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1、,低 温 制 冷 技 术,目录,低温定义,制冷技术中低温指的是蒸发器侧的温度范围，在不同应用中低温所指的范围有所区别： 1）在空调中，蒸发器中水或酒精的温度达到0，就被认为是低温; 2）在工业制冷中，蒸发器中热汇的温度快速达到4550，才被认为是低温; 3）在低温医学和低温生物学领域中，温度范围在73123，才算是低温; 4）在低温学领域，温度接近273 才被指定为低温。随着现代工业技术的发展工业制冷的应用范围不断扩展，所涵盖的低温温度范围也不断扩大，现在40100的温度范围都属于工业制冷所指的低温。,如何实现低温制冷,多级蒸汽压缩系统 (-70-40)复叠制冷系统 (-90-60 )自复叠制
2、冷系统 (-40-150 ),多（两）级压缩制冷循环,一、单级蒸气压缩局限性1. 冷凝压力 tk 环境温度、冷却介质温度 蒸发压力 t0 用户要求（制冷系统的用途）2. 用户要求蒸发温度 蒸发压力 压缩比（pk/p0） 压缩机输气系数下降；3. pk/p0增大导致 压缩机排气温度升高，润滑条件变坏； 耗功增加，制冷量下降，制冷系数降低。二、单级蒸气压缩条件1.氨制冷系统：pk/p08；最低蒸发温度-25；2.氟利昂制冷系统：pk/p010；蒸发温度-37,表1 单级活塞式压缩机的最低蒸发温度,采用多级蒸汽压缩式制冷循环来获取低温，能够避免或减少单级蒸汽压缩制冷循环中由于压力比过大所引起的一系列
3、不利的因素，从而改善制冷压缩机的工作条件，提高制冷效率，具体优点如下： （1）可降低各级压缩比，减小活塞式制冷压缩机的余隙容积影响，减少制冷剂回气与气缸壁间的热交换，减少制冷剂在压缩过程中的窜气泄漏，提高制冷压缩机的输气系数，从而增大制冷量。 （2）可降低各级的排气温度，减小压缩过程中的不可逆损失，保证设备更加高效、安全运行。 （3）可降低各级的压力差，使运行的平衡性能提高、机械摩擦和磨损减小。有利于简化设计和降低成本。 （4）可减少节流损失，提高制冷效率。,多级蒸汽压缩式制冷循环的优点,两级蒸汽压缩的类型,单机双级：一台压缩机,气缸一部分为高压级,一部分为低压级。双机双级：两台压缩机，分别为
4、高压级和低压级。一级节流：供液的制冷剂液体直接由冷凝压力节流至蒸发压力。二级节流：一级节流至中间压力，二级节流至蒸发压力。中间完全冷却：将低压级的排气冷却到中间压力下的饱和蒸气。中间不完全冷却：未将排气冷却到中间压力下的饱和蒸气。,就循环的经济性而言，两次节流优于一次节流； 但一次节流更具实际意义，被广泛使用： 供液压差大，可实现远距离供液或高层供液； 只用一只节流阀，系统简化； 阀前后压差大，节流前液体过冷度大，不易闪蒸。简要介绍一次节流中间完全冷却循环；一次节流中间不完全冷却循环；,一次节流中间完全冷却两级压缩制冷系统,系统基本组成,压焓图,适用于大型氨制冷系统。,一次节流中间不完全冷却两
5、级压缩制冷系统,基本组成示意图,压焓图,适用于氟利昂制冷系统。,中间冷却器,中间冷却器示意图,作用：1.降低低压级压缩机排气温度，避免高压级排气温度过高；2.使高压液体在节流前得到过冷，以提高系统制冷能力，减少节流产生的闪发气体；3.起到油分离器的作用，它可将由低压级压缩机带出的润滑油，通过改变流动方向、降低流速、洗涤和降温作用分离出来，并由放油管排出。,复叠式制冷循环是用两种或两种以上不同的制冷剂，分别组成两个或两个以上相互独立的单级或两级压缩制冷循环，并把它们合成一个系统进行制冷循环。它可以获-130 至-80的低温。常见形式：由两个单级压缩制冷循环组成的二元复叠式制冷循环由一个两级压缩制
