统的应用为商用冷冻市场带来，新 的选扦。由j这项技术的复杂程度很高．所以 仍需进行大艟的空验和测试以保uE其存生态学 和经济方面是有利的。间灶气体舟埔和平行』E 缩系统的采用能进一步提高系统的能教，但是 目前的实地的测试还远远币够。有效的能量调 节．对系统温度压力的止确监控和良好的油路 系统瑷训时C02系统成功运行的关键。 参考文献 ⋯1 EbelS，H叫akP，2004，FishgasHp蹦for improvingthe口r№∞ccoftrans，criticalR744syslems that⋯c∞“⋯Ieva㈣n【㈣【101Ⅵ1Jour【Ialof Refi：gemtion27(2004)：724735 [2】H∞fS，HeinbekelB，GememaflflA2005，胁k C02KalteanlagefarNoelundTiel](flhl皿gineiEsm SchweiZerHyp。肿ⅡhDieKfilte＆K／imatechnik2／2005： 4146 吲AndyPearson2007，Thebeneficialpmpeniesof camondioxideasarcffigemntpadovaCon＆⋯ A⋯II24 H4 ChristianPuhl2006，Refrigerationoilsforthenatural RefrigerantsIso—ButaneandCarbonDioxide，6th InternationalConfcrcneeonC⋯⋯dC。olanls I】甜【】F。302309 巾国·珠海·2010国际制冷技术交流会 一 ～泓一．≮∽。重≮