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R22制冷系统改造成R22/CO2载冷系统的可行性分析

发表日期:2020/6/16 15:22:09 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

近年来,采用自然工质作为制冷剂的呼声越来越高,前国际制冷学会主席洛伦茨甚至评价R744 (CO2)为一种很理想的制冷剂。影响CO2在制冷领域应用的因素是其临界温度低,常温(20 ℃)下饱和压力高达5.7 MPa(是R22的6倍多)。但是CO2作为低温载冷剂使用,既能够使压力降低到合理的范围,又能够充分发挥优良的迁移性能和减小系统容积。国内学者对CO2作为低温载冷剂进行了很多研究,在国外,CO2作为低温载冷剂在冷库行业已经得到了实际应用。

对于立体库制冷系统,因管道长,高差大,为了保证制冷效果,需要采用泵供液方式。当前,R22制冷系统已经在冷冻冷藏行业得到成熟应用,但是系统制冷剂充注量大,泄漏量比常规制冷剂直膨系统大,导致后期系统维护成本增大。压缩机组和冷凝器在制冷系统成本中所占比重很高。笔者针对一个具体案例,分析在不改变压缩机组和冷凝器的前提下,将原R22制冷系统改造成R22/CO2载冷系统,从冷风机换热效率、管材使用量、循环泵流量和功率、制冷剂充注量、系统能效和成本等方面分析2个系统的差异,为项目改造提供参考。

1  系统介绍

1.1  R22制冷系统

冷库建筑为立体库,高24 m,设计温度为-18~-20  ℃,蒸发温度为-30  ℃,制冷量要求为550 kW。采用12台冷风机,融霜方式为水冲霜。制冷管道最长为190 m,其中高差为26 m,R22循环泵供液,循环倍率为2.5,扬程为45 m,桶泵撬块设置2台R22循环泵(一用一备)。低压循环桶容积为4 m3,贮液器容积为2.5 m3。压缩机组采用型号为LCU-3600KVSMPJ-S的变频螺杆式模块机,冷凝器型号为CVX-296。制冷系统流程如图1所示。系统电气控制采用PLC控制。


图1  R22制冷系统流程图

1.2  R22/CO2载冷系统

将原R22制冷系统改造成R22/CO2载冷系统,利用CO2相变载冷,压缩机组和冷凝器不变,R22/CO2冷凝蒸发器采用板壳式换热器,CO2在板片内冷凝,R22在壳侧蒸发。CO2冷风机也采用泵供液,关于CO2循环倍率,有文献推荐1.1~2.0,笔者取值2.0,R22/CO2载冷系统流程如图2所示。系统电气控制采用PLC控制。


图2  R22/CO2载冷系统流程图

2  计算和分析

2.1  确定R22/CO2载冷系统蒸发温度和冷凝蒸发器换热温差

压缩机组由3台额定轴功率为120 hp的低温双级变频螺杆式压缩机(LCU-1200KVSPJ-S)并联组成,LCU-1200KVSPJ-S制冷量、输入功率和COP与蒸发温度对应关系见表1。

表1  LCU-1200KVSPJ-S制冷量、输入功率和COP与蒸发温度对应关系


若R22蒸发温度设定为-33.5  ℃,采用线性插值算法反推,此时1台压缩机制冷量为184.7 kW,输入功率为101.2 kW,3台压缩机总制冷量为554.1 kW,总输入功率为303.6  kW,满足制冷量的要求(550 kW)。R22和CO2的换热温差一般为3~5  ℃,从表2可看出,冷凝蒸发器换热温差为4.0  ℃时,冷风机和冷凝蒸发器的总成本是最低的。故CO2蒸发温度设为-29.5  ℃,则CO2蒸发温度与冷间温度差为9.5  ℃。

表2  冷风机和冷凝蒸发器总成本与冷凝蒸发器换热温差对应关系


2.2  蒸发器换热面积和换热系数

R22制冷系统和R22/CO2载冷系统都是利用相变换热,不同之处是,R22蒸发温度与冷间温度之差为10  ℃,CO2蒸发温度与冷间温度差为9.5  ℃。

冷间需求总制冷量为550 kW,共12台冷风机,每台冷风机的制冷量为45.8 kW。冷风机结霜厚度取2 mm,R22的循环倍率为2.5,CO2的循环倍率为2.0,计算结果如表3所示。

表3  R22冷风机与CO2冷风机换热系数对比


2.3  机房外制冷管道用量

R22制冷系统管道采用20#无缝钢管,CO2制冷管道选用16MnDG,耐低温最低可到-45  ℃。从表4可看出,CO2供液管道与R22制冷系统相差不大,但是,回气主管管径约为R22制冷系统回气主管管径的40%。主要原因是CO2气体密度大,-29.5  ℃的CO2饱和气体密度是-30  ℃的R22饱和气体密度的5倍。R22/CO2载冷系统管道用量比R22制冷系统减少60.3%。

表4  R22制冷系统与R22/CO2载冷系统机房外管道用量对比

2.4  循环泵流量和功耗

泵的体积流量和功耗按如下公式计算:



式(1)(2)中:N 为泵的功耗(kW);L 为泵的体积流量(m3/h);H 为泵的扬程(m);ρ 为R22或CO2的密度(kg/m3);η 为泵效率,取0.4;G 为质量流量(kg/h)。