6、冷循环和一个单级压缩制冷循环组成的二元复叠式制冷循环由三个单级压缩制冷循环组成的三元复叠式制冷循环,复叠式压缩制冷系统,采用多级压缩制冷循环可获得-80以上的低温，但是当需要制取更低的温度时，由于冷凝温度与蒸发温度相差过大，多级压缩制冷循环也难以胜任。因此采用复叠式制冷压缩。,二元复叠式制冷循环示意图,二元复叠式压缩制冷系统,高温部分：采用中温中压制冷剂（如氨、丙烷等），蒸发器为低温部分冷凝器工作创造低温冷凝的放热环境。低温部分：采用低温高压制冷剂（如R23、CO2等），蒸发 器为用户制冷。 蒸发冷凝器：实现两部分之间的热量交换，本系统可制取-80-60的低温。,在制取同样冷量的要求下，复叠式
7、制冷的低温部分制冷压缩机的理论输气量比两级压缩时低压级制冷压缩机的理论输气量可以小得多，使得整个机组的制冷压缩机尺寸减小、重量减轻。每台制冷压缩机的工作压力范围比较适中，低温部分制冷压缩机的输气系数及实际效率都有所提高，尤其是摩擦功率减少，因此循环的制冷系数提高。两部分系统内能保持正压，空气不易漏入，运行的稳定性好。复叠式制冷循环一般需要采用冷凝蒸发器、膨胀容器、气液热交换器等设备，并需采用多元制冷剂，系统比较复杂。,复叠式压缩制冷系统的特点,自复叠系统,自复叠制冷循环(Auto-Cascade Refrigeration Cycle，简称ACR 循环) 又称内复叠或自然复叠循环，根据非共沸混
8、合工质在相同压力下沸点不同的特点，用一台压缩机对两种或两种以上的制冷剂蒸汽进行压缩，排入冷凝器后高沸点工质在冷凝器中冷凝为液态，低沸点工质仍为气体，通过气液分离器将高沸点液态工质和低沸点气态工质分离开来，并在冷凝蒸发器中通过高沸点工质节流蒸发来实现低沸点工质冷凝，低沸点液态制冷剂节流后进入蒸发器蒸发，获得较低的温度，高、低沸点制冷剂蒸汽一起被吸入压缩机进行循环，从而使高沸点液态工质在相同蒸发压力下获得更低的制冷温度。 可依据所要达到的蒸发温度，进行混合工质的选择。根据分凝级数的不同可分为（1） 单级压缩单级分凝循环（2） 单级压缩多级分凝循环,单级分凝的工作原理,单级压缩单级分凝循环流程图,本
9、图为典型的单级分凝循环的流程。该循环通常使用二元混合工质，但根据要制取的温度，也可以使用多元混合工质。改进：如设置回热器、逆流换热器及分凝器等，使循环性能得到明显提高。,多级分凝的工作原理,单级压缩三级分凝循环原理图,当混合工质组分选择合适时，可以实现一种制冷剂的节流及蒸发，为下一种制冷剂的冷凝提供冷量，直至最低沸点的制冷剂冷凝成液体。多级分凝可提高混合工质的分离效果，制取更低的温度，减小蒸发器温度滑移。可获得90K 以下的低温，一般应用于天然气的液化流程或制取液氮温区的温度。,自复叠系统,特点：制冷循环系统采用单台压缩机，与多级压缩和经典复叠系统相比较，系统结构简单、紧凑，成本较低，而且低温
10、端没有运动部件，性能可靠。应用：由于自动复叠系统具有较大的工作温区, 因此, 无论是在普冷领域还是在半导体工业、低温医学中血浆、疫苗保存及生物领域中遗传酶、培养基、生物标本保存、食品的冷冻储存、气体液化等深冷领域, 都具有比较大的使用价值。,复叠式制冷系统中特有的设备。保证停机后低温级的压力过度升高。连接在低压级压缩机的吸气管上。一般为钢制的封闭筒形承压容器。,膨胀容器,低温系统特有设备,膨胀容器,蒸发冷凝器,蒸发冷凝器的作用是高温制冷剂蒸发使低温制冷剂冷凝, 它既是高温级的蒸发器, 又是低温级的冷凝器。按其结构来分, 蒸发冷凝器主要有3种形式:立式壳管式、立式盘管式和套管式。立式壳管式 结构
