CO2压缩机技术及应用(源自冰轮)

烟台冰轮股份有限公司产品开发部蒙特利尔协议京都议定书1987年：蒙特利尔议定书，限制ODP高的制冷剂使用1997年：京都决议案，限制GWP高的制冷剂使用进入后氟利昂时代作制冷工质的特点CO2是自然工质（ODP=0，GWP=1）良好的安全性，无毒，不可燃蒸发潜热较大，单位容积制冷量高优良的流动和传热特性充注量少，轴功率消耗低良好的化学稳定性，相关材料化学反应少操作压力较高临界点处在较低的温度下：31.1℃（88.0°F）CO2比空气重,封闭空间内,产生的混合气体足以令人窒息。TLV安全极限：NH3为25ppm而CO2为5000ppm(0.5%)、NH3等压焓图比较消耗臭氧潜值（ODP）0000.055全球变暖潜值（GWP）1013007100临界点温度(℃)31.1133.0101.7112.0压力（MPa）7.37211.424.0554.113凝固点（℃）-56.55-77.7--160标准沸点（℃）-78.4-33.3-26.2-40.80℃饱和压力（MPa）3.490.4290.2930.50单位容积制冷量（kJ/m3）22600438428604344相对价格0.10.23-51CO2与常用制冷剂的比较在制冷空调领域的应用范围冷冻－-30℃～－55℃热泵65℃～95℃作为载冷剂传递能量5~-30CO2的应用范围烟台冰轮股份有限公司产品开发部相同制冷量，压缩机不同排量设计压力Designpressure：5.0MPa转子刚性高Highrotorrigidity壳体强度高Highshellintensity密封压差大Highsealingdifferentialpressure效率高HighefficiencyCO2螺杆压缩机CO2screwcompressorRCH12RCH16RCH20RCH25RCH321503006008001600效率高Highefficiency易加工Easytoprocess受力均匀Evenforcing供油量大于滚动轴承，压缩机内部各泄漏通道密封好，压缩机效率高。承受大的径向力作为流体动力轴承，轴被油膜支撑起来不存在机械磨损，无所谓轴承寿命中心距滑动轴承轴承的选择压缩机壳体设计材料选择结构设计厚度计算间隙与效率间隙对效率的影响泄漏三角—型线优化齿顶与气缸内壁—喷油密封接触线—在一定范围内对COP影响有限油泵供油压差供油循环油量与效率大压差小压比油的循环量大，效率影响较大℃冷凝5℃冷凝0℃冷凝-5℃冷凝-10℃冷凝-15℃冷凝冷冻油的选择POE较强的亲水力PAO难以回油推广使用矿物油烟台冰轮股份有限公司产品开发部(NH3)CO2压缩机NH3压缩机冷凝蒸发器CO2蒸发器CO2气液分离器低温级CO2NH3冷凝器NH3贮液器NH3节流原件NH3气液分离器CO2节流原件CO2泵油分离器油分离器CO2贮液器高温级R717(NH3)CO2压缩机NH3压缩机冷凝蒸发器CO2蒸发器CO2气液分离器CO2气液分离器低温级CO2NH3冷凝器NH3贮液器NH3节流原件NH3气液分离器NH3气液分离器CO2节流原件CO2泵油分离器油分离器CO2贮液器优点：在-35℃以下的制冷需求中效率高减少了高温级循环的制冷剂充注量，是常规系统的1/10管路尺寸极小热气除霜的效率高当需要两个制冷温区时，是很好的解决方案缺点：工作压力相对较高，特别是在热气除霜的情况下需要对系统停止运行时的压力进行有效控制需要维护两种制冷剂的制冷系统复叠系统的特点系统设计压力(饱和吸气温度):40bar(+5℃)安全阀设定:36bar(-10%MWP)系统应急处理设定:34bar(-1℃)排气压力设定:30bar(-5℃)CO2冷凝温度和高温制冷剂蒸发温度的差值越小，冷凝蒸发器效率越高。随着冷凝蒸发器换热温差的增加，整个制冷系统的总效率会降低。NH3/CO2的复叠系统效率与其他制冷剂与CO2的复叠系统相比最高。CO2侧的设计参数（不采用热气融霜）侧设备冷凝蒸发器在NH3/CO2复叠制冷系统中既是NH3侧的蒸发器，又是CO2侧的冷凝器，NH3液在管程蒸发吸收热量，CO2气体在壳程被冷凝成液体。