R22泵的扬程为45 m,CO2泵的扬程为40 m。设计条件下泵的体积流量和扬程计算结果如表5所示,CO2泵的体积流量比R22泵小22.3%,CO2泵的功耗比R22泵小46.3%。

表5  设计条件下R22制冷系统与R22/CO2载冷系统泵的体积流量和功耗对比


2.5  低压循环桶/循环桶容积

R22制冷系统低压循环桶与R22/CO2载冷系统循环桶的作用相同,都是把制冷剂的气相和液相分离,保证压缩机的干压缩,唯一的区别是,R22制冷系统是采用泵循环,循环倍率为2.5,回气管含液量大,R22/CO2载冷系统中R22供液是重力循环,冷凝蒸发器厂家建议R22循环倍率为1.3,回气管的带液量很小。低压循环桶/循环桶容积计算如下:

式(3)中:V 为低压循环桶/循环桶容积(m3);L 为系统循环的制冷剂体积流量(m3/h);t 为制冷剂循环时间(h),R22制冷系统和R22/CO2载冷系统均取0.25 h。

R22制冷系统的R22制冷剂体积流量为15.7 m3/h,R22/CO2载冷系统的R22制冷剂体积流量为8 m3/h。计算得到R22制冷系统的低压循环桶容积经取整后为4.0 m3,R22/CO2载冷系统的循环桶容积为2.0 m3

2.6  R22制冷剂充注量

R22制冷系统正常运行时,贮液器的存液量为30%,R22低压循环桶为40%,冷凝器为15%,蒸发器为50%,液管为100%,回气管为40%。

对于R22/CO2载冷系统,R22只存在于冷凝器、冷凝器到压缩机组的管道和压缩机组到冷凝蒸发器的管道,所以R22贮液器可采用原来的贮液器(存液量30%),冷凝蒸发器采用满液式换热,R22循环桶的液位只要25%即可,冷凝蒸发器存在约0.2 m3的R22液体。

2种系统的R22充注量计算结果如表6所示,R22/CO2载冷系统的R22充注量比R22制冷系统减少68.5%。

表6  R22制冷系统与R22/CO2载冷系统R22充注量对比

2.7  系统能效比EER

根据表1,压缩机组在蒸发温度为-30 ℃时的COP为2.10,制冷量550 kW对应的功耗为261.9 kW,冷凝器水泵和风机总功耗为26.0 kW,系统能效比计算结果如表7所示。

表7  R22制冷系统与R22/CO2载冷系统能效比对比


R22/CO2载冷系统能效比较R22制冷系统下降了9.6%,主要原因是压缩机组的蒸发温度比原R22制冷系统低3.5  ℃,使得压缩机组功耗从261.9 kW增加到303.6 kW,压缩机组功耗增加了15.9%。

2.8  R22/CO2载冷系统的压力控制

在相同的温度下,CO2的饱和压力远高于R22的饱和压力,以蒸发温度 -30 ℃为例, R22在该温度对应的饱和压力为0.16 MPa,CO2同温度下的饱和压力高达1.43 MPa,除了要求部件、压力容器的耐压能力提高,限制CO2压力容器的压力也是一个好方法。CO2系统设计压力为3.9 MPa,笔者将CO2系统的安全阀开启压力设定为3.0 MPa,维持机启动压力设置为2.6 MPa,采用一台6 hp的低温型冷凝机组(OCU-S600SFJ),冷凝机组的蒸发温度设置为-30 ℃,当CO2压力达到-25 ℃对应的饱和压力,该冷凝机组停机。

2.9  系统成本

初投资包括压缩机组、冷凝器、蒸发器、压力容器、管道、电气控制及阀件等。对R22制冷系统改造,压缩机组和冷凝器不需要改变,需要增加1台小型的维持机组OCU-S600SFJ。根据软件选型价格和厂家折扣,12台CO2冷风机的总价为87.6万。2个系统成本对比见表8。

表8  R22制冷系统与R22/CO2载冷系统成本对比/万元


需要说明的是,表8中R22的价格是以2014年的22 000元/吨的价格计算的,CO2的价格约为R22的十分之一。从表8可得出,R22制冷系统全部制冷设备成本为335.5万,其中压缩机组和冷凝器及其附属设备成本占比为41.7%,R22/CO2载冷系统全部制冷设备成本为352.1万,其中压缩机组和冷凝器及其附属设备成本占比为40.0%。可见,压缩机组和冷凝器及其附属设备占整个制冷系统成本比重超过40%,而R22/CO2载冷系统总成本仅比R22泵制冷系统总成本高4.9%。

3  结论

通过分析R22制冷系统和R22/CO2载冷系统,若将R22制冷系统改造为R22/CO2载冷系统,压缩机组和冷凝器不做改变,保持CO2冷凝蒸发器换热温差4  ℃情况下,技术上是可以的,可以满足冷量要求:

1) CO2制冷管道用量比R22制冷系统减少60.3%。

2) R22/CO2载冷系统R22的充注量比R22制冷系统减少68.5%。

3) R22/CO2载冷系统的能效比(EER)比R22制冷系统降低9.6%。

4) 改造后的R22/CO2载冷系统成本比R22制冷系统高4.9%。




(本文选自《制冷与空调》2020年4月刊59-63页;作者:元爱民;未经许可,不得转载)


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