-80 C 低温冰柜的系统设计卞荷洁 谷波(上海交通大学 制冷与低温工程研究所 上海 200030)摘 要 进行了-80 C 的低温冷柜的设计计算,该低温冰柜采用自然复叠制冷循环,采用R22/R14混合工质。

文中涉及了蒸发器、冷凝器、冷凝蒸发器、中间换热器、毛细管和压缩机的设计计算。

这种自然复叠式低温冷柜结构简单,在低温医学等方面有较好的应用。

主题词 自然复叠 低温冰柜 系统设计1 引言自然复叠制冷系统是一种采用多元混合工质的制冷系统,通过单台压缩机,自然分离,多次复叠的方法,在高低沸点组分间实现复叠,实现要求的制取低温的目的。

对自然复叠制冷的研究最早开始于1959年,当时前苏联气体研究所的A.P.Klimeemko 教授采用碳氢化合物作制冷剂,用该系统液化天然气。

接下来,1959年Smith 和Kennedy 也论述了此种系统,他们采用R12和R115制冷剂的混合物,并在传统复叠冷凝前加了制冷分馏冷凝器。

1965年,Fuderer 应用与Podbielniak 类似的原理获得了美国专利。

到了20世纪80年代,由于国际社会对能源、环保的重视,随着对混合工质研究的深入,各国科学工作者展开了对自然复叠制冷系统的研究,美国RE VCO 公司利用自然复叠循环的原理研制出-150 C 的低温冰箱。

由于自然复叠制冷系统具有比较大的工作温区,无论是在普冷领域还是在低温电子、低温医学中的血液、器官保存、食品的冷冻干燥、气体液化等低温领域,都具有比较大的实用价值。

我国的一些科研单位、大学和医院陆续进口了这种低温冰箱。

随着我国制冷工业的不断发展,目前已有企业开始研发该种制冷系统,因而现在对该系统的研究和应用意义较大。

2 系统的基本构成自然复叠制冷是在传统制冷系统的基础上,增加了气液分离器、中间换热器和冷凝蒸发器,从而区别于传统制冷系统,可以通过单台压缩机,完成不同沸点组分的分离复叠。

它的简单系统循环过程如下:当制冷从压缩机A 排出后,经过干燥过滤器,进入冷凝器B,通过换热器G 1。

由于制冷剂的二元组分的沸点不同,在冷凝器B 和换热器G 1中制冷剂中的大部分高沸点组分被冷2003年第2期低 温 工 程No 2 2003总第132期C RYOGENICSSum No 132本文于2003年1月6日收到。

卞荷洁,女,24岁,硕士生。

凝成液体,而大部分低沸点组分仍然保持蒸气状态。

制冷剂从换热器G 1出来后进入气液分离器D,在气液分离器中制冷剂分为主要成分为高沸点组分的液体和主要成分为低沸点组分的蒸气,其中液体部分经储液器C 1和节流阀J 1后,和蒸气部分在蒸发冷凝器E 中进行了热交换。

主要成分为低沸点的组分的蒸气被冷凝为液体后,经储液器C 2、换热器G 2和节流阀J 2,进入蒸发器F 进行蒸发制冷。

最后,从蒸发器出来的低沸点组分经过换热器G 2与从冷凝蒸发器出来的高沸点组分混合后进入压缩机,从而完成整个循环。

从该循环的工作原理可以看出,制冷的高沸点组分作为循环的高温制冷剂,制冷剂的低沸点组分作为循环的低温制冷剂,两者在气液分离器中分离,在循环中实现复叠。

制冷剂的高沸点组分在冷凝器中冷凝液化,低沸点组分在冷凝蒸发器中冷凝,由高沸点组分的蒸发吸热为其提供冷量。

最后进入蒸发器中蒸发制取低温的是低沸点组分,这就是自然复叠循环中的多级复叠,自然分离。

一般二级自然复叠可以制取-80 C 的低温。

要得到-180 C 的低温从理论上讲要四级自然复叠。

显然,自然复叠制冷系统只有一个压缩机,其他均为非运动部件,简单可靠,彻底避免了多级复叠制冷系统必须用多个压缩机的缺点,使系统启动程序和运行控制大为简化,并提高了制冷效率。

图1 制冷系统结构图A 压缩机;B 冷凝器;C 1,C 2 储液器;D 气液分离器;E 冷凝蒸发器;F 蒸发器;G 1,G 2 热交换器;J 1,J 2 节流阀。

为达到要求的低温,该次设计使用的工质是R22和R14,冲注时混合工质的组分是:R22为70%,R14为30%。

设定整个冰柜所需的制冷量为80W 。

压缩机的高低工作压力分是2000kPa,150kPa 。

冷凝温度在40 C,设计要求冰柜内温度恒定在-80 C,由于使用空气自然对流换热,所以基本上定蒸发温度为-86 C,吸气温度为-5 C,同时保证进行压缩机的是气态工质。

