采用Xe為低溫級制冷劑的超低溫復(fù)疊制冷系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種制冷系統(tǒng)，特別設(shè)及一種采用Xe為低溫級制冷劑的超低溫復(fù)疊制 冷系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 制冷劑替代技術(shù)的發(fā)展推動著制冷技術(shù)的進(jìn)步。W前超低溫制冷系統(tǒng)經(jīng)常使用的 制冷劑是R22/R13和R50UR502/R503系列，其中WR22、R13和R502使用最廣泛。0DP是全球變 暖潛能值，是描述物質(zhì)對平流層臭氧破壞能力的一種量值;GWP是全球變暖潛能值，用來表 示和比較消耗臭氧層物質(zhì)對全球氣候變暖影響力的大小的一種量值。根據(jù)《蒙特利爾協(xié) 議》，制冷劑的消耗臭氧潛能值（ozone depression potential ,0DP)和全球變暖潛能值 (global warmin甜otential ,GWP)是兩項重要的考核指標(biāo)，基于此R13和R502于2010年完全 淘汰;R22也是要被淘汰的工質(zhì)，因此尋找新的環(huán)保替代工質(zhì)是超低溫制冷技術(shù)發(fā)展的趨 勢。
[0003] 自然工質(zhì)大體上可分為兩類:①天然的碳氨類物質(zhì)，如丙烷、下燒等;②各種天然 無機(jī)物，如C02、N冊等。其中C02、N冊最具競爭力。畑3/C02復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的出現(xiàn)，解決了兩 種工質(zhì)獨立作為超低溫制冷系統(tǒng)制冷劑的缺點。Pettersen等研究表明，與NH3雙級壓縮系 統(tǒng)相比，高溫級采用NH3和低溫級采用C02的復(fù)疊壓縮系統(tǒng)可獲得-45~-70°C的低溫區(qū)。
[0004] WR290為代表的碳氨化合物是目前國際上比較看好的長期替代R22的碳氨類化合 物，因 R290與R22的物性相似。馬一太等對WR290/C02與R22/R13為制冷劑的復(fù)疊式制冷循 環(huán)進(jìn)行了熱力學(xué)分析，分析指出，R290/C02復(fù)疊式制冷循環(huán)的性能系數(shù)(coefficient of performance, COP)比 R22/R13 的低。Christensen 等對超市用R290/C02 復(fù)疊式制冷系統(tǒng)（-40 ~-60°C)進(jìn)行能耗和經(jīng)濟(jì)性分析后發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的R404A系統(tǒng)相比，采用R290/C02復(fù)疊系統(tǒng) 初投資增加20%，而與原來的R404A制冷系統(tǒng)相比，系統(tǒng)整體能耗可減少5%。雖然當(dāng)前歐美 一些超市已經(jīng)安裝了R717/C02、R290/C02等超低溫復(fù)疊制冷系統(tǒng)，但是此類制冷劑在設(shè)備 運行壓力、可燃性、刺激性等方面的問題，限制了其在全球范圍內(nèi)的推廣。所W降低天然工 質(zhì)運行設(shè)備成本、尋找與之相匹配的阻燃劑W及減小爆炸極限是擴(kuò)大天然工質(zhì)替代范圍的 一條有效出路。
[0005] 目前，常用于雙級或者復(fù)疊制冷系統(tǒng)的HFC類環(huán)保替代制冷劑主要有R134a、 1?4044、1?507/1?116、1?5088和1?23。1?23、1?116與1?13的沸點都在-80°(：左右，彼此很接近，是邸0 物質(zhì)中替代R13的制冷劑最有可能的選擇。在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，R23具有破壞壓縮機(jī)運動部 件和分解潤滑油等問題，長期使用還可導(dǎo)致電機(jī)線圈短路。此外R23、R116和R508B的GWP值 很高，故只能作為過渡性制冷劑使用。