11、与一般壳管式冷凝器基本相同。在这种蒸发冷凝器中, 高温级的制冷剂液体在管内吸热蒸发, 低温级的制冷剂蒸气在管外放热冷凝。该蒸发冷凝器的结构简单, 但高温级的制冷剂充注量大, 且液体静压力对蒸发温度的影响较大。,2. 立式盘管式 立式盘管式蒸发冷凝器在圆形的壳体中装有一组套在一起的盘管。当蒸发冷凝器工作时, 高温级制冷剂液体从壳体一侧上端的进液管经分液器分4路进入盘管,吸热蒸发后, 蒸气从该侧下端的出气管引出; 低温级制冷剂蒸气从顶部进气管进入, 在盘管外冷凝后由底部出液管流出。3. 套管式 结构与套管式冷凝器相似, 它2根直径不同的铜管套在一起后弯曲而成。 在这种蒸发器中, 高温级制冷剂在内管
12、中蒸发汽化,低温级制冷剂在内管与外管之间放热冷凝。尽管这种蒸发冷凝器的结构简单, 加工方便, 但其金属消耗量较大, 因此只适用于小型低温设备。,回热器：由于复叠式制冷系统所用的低温制冷剂，蒸发器出来的气体温度与环境温差很大，导致有害过热太大，同时压缩机希望在常温下工作，吸气温度不宜低于-30，为此，要用回热器使吸气过热成为有用过热。,回热器,复叠和自复叠系统的区别及联系,常用低温制冷剂,氨是应用较广的中温制冷工质。沸点为-33.3，凝固点为-77.9。氨具有较好的热力性质和热物理性质，在常温和普通低温范围内压力比较适中。单位容积制冷量大，粘性小，流动阻力小，传热性能好，但排气温度较高。但是氨对
13、人体有较大毒性，具有一定的可燃性。氨含水分时会腐蚀锌、铜、青铜和其他铜合金，只能使用磷青铜。 氨可用于蒸发温度-65以上的制冷机中，以前主要用于大、中型制冷机，现在小型也开始应用。,氨,复叠系统低温级制冷剂,用 R23 作为复叠制冷低温级的替代 工质时, 由于其绝热指数和压比都很大, 容易引起压缩机排气温度上升、 效率降低、 功耗增大, 甚至造成系统内制冷剂和润滑油的分解, 恶化压缩机运转条件, 对整个制冷系统不利。所以在设计系统时, 除了采用对压缩机缸体通冷却水冷却或在压缩机顶部加装散热风扇等措施以外, 还应在低温压缩机排气口设置冷却器, 使气温度降低, 然后再送入冷凝蒸发器, 不但能提高系
14、统的可靠性, 而且减轻了高温子系统的蒸发器负荷,从而减少功耗, 提高 COP。此外，压缩机和润滑油的选择也与R13等制冷剂有所不同。,R23,对 R23 和 R508B , 综合比较其制冷量和能效比的性能可知, R508B 的性能优于 R23 ,尤其重要的是, 在相同工况下， R508B 的排气温度较R23低得多，并且在压缩机容许的安全运行排气温度范围内, 这对保证润滑油的润滑性能和延长压缩寿命方面非常有利。,R508B(R23/R116),CO2,CO2是一种天然制冷剂，它不破坏臭氧层，温室效应指数为1，对环境友好。其单位容积制冷量大，运动粘度低，使系统结构紧凑、运行维护简单，具有良好的经济
15、性能。它的化学性能稳定，安全无毒不可燃，适用于各种润滑油常用机械零部件材料。CO2制冷循环的压缩比要比常规制冷剂的低，因而压缩机的容积效率可以维持在较高的水平。由于其临界温度较低，在制冷工况时，宜采用跨临界循环方式。但CO2作为制冷剂其主要缺点是运行压力较高和循环效率较低。目前CO2在汽车空调和复叠式循环应用比较好。在汽车空调中它的跨临界循环排气温度高、气体冷却器的换热性能好，适应于汽车空调恶劣的工作环境。在复叠式制冷系统中用作低温级制冷工质。与NH3两级压缩系统相比，低温级采用CO2，其压缩机体积减小到原来的十分之一，CO2环路可达-45-50的低温。,碳氢化合物制冷剂,碳氢化合物的优点是ODP为0，GWP很小，常用的有烷烃类和烯烃类制冷剂。其主要问题是易燃易爆性，使用时低压侧应保持正压或将系统严格密封。丙烯R1270的制冷温度范围与R22相当，可用于两级压缩制冷装置，也可以用作复叠式制冷装置的高温部分制冷剂。乙烷R170、乙烯R1150的制冷温度范围与R13相当，只在复叠式制冷系统的低温部分使用。甲烷R50可以与乙烯、氨（或丙烷）组成三元复叠制冷系统，获得-150左右的低温，用于天然气液化装置。丙烷R290一般不用作纯质制冷剂，它常常用作混合制冷工质一部分,