3 蒸发器和冷凝器的设计3 1 蒸发器的设计采用自然对流直接蒸发式表面空气冷却器,在-86 C 的蒸发温度下,冰柜内保持的温度为-80 C,假设空气为理想气体。

55第2期-80 C 低温冰柜的系统设计表1 系统的状态点状态点压力/kPa 温度/ C 焓/(kJ/kg)熵/[kJ/(kg K)]干度0150-90295 11 7470 81891150-84303 21 7910 83803150-50375 814150-47 2285 71 5140 58965150-5407 22 036162000118 69460 92 03617200032389 71 7540 8662820000268 61 3410 26348 20000393 21 91318 20000201 91 009092000-54 28304 310150-39 60160 60 8520 015611150-32 92223 51 1230 2812122000-70231 71 225(1)空气自然对流换热的计算Q 0=80W (只考虑显热换热值)取空气侧传热温差 t =5 C 平均换热温度 t m =-82 5 C 冰柜的深度为 l =70cm 空气侧的换热系数= c(Gr Pr )nl=6 24W/(m 2 C)(1)式中 G r 葛拉晓夫数 G r =g tl 3v 2;Pr 普朗特数。

(2)制冷剂在水平光管内蒸发换热系数选用紫铜管为 8mm 0 5mmK =1(1 1+1 +)=6 14W/(m 2 C)(2)图2 蒸发器的基本布局图管内制冷与管壁间的温差 t 1=0 5 C(3)换热面积F 1和蒸发管管长lF 1=Q K t 1(3)l =F 1d i=18 5m (4)所用蒸发管管长为18 5m 。

蒸发器的基本布局见图2。

3 2 冷凝器的设计(1)Q K =G (h 6-h 7)=1 72W (5)(2)风冷冷凝器以外表面为基准的传热系数K of 采用强制对流套片管冷凝器,冷凝器选择叉排肋片管布置,见图3。

管内冷凝热换系数计算如下:k =0 683 r 0 25sB m (t k -t m )-0 25d -0 25i=11639kJ/(m 2 C)(6)56低 温 工 程2003年图3 冷凝器叉排肋片管布置图空气侧当量换热系数计算如下:光管的换热系数:=15 5w 0 578kcal/(m 2h C)=49 49W/(m 2C) (7)式中 w =s f s i /((s f - )(s i -d b )) w y =5 708m/s (8)翅片管的当量放热系数:cq =f +f f +f bf t=46 67W/(m 2 C)(9)则K =1( k+1 eq +r w )=35 14W/(m 2 C)(10)冷凝器平均传热温差 t m ;t m =(t k -t 1)-(t k -t 2)ln t k -t 1t k -t2=7 2 C (11)(3)空气的体积流量:V a =Q k v 1c p (t 2-t 1)=0 3m 3/s(12)(4)传热面积F t 和肋片管的总长L传热面积:F t =Q k K of t m=6 798m2(13)肋片管总长:L =F tf t=11 94m (14)(5)空气流动阻力 p :p =9 81 A L d eq( w )1 7=46 28Pa (15)(6)风机的选取:根据上面冷凝器的设计计算所需要的风量和风压,选用200FZL 04型轴流风机2台,它的系统参数是:电压220V,频率50Hz,输入功率50W,转速2700r/min,风量540m 3/h,风压 58 8Pa,叶轮直径200mm 。

4 冷凝蒸发器的设计计算冷凝蒸发器采用套管式换热器,内外有机蒸气分别在冷凝和蒸发。

冷凝蒸发器中的换热量Q 1:Q 1=G 2 (h 11-h 10)=897 2W换热面积为F 1=Q 1K 1 t=0 07177m 257第2期-80 C 低温冰柜的系统设计式中 K 1=3500W/(m 2 C),传热温差 t =4 7 C 。

套管式换热器的布置采用逆流形式。

内部为紫铜管采用 10m m 0 5mm 。

外部用 28mm 2mm 钢管套。

所用紫铜管的长度:l =F 1d i=2 54m 图4 冷凝蒸发器盘管冷凝蒸发器结构如图4。

5 中间换热器的计算5 1 中间换热器G 1采用套管式换热器,逆流布置,内部紫铜管采用 12mm 0 5mm,d i =0 011mm,外部用 32mm 2mm 钢管套。

传热温差为 t =5 C 。

传热面积:(K =3000W/(m 2C))F =Q G 1K t =0 1953m 2 换热管长度:l =Fd i=5 65m 把套管式换热器盘成螺旋椭圆柱形。

盘管弯头直径D =30cm,中间部分长度L =50cm,则一圈的周长为s = D +2 L =1 94m(16)图5 换热器G 1布置图 圈数 n =3圈盘管的高度h =(n +1) 32=0 128m 布置图如图5。

5 2 中间换热器G 2G 2中的换热量 Q G 2=G (h 3-h 1)=716 6W同理采用套管式换热器,内外有蒸气分别在冷凝和蒸发。

逆流布置,内部紫铜管采用 10mm 0 5mm 。

外部用 28m m 2mm 钢管套。

传热温差为 t =5 0 C,换热系数K =2500W/(m 2 C)F =QG 2K t =0 057m 2l =Fd i=2 03m 所以,所用紫铜管的长度为2 03m 。

把套管式换热器盘成螺旋圆柱形,它的结构图与蒸发冷凝器的一致,只有高度的变化。

6 节流装置的估算和选配按照蒸发冷凝器的设计特点,采用一根毛细管,不进行分路,取毛细管的管径为:d i =0 8mm 。

根据8 点的状态知道,毛细管进口为过冷状态,则对于进口为过冷情况的绝热毛58低 温 工 程2003年细管特性有:m =1 893p 1 369i n (l cap /D 5 93)-0 484(c pf T sc )0 019h -0 824fgv 0773g ( f - g g)0 265v -0 532f-0128f (17)式中 h fg ,c pf , t sc 分别表示汽化潜热,液体比热和进口过冷度。

由上式,可求得L c apl =12 06m,L cap2=8 37m 。