贮液器用来贮存CO2液体气液分离器用以分离CO2压缩制冷系统中由蒸发器出来的CO2气体中的液滴气液分离器顶部带有辅助蒸发器，在停机后能有效防止CO2压力超高维持机组或膨胀容器CO2泵干燥过滤器、节流装置等系统各部分设计压力采用热气融霜与其他融霜设计压力不同桶泵压力有一个压力范围，停机维持机组开机信号阀2ON/OFFICM阀2ON/OFFICS阀1ON/OFFICM3电动调节阀CO2蒸发器冷凝蒸发器充霜蒸发器器CO2热气融霜缺点：压力高NH3热气融霜缺点：NH3进入冷库水融霜可采取的融霜方式螺杆复叠制冷系统在蒸发温度为-45℃工况下，COP比NH3双级制冷系统（理论计算的最佳配搭）COP高8.8％。复叠系统的最优中间压力取决于很多参数(例如:高温制冷剂的种类，制冷负荷的类型等等)。1)具有中温区制冷负荷的系统：衡量中间负荷和复叠效率中间压力应当尽可能的高，以降低高温级的负载。中间压力的大小，由系统中中温制冷温度以及系统的压力决定。中间负荷的大小2)没有中温区制冷负荷的系统中间温度由系统效率决定，考虑系统的承压能力。CO2复叠系统中间压力选择项目描述：假定用户需要一台公称冻结能力1200kg/h（以青刀豆计算）的流态化单体速冻装置，蒸发温度-45℃，冷凝温度40℃，则制冷量大约200kW。采用NH3/CO2复叠制冷系统，具体选型方案如下:一、压缩机组选型：1、确定中间温度：在已知低温级蒸发温度和高温级冷凝温度的基础上需要确定低温级的冷凝温度（中间温度）。按照用户要求，可以在样本曲线图上找到40℃/-45℃工况下的最佳中间温度-16℃。选型计算说明、低温压缩机选型：低温级对应的工况为-16℃/-45℃,依据样本低温压缩机性能参数，查得该工况下制冷量约比用户要求的冷量略高的压缩机机型，并计算低温级冷凝负荷3、高温压缩机选型：设定冷凝蒸发器换热温差5℃，可得高温压缩机的工况，可以直接从NH3制冷压缩机样本的性能参数表，按照复叠制冷系统冷量匹配原则，高温级的制冷量须略大于或等于低温级的冷凝负荷1.05倍，查得压缩机选型4、修订中间温度：由于压缩机机型已确定，理论排气量配比为定值，所以需对假设的中间温度进行修正。根据修正后的中间温度查表得其制冷量，是否可以满足低温级需求选型计算说明CO2阀门采用danfoss电动阀，控制灵敏、精度高CO2泵的额定流量按1~2倍循环倍率圆整选择CO2泵注意气液分离器的供液高度与泵之前的供液管路阻力对应的高度之差必须大于泵的气蚀高度，避免运行时泵发生气蚀5、低温侧辅机选型（续）：CO2系统停机后，随着环境温度升高，系统压力升高，当压力升高到设定压力后，辅助制冷机组开机选取按压缩机制冷量每1000KW,选取4KW（-15）的辅助机组根据实际情况选用（冻结、冷库）6、配置辅助制冷机组：CO2气液分离器控制器PS辅助冷却系统CO2气液分离器控制器PS辅助冷却系统选型计算说明在复叠系统中，高温级压缩机必须在低温级的压缩机启动前启动。否则，低温级的压缩机可能会因为压力过高而无法工作。高温级压缩机启动条件:高温级的负荷需求低温级的需求对系统进行充注相同的操作顺序。先对系统的高温级进行制冷剂充注然后启动高温级。将CO2充注至系统的低温级中。冷凝蒸发器的高温级膨胀阀要和高温级的压缩机同时启动。系统控制注意事项如果水超过在CO2系统中的溶解限制值，当温度低于0℃的时候，水将结冰，产生的冰晶可堵塞控制阀、电磁阀、过滤器或其他设备干燥过滤器尽量设置在低温区CO2的含水量控制急剧的温度下降会对系统材料会造成巨大的冲击，进而导致材料损坏。CO2/NH3复叠系统多数的致命泄漏发生在CO2和NH3之间的冷凝蒸发器中，CO2接触NH3时，将立即生成铵基甲酸铵，铵基甲酸铵具有腐蚀性避免急剧降温和系统泄漏丰润工程图片通过实际工程案例比较，NH3/CO2复叠制冷系统和单机双级自动螺杆制冷系统工程初投资基本持平！、NH3/CO2复叠制冷系统对应的是流态化单冻机MVLD1500，进货温度为10℃，出货温度为-22℃，半小时产量为875kg，低温压缩机耗电量为27.9kWh，高温压缩机耗电量为39kWh，压缩机总耗电量为66.9kWh。单位质量冻品耗电量为76.45kWh/吨。2、压缩机S8-125一台和S4-125