[0006] 對于R23、R508B的試驗研究主要集中在其作為復(fù)疊系統(tǒng)低溫環(huán)路制冷劑的循環(huán)性 能上。Agnew等在復(fù)疊制冷系統(tǒng)中W制冷劑R717/R508B替代R12/R13并進(jìn)行了模擬運行，模 擬結(jié)果表明在-45~-60°C的超低溫范圍內(nèi)，R717/R508B具有更好的循環(huán)性能。Keumnam等研 究了在復(fù)疊制冷系統(tǒng)低溫環(huán)路使用R23作為R13替代物的循環(huán)性能。Robert等研究了在蒸發(fā) 溫度為-50~-70°C，制冷劑為R134a/R508B的復(fù)疊制冷系統(tǒng)在蒸發(fā)器中的質(zhì)量流量為50~ 70g/minDMurat等分析指出R134a/R508B的復(fù)疊制冷系統(tǒng)可W實現(xiàn)蒸發(fā)溫度(-50~-75°C) 和更高的單位容積效率。
[0007]作為復(fù)疊系統(tǒng)的高溫環(huán)路制冷劑，R404A和R507在超低溫系統(tǒng)中是R502的中長期 替代品。孫艷秀等對R404A、R507和R22在雙級壓縮制冷系統(tǒng)中的運行性能進(jìn)行的模擬結(jié)果 表明：R404A和R507的各項性能比較接近，另外雙級壓縮系統(tǒng)采用R404A和R507達(dá)到的低溫 范圍是-45~-75°C，比R22更廣。王維等完成了一套采用工質(zhì)R404A/R23替代R22/R13的復(fù)疊 制式系統(tǒng)試驗機(jī)組的設(shè)計。試驗結(jié)果表明，在-45~-60°C內(nèi)，使用替代工質(zhì)R404A/R23的系 統(tǒng)較原系統(tǒng)的制冷量略有降低，但其它系統(tǒng)運行參數(shù)均優(yōu)于R22/R13系統(tǒng)，系統(tǒng)的可靠性大 大提高。文獻(xiàn)通過試驗研究發(fā)現(xiàn)R507和R502在相同的蒸發(fā)溫度-40°C下，兩者的COP相當(dāng)，但 R507的單位容積制冷量略高于R502。
[000引雖然323、1?116、1?5086的00? = 0，但其具有很高的溫室效應(yīng)系數(shù)，仍屬于京都協(xié)議 所規(guī)定的溫室氣體，只能作為過渡性制冷劑使用；當(dāng)前HFC類工質(zhì)替代最大問題是超低溫系 統(tǒng)潤滑和壓縮機(jī)匹配的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明是針對環(huán)保制冷劑替換存在的問題，提出了一種采用Xe為低溫級制冷劑的 超低溫復(fù)疊制冷系統(tǒng)，低溫環(huán)路制冷劑采用氣氣Xe，W替代R23和R508B等高GWP的HFC類合 成工質(zhì)W及高可燃性的R1150等HC類天然工質(zhì)。該系統(tǒng)的優(yōu)點是Xe為天然工質(zhì)，因而環(huán)保， 且不可燃沒有安全性問題。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種采用Xe為低溫級制冷劑的超低溫復(fù)疊制冷系統(tǒng)，包括 壓縮機(jī)、冷凝蒸發(fā)器、回?zé)崞?、?jié)流閥或電子膨脹閥、蒸發(fā)器，從壓縮機(jī)排出蒸氣經(jīng)過冷凝蒸 發(fā)器冷凝為液體后，再經(jīng)過回?zé)崞?、?jié)流閥或電子膨脹閥，進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)制冷，從蒸 發(fā)器出來的低沸點氣體經(jīng)回?zé)崞髟龠M(jìn)入壓縮機(jī)，所用低溫級制冷劑為Xe。
[0011] 所述壓縮機(jī)用強(qiáng)冷風(fēng)扇降溫。所述系統(tǒng)在1至2.5標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的正壓下獲得-90°c 至-108°C的低溫。所述蒸發(fā)溫度為-108°C時，系統(tǒng)的制冷系數(shù)達(dá)0.856。
