实现超低温度

两级往复式压缩机专为广泛的应用范围设计

凭借:Phil Boudreau

在制冷行业中的注意力最近转向超低的温度制冷和它可能存在的挑战。根据Ashrae,超低温度制冷包括在-50°C(-58°F)和-100°C(-148°F)之间的制冷温度。一些应用包括石油化工,药品和其他专业过程的调理和加工。

单级蒸汽压缩系统可以将蒸发温度降至约-43°C(-45°F)。吸入压力和放电温度是两个限制因素,防止在较低温度下使用这些系统。

在较低温度下,饱和压力可能低于大气压。如果发生泄漏,将吸入系统中的污染物。系统总是无泄漏是非常重要的,以防止空气和水分进入。在半密封压缩机中的电动机中的真空中的操作也是危险的。这样做通常会导致永久的运动损坏。

单身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℃(-45°F)饱和吸入温度SST和约120°F(49℃)饱和排出温度SDT的操作条件。随着压缩比增加,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个千克或磅的制冷剂的体积增加。其次,压缩后残留在活塞上方的高压蒸汽将重新膨胀,防止吸气进入圆柱体,直到蒸汽再次膨胀到汽缸压力略低于吸入管线压力的点。在更高的压缩比下,放电温度主要是由于蒸汽的再膨胀和压缩热的再膨胀而增加。如果放电温度过高,这将导致润滑剂失效,压缩机过热和加速磨损。

当涉及到低于标准单级制冷循环的限制的温度时,需要两个或更多个额外的压缩阶段。

 

两阶段选择

支撑两阶段压缩的一种方法是使用单个压缩机,该压缩机将一些气缸推向低级,并使其他气缸致力于高级。尽管这种类型的压缩机有时被称为内部复合压缩机,但是通常称为两级压缩机。

使用两级压缩机时,两个阶段必须相同。这呈现了涉及单个压缩机的两级压缩过程的挑战。为了在超低温度范围内提供制冷,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,以便操作降至62.2°C(-80°F)。然而,在该SST,吸入压力仅为6.06psia或12.3英寸,当然是在真空中。

当然,最好保持高于大气压的吸入压力。这是用单级半密封压缩机的强制性要求,但不具有两级半密封压缩机。如果两级压缩机将在真空中运行,则系统无泄漏的情况变得更加迫切。

在两级半气密压缩机中,电动机在中间压力下冷却。在乘以一起的六缸压缩机的中间压力大致等于绝对抽吸和排出压力的平方根。例如,通过20psia吸入和325psia放电,级定压力为约3(20×325)或80.6psia。这对应于-2.4°C(27.7°F),R404a。然而,较小的四缸压缩机,中间压力可能甚至更低。

由于两级压缩机内部的直接分期,高吸压可能在下拉期间过度压缩机。簧片阀门可以在高吸气压力下长时间操作损坏。因此,两级压缩机通常需要某种形式的吸力调节。

为了避免在下部SST的真空中操作,必须将压缩过程分成两个阶段,每个阶段使用不同的制冷剂类型。在这种情况下,高级系统通常与具有相似的压力 - 温度特性的R404a,R507a,R448a,R449a,R407a / f或其他制冷剂一起操作。高级通常在类似于用于食物储存的低温冰箱的条件下运行。然而,在低阶段中使用的制冷剂将是给定温度的饱和压力值较高的制冷剂。这里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

低级中使用的制冷剂的一个例子是R508B。请注意,在0 psig或14.7psia,R508b的饱和温度为-87.2°C(-124.9°F)。因此,可以使用诸如R508b的制冷剂来实现一些非常低的SST。

然而,在单级压缩机中使用高压制冷剂如R508B,必须联系压缩机制造商以获取建议和指导。这是为了确保压缩机适合应用。如果压缩机制造商授权使用制冷剂的使用,它们还可以提供其他建议,例如在下拉期间限制吸力压力,并且在静止期间限制吸入压力,将吸入温度保持在一定限度,推荐润滑剂和控制策略,以少数。

当级联系统未运行时,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。因此,如果环境温度为25°C(77°F),则R508B的压力将显着增加并且甚至将超过制冷剂的临界压力。在这种情况下,需要设计低级以承受这些高压,或者必须使用淡出容器。淡出容器只是一种蒸汽储存罐,尺寸允许系统的体积在必要时增加。在启动时,需要有一些控制下拉,因此低级压缩机不会过载。

如果系统保持相对大量的制冷剂,则甚至可能需要使用小待机冷凝单元,以便在低级接收器中的形式重新达到蒸汽。这有效地降低了低阶段内的压力。冷凝单元可以简单地基于低阶段中制冷剂的压力循环。

级联热交换器以板式,管 - 管或其他类型的形式用于将来自低级冷凝器的热量转移到高级蒸发器。该逆流热交换器必须尺寸尺寸,以允许低侧的下拉,并且用于馈送梯级热交换器的蒸发器侧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,将高级升起并首先运行,因此良好的散热器可用于低级。一旦高级吸入压力降低到足够低的值,就可以通电低级。低级也可能还需要具有某种形式的吸力调节。这是为了防止压缩机包络外的操作,这可能导致压缩机过载。

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