实现超低温

两级往复式压缩机设计用于广泛的应用范围

创建人:Phil Boudreau

制冷行业最近已将注意力转向超低温制冷及其带来的挑战。根据ASHRAE,超低温制冷包括-50°C(-58°F)至-100°C(-148°F)的制冷温度。一些应用包括石化产品,药品和其他专门过程的调节和处理。

单级蒸气压缩系统可产生低至约-43°C(-45°F)的蒸发温度。吸气压力和排气温度是两个限制因素,它们阻止在较低温度下使用这些系统。

在较低的温度下,饱和压力可能低于大气压。万一发生泄漏,污染物将被吸入系统。始终保持系统无泄漏以防止空气和湿气进入非常重要。真空运行对于半封闭压缩机中的电机也很危险。这样做通常会导致永久性的电机损坏。

单级压缩机中压缩比的近似上限为20:1。这对应于使用R404A制冷剂的-43°C(-45°F)饱和吸入温度SST和大约120°F(49°C)饱和排放温度SDT的运行条件。随着压缩比的增加,质量流量减小。

有两个原因。首先,在较低压力下,返回压缩机的每千克或磅制冷剂的体积增加。其次,压缩后残留在活塞上方的高压蒸气将重新膨胀,从而防止吸入气体进入气缸,直到蒸气再次膨胀到气缸压力略低于吸入管线压力的程度。在较高的压缩比下,排放温度升高主要是由于蒸汽的再膨胀和较高的压缩热。如果排气温度过高,将导致润滑剂故障,压缩机过热和加速磨损。

当达到低于标准单级制冷循环极限的温度时,需要两个或更多附加压缩级。

 

两阶段选项

支持两级压缩的一种方法是使用单个压缩机,该压缩机将某些气缸专用于低级,而将其他气缸专用于高级。尽管有时将这种类型的压缩机称为内部复合压缩机,但通常将其称为两级压缩机。

使用两级压缩机时,两级的制冷剂类型必须相同。这对于涉及单个压缩机的两级压缩过程提出了挑战。为了在超低温范围内提供制冷,蒸发器和吸入管线将在真空中运行。例如,基于43.3°C(110°F)的SDT,可以批准两级压缩机在低于SST 62.2°C(-80°F)的条件下运行。但是,在此SST下,吸气压力仅为6.06 psia或12.3 in。Hg,这当然是在真空中。

当然,始终最好保持吸气压力高于大气压。这对于单级半封闭式压缩机是强制性要求,而对于两级半封闭式压缩机则不是强制性要求。如果两级压缩机将在真空中运行,则必须确保系统无泄漏。

在两级半封闭式压缩机中,电动机在中间压力下冷却。某些六缸压缩机的中间压力在乘在一起后大约等于绝对吸气和排气压力的平方根。例如,在20 psia的吸力和325 psia的压力下,级间压力将约为3(20 x 325)或80.6 psia。 R404A对应于-2.4°C(27.7°F)。然而,对于较小的四缸压缩机,中间压力可能会更低。

由于两级压缩机内部是直接分级的,因此高吸气压力可能会在下拉期间使压缩机过载。在高吸入压力下长时间操作会损坏簧片阀。因此,两级压缩机通常需要某种形式的吸气压力调节。

为了避免在较低的SST下在真空中运行,有必要将压缩过程分为两个阶段,每个阶段使用不同的制冷剂类型。在这种情况下,高级系统通常将使用R404A,R507A,R448A,R449A,R407A / F或具有类似压力-温度特性的其他制冷剂运行。高端通常将在类似于用于食物存储的低温冷冻机的条件下操作。但是,在给定温度下,低级使用的制冷剂将是具有较高饱和压力值的制冷剂。此处描述的系统类型通常称为级联系统。

 

单级压缩机中的高压制冷剂

在低级中使用的制冷剂的一个例子是R508B。请注意,在0 psig或14.7 psia时,R508B的饱和温度为-87.2°C(-124.9°F)。因此,使用诸如R508B之类的制冷剂可以实现一些非常低的SST。

但是,在单级压缩机中使用高压制冷剂(例如R508B)之前,必须联系压缩机制造商以寻求建议和指导。这是为了确保压缩机适合该应用。如果压缩机制造商授权使用制冷剂,他们还可以提供其他建议,例如在下拉和停止期间限制吸气压力,将吸气温度保持在一定极限以上,推荐润滑剂和控制策略等。

当级联系统不运行时,系统内的压力将增加,直到饱和温度等于平均设备环境温度为止。因此,如果环境温度为25°C(77°F),R508B的压力将显着增加,甚至会超过制冷剂的临界压力。在这种情况下,需要将低压段设计为承受这些高压,或者必须使用淡出容器。淡出容器只是一个储气罐,其尺寸可在必要时增加系统的体积。在启动时,需要对下拉进行一些控制,以使低级压缩机不过载。

如果系统中存有相对大量的制冷剂,则甚至有必要使用小型备用冷凝单元在低级接收器形成时对蒸气进行冷凝。这有效地降低了低压级内部的压力。冷凝单元可以基于低级制冷剂的压力简单地循环。

板式,管内式或其他形式的级联热交换器用于将热量从低级冷凝器传递到高级蒸发器。该逆流热交换器的尺寸必须允许低端下拉,并且用于向级联热交换器的蒸发器侧供料的计量装置必须能够保持非常稳定的过热。

在系统启动期间,重要的是首先启动并运行高电平,因此对于低电平可用一个良好的散热器。一旦高级吸气压力降低到足够低的值,便可以为低级供气。低级也可能还需要某种形式的吸气压力调节。这是为了防止在压缩机外壳外运行,否则可能导致压缩机过载。

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