船用二氧化碳制冷装置形式及制冷剂

【摘 要】随着船用制冷剂的发展，二氧化碳制冷装置越来越重要。本文阐述了船用制冷系统的基本形式和二氧化碳制冷系统模型，论述了二氧化碳的临界区域界定和二氧化碳制冷性能，最终详细说明二氧化碳制冷在二氧化碳液化系统中的应用。

【关键词】二氧化碳 制冷系统制冷剂 应用

中图分类号：TQ116.3 文献标识码：A 文章编号：

一．引言

目前，随着时代的进步与环境因素的增加，二氧化碳是一种污染性较少的制冷剂，属于自然制冷。可是任然存在着一些问题，于是对船用二氧化碳制冷展开一系列的讨论。

二．船用制冷系统的基本形式

船用制冷系统大部分是采用以氟利昂工质为制冷剂的蒸汽压缩式制冷方式.其蒸发温度取决于制冷的目的和环境要求,货舱内维持的温度和相对湿度如表1所示.而船用制冷机的冷却器可采用舷外水作为冷却剂,与空气冷却相比,其换热系数更高、体积重量更小.对于不同的海域,海水的夏季计算温度不同.一般情况下对于我国海域,东海与南海夏季计算温度为25e,渤海与黄海的夏季计算温度为20e.

三.二氧化碳制冷系统模型

1.节流阀模型:计算时考虑采用手动减压阀连续调节高压侧压力,阀的开度可调节到使高压侧压力达到给定值,这时节流装置流量与压缩机流量相同,因此可以简单地将节流过程看作一个等焓过程,不再建立模型。

2.系统算法与程序流程图系统中有储液器(兼作气液分离器),假定储液器绝热,储液器出口制冷剂是饱和蒸汽,可认为在稳态运行时蒸发器出口制冷剂也为饱和蒸汽,故模型中不考虑储液器。计算时以蒸发器出口制冷剂饱和作为已知条件。通常情况下,蒸发器过热区换热量很小,过热带来的误差可忽略不计。经分析计算,气体冷却器、蒸发器和回热器中压力损失与系统的运行压力相比很小,计算时认为这些压降变化对换热和系统性能影响很小。

四．二氧化碳临界区域的界定

一般认为,由于较低的临界温度(31.1e),二氧化碳的理论制冷循环可分为以下3种.1)亚临界循环.如图1所示,工质循环完全在低于临界压力和临界温度下进行,换热过程主要靠潜热来完成.20世纪初期多采用亚临界循环.

2)临界循环.如图2中的1-2-3-4-1和1.-2.-3.-4.-1.过程所示,蒸发过程在低于临界状态下利用潜热进行,而工质的冷却过程在高于临界状态下依靠显热进行,故这里换热器不再称为冷凝器,而称为冷却器.

3)超临界循环.如图2中的10-20-30-40-10过程所示,整个循环过程位于临界点以上,没有相变,实际为气体循环.仅在原子能发电时采用,车船制冷则不使用。

由于CO2临界温度很低,当冷却水温度较高(接近30 e)时,制冷能力急剧下降,功耗增大,经济性受到严重影响.故虽然各海域温度情况不同,都应采用跨临界循环.但跨临界循环的区域没有给出具体的界定,这为冷却系统的工作范围带来模糊性。

通常人们把物质的换热分为4个换热区:气体区、液体区、两相区和临界区.临界区很难确切地分界,原因是不同流体的现有物性参数仍嫌不足,且近临界区的物性影响将扩大到相邻各区,并取决于到达给定状态的过程.尽管如此,按热力学状态区分传热特性还是很可取的,基本趋向于将临界区取作:压力0.8< p/pc

五．二氧化碳制冷性能

1.实践装置与原理：实验装置主要由设备舱、人员舱、开放式制冷系统及数据采集系统组成。设备舱用于存放高压二氧化碳储罐,在设备舱内设有加热器,控制舱内温度维持在某一恒定温度,以模拟二氧化碳的各种存储工况。人员舱安装一定数量的灯泡,用来模拟人员热负荷及舱体结构热负荷。开放式制冷系统用来对高压二氧化碳进行制冷特性研究,数据采集系统主要用来记录和收集实验结果。