[0012] 本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明采用Xe為低溫級制冷劑的超低溫復(fù)疊制冷系統(tǒng)， 采用天然工質(zhì)Xe作為制冷劑，環(huán)保，且不可燃沒有安全性問題，特別適用于低溫復(fù)疊制冷系 統(tǒng)中的低溫環(huán)路，W提供深低溫溫度的冷量。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明采用Xe為低溫級制冷劑的超低溫復(fù)疊制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0014] 氣氣的標(biāo)準(zhǔn)沸點為-lOS.rC，因而可制取-100°CW下的低溫。同R23，R116等合成 工質(zhì)相比，氣氣為天然工質(zhì)，溫室效應(yīng)接近0,其在環(huán)保上具有絕對的優(yōu)勢，且可W在正壓下 達(dá)到-100°C的低溫。同R1150相比，氣氣不可燃，安全性好。氣氣也不存在對材料的腐蝕和與 潤滑油相容的問題。因此，本文提出采用氣氣作為低溫環(huán)路制冷劑。幾種常用的低溫環(huán)路制 冷劑的熱物性匯總于表1中。
[0015] 表1
[0016]
[0017] 對幾種低溫制冷劑在蒸發(fā)溫度-84.4C，冷凝溫度-35Γ，過冷度5.6Γ，吸氣溫度- 17.8°C，壓縮機(jī)的余隙容積為4%、等賭壓縮指數(shù)0.7時理論性能進(jìn)行了計算，結(jié)果如表2所 示。表2表明低溫制冷劑制冷循環(huán)時的理論性能，從制冷系統(tǒng)制冷量和能效比等經(jīng)濟(jì)方面綜 合考慮，R503是性能最佳的低溫制冷劑，但R503環(huán)境友善性差，是被禁用的制冷劑。R508B的 性能優(yōu)于R23,且排氣溫度較R23低得多并且在壓縮機(jī)容許的安全運行排氣溫度范圍內(nèi)，但 它們的GWP值均太高。
[001引表2
[0019]
[0020] 從表2中可W看出，在同樣的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下，Xe的壓比僅為5.387,遠(yuǎn)小于 其它制冷工質(zhì)。但Xe的排氣溫度較高，在不考慮冷卻的情況下可達(dá)237°C。因而，Xe氣壓縮機(jī) 必須要冷卻，但可W通過風(fēng)冷降低到l〇〇°C W下。
[0021] W下計算了幾種工況，假定吸氣溫度-17.8°C，等賭壓縮指數(shù)0.7,如表3所示Xe低 溫環(huán)路制冷性能分析。由于Xe氣的等賭指數(shù)K較大，因而壓縮機(jī)排氣溫度在200°C W上，因 而，壓縮后的排氣需要冷卻到環(huán)境溫度后，再進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器。但由于Xe氣是惰性氣體，高 溫也不會發(fā)生分解，因而制冷工質(zhì)是安全的。另外，可W采用空氣壓縮機(jī)而非HFC類壓縮機(jī)。
[0022] 表 3
[0023]
[0024] 從上述計算結(jié)果可知，若蒸發(fā)溫度為-84.4°C時，采用Xe氣作為低溫環(huán)路制冷工 質(zhì)，冷凝溫度為-33. rC時，其理論制冷系數(shù)可W達(dá)到1.237。因而Xe氣作為低溫環(huán)路制冷工 質(zhì)是可行的。
[0025] 采用Xe制冷工質(zhì)，可W在正壓（1至2.5atm)的情況下獲得-90°C至-108°C的低溫， 滿足一些特殊場合的應(yīng)用。當(dāng)蒸發(fā)溫度為-108°C時，低溫環(huán)路的制冷系數(shù)可達(dá)0.856。
[0026] 為此，本文提出Xe作為制冷劑的低溫環(huán)路制冷系統(tǒng)，如圖1所示采用Xe為低溫級制 冷劑的超低溫復(fù)疊制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，包括壓縮機(jī)、冷凝蒸發(fā)器、回?zé)崞鳌⒐?jié)流閥或電子 膨脹閥、蒸發(fā)器，Xe制冷劑從壓縮機(jī)排出蒸氣經(jīng)過冷凝蒸發(fā)器冷凝為液體后，再經(jīng)過回?zé)?器、節(jié)流閥或電子膨脹閥，進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)制冷，從蒸發(fā)器出來的低沸點氣體經(jīng)回?zé)崞?再進(jìn)入壓縮機(jī)，用強(qiáng)冷風(fēng)扇或其他方式對壓縮機(jī)降溫。對其低溫環(huán)路制冷系統(tǒng)熱力性能進(jìn) 行了分析。結(jié)果表明，在蒸發(fā)溫度為-108. rC時，若冷凝溫度為-53°C，吸氣溫度為-17.8°C 時，其壓比為10.347。若等賭壓縮效率為0.7，則理論制冷系數(shù)為0.856，可W滿足有特殊要 求的深低溫應(yīng)用場合的需要。
【主權(quán)項】
1. 一種采用Xe為低溫級制冷劑的超低溫復(fù)疊制冷系統(tǒng)，包括壓縮機(jī)、冷凝蒸發(fā)器、回?zé)?器、節(jié)流閥或電子膨脹閥、蒸發(fā)器，從壓縮機(jī)排出蒸氣經(jīng)過冷凝蒸發(fā)器冷凝為液體后，再經(jīng) 過回?zé)崞?、?jié)流閥或電子膨脹閥，進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)制冷，從蒸發(fā)器出來的低沸點氣體經(jīng) 回?zé)崞髟龠M(jìn)入壓縮機(jī)，其特征在于，所用低溫級制冷劑為Xe。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述采用Xe為低溫級制冷劑的超低溫復(fù)疊制冷系統(tǒng)，其特征在于，所 述壓縮機(jī)用強(qiáng)冷風(fēng)扇降溫。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述采用Xe為低溫級制冷劑的超低溫復(fù)疊制冷系統(tǒng)，其特征在于，所 述系統(tǒng)在1至2.5標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的正壓下獲得-90°(：至-108°(：的低溫。4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述采用Xe為低溫級制冷劑的超低溫復(fù)疊制冷系統(tǒng)，其特征在 于，所述蒸發(fā)溫度為-108 °C時，系統(tǒng)的制冷系數(shù)達(dá)0.856。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種采用Xe為低溫級制冷劑的超低溫復(fù)疊制冷系統(tǒng)，包括壓縮機(jī)、冷凝蒸發(fā)器、回?zé)崞鳌⒐?jié)流閥或電子膨脹閥，蒸發(fā)器，從壓縮機(jī)排出蒸氣經(jīng)過冷凝蒸發(fā)器冷凝為液體后，再經(jīng)過回?zé)崞鳌⒐?jié)流閥，進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)制冷，從蒸發(fā)器出來的低沸點氣體經(jīng)回?zé)崞髟龠M(jìn)入壓縮機(jī)，所用低溫級制冷劑為Xe。采用天然工質(zhì)Xe作為制冷劑，環(huán)保，且不可燃沒有安全性問題，特別適用于低溫復(fù)疊制冷系統(tǒng)中的低溫環(huán)路，以提供深低溫溫度的冷量。
【IPC分類】F25B9/00
【公開號】CN105571187
【申請?zhí)枴緾N201610003354
【發(fā)明人】祁影霞, 張華
【申請人】上海理工大學(xué)
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2016年1月4日