2.制冷原理二氧化碳制冷系统可分为闭式系统和开式系统两大类。闭式系统是指二氧化碳依次流经压缩机、冷凝器、节流机构及蒸发器这4大部件,再回到压缩机的循环系统;开式系统直接通过节流机构将二氧化碳节流成中压低温的液体,再进入蒸发器蒸发制冷,最终排放于环境的制冷系统。开式系统主要应用在无电力供应的制冷环境中。

3.制冷系统：制冷系统由高压二氧化碳储罐、减压阀、蒸发盘管、温度压力传感器及管道阀门配件组成。为了增强节流效果,减少节流前的闪发,在节流阀前增加预冷器。蒸发盘管通过辐射换热及对流换热的方式与舱内空气进行热量交换,为了充分利用二氧化碳的冷量同时减少流阻,在一级蒸发盘管之后并联两个等面积的二级蒸发盘管。高压储罐的净体积为40 L,标准充装质量为18 kg,6个罐体并联。系统布置及温度压力测点的位置如图1所示。温度传感器采用pt100,通过ADAM4015采集。压力变送器根据布置的位置不同,量程分别为5×105～100×105Pa不等,压力信号通过ADAM4017采集。

六.二氧化碳制冷在CO2液化系统中的应用

二氧化碳低温液化系统简介：CO2作为产品广泛应用于化工生产、食品保鲜、饮料等行业中。在工业生产的一些环节(如发酵过程)产生的副产CO2一般都采用低温液化方法加以回收储存。低温液化的冷源过去一般都采用R22或R502制冷系统。液化系统流程如图8所示。

图中,来自生产过程的CO2气体(约0.13MPa)经过洗涤、过滤后压缩到1.6MPa左右,经过干燥处理后冷凝放热成为液体储存起来。液体二氧化碳温度在-20℃～-25℃之间。CO2凝结过程放出的热量在冷凝蒸发器中被R502制冷系统吸收。因此, R502制冷系统的蒸发温度通常要维持在-25℃以下。由此可见, R502制冷系统成为CO2液化储存的关键设备。随着R502的淘汰,用安全无害的工质替代R502就显得非常重要。在CO2液化系统应用场合,由于CO2本身作为产品.来源非常广泛。若将CO2作为制冷工质为其本身液化工作,在操作维护、工质充注等方面都具有优势。为此,构成新的液化系统如图9所示。来自发酵过程的气体二氧化碳经洗涤干燥器1后由压缩机2升高压力,然后在冷凝蒸发器中与低温的制冷工质混合,进而降温液化。图9中,作为制冷工质的CO2经过节流后,与气态CO2直接混合,可以减小传热温差,提高能量利用率。

2.二氧化碳低温液化系统应用：CO2制冷的性能分析由于CO2临界温度较低,冷却介质无法一直保持CO2冷凝温度在临界点以下。为此,考虑了两种应用方案,分别考虑了亚临界循环和跨临界循环的特点。第一种方案采用单级亚临界制冷循环,适用于冷却介质温度较低的场合。第二种方案采用单级跨临界制冷循环,但将其过冷到临界温度以下再节流膨胀。这两种情况下的液化功耗与采用R502时的液化功耗比较如图10所示。由该图可见,当蒸发温度为-11℃时,液化的功耗基本相等。因此,在功耗相同的情况下,用CO2制冷完全取代了R502制冷系统。由于制冷系统与液化产品都采用了单一工质CO2,而且由于CO2压缩机的尺寸紧凑, CO2无油压缩技术也非常成熟,因此在应用上、运行上、操作维护上都很方便。特别是在本应用实例中,所选蒸发温度比较适合于发挥CO2制冷的优势。

七.结束语

总之，本文根据船用二氧化碳制冷系统的基本形式和一系列的讨论，从中确定了二氧化碳制冷在二氧化碳液化系统中的应用。进一步加深了解船用二氧化碳制冷装置及制冷剂，对其探究很有必要的。

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