本文研究了一種NH3/CO2復(fù)疊式低溫制冷系統(tǒng)，其中高溫部分采用NH3做工質(zhì)，低溫部分利用CO2為工質(zhì)。通過對NH3/CO2復(fù)疊式循環(huán)的熱力計算分析了該循環(huán)的運(yùn)行參數(shù)和性能系數(shù)在中間溫度和冷凝溫度改變時的變化規(guī)律，為該復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和實(shí)際運(yùn)行提供了理論基礎(chǔ)。

　　1NH3/CO2復(fù)疊式低溫制冷循環(huán)及系統(tǒng)CO2制冷劑CO2作為制冷工質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)是：無毒，不可燃；價格便宜，來源豐富；蒸發(fā)潛熱較大，單位容積制冷量相當(dāng)大；運(yùn)動粘度低，與普通潤滑油相容；屬于自然工質(zhì)，環(huán)境友好。

　　CO2作為制冷工質(zhì)的缺點(diǎn)是：系統(tǒng)的工作壓力高，*高壓力達(dá)10MPa甚至更高。

　　目前關(guān)于C2制冷劑作為單一制冷劑的研究主要集中于采用跨臨界制冷循環(huán)的汽車空調(diào)系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)等NH3制冷劑的熱力學(xué)性能，與氟里昂相比，獲得相同冷量的氨制冷系統(tǒng)可以采用較小尺寸的壓縮機(jī)和換熱器，功率消耗也較小；屬于自然工質(zhì)，環(huán)境友好。

　　NH3制冷劑的不足之處是：具有中等程度的毒性，可燃；與普通礦物基潤滑油不相溶；蒸發(fā)器須采用滿液式蒸發(fā)器，使得系統(tǒng)中NH3的充注量加；需要定期清除蒸發(fā)器表面的潤滑油，操作維護(hù)不便，制冷系統(tǒng)的小型化困難；對銅具有腐蝕性，傳熱管采用鋼管，傳熱性能差，需要較大的傳熱面積，機(jī)組的質(zhì)量因此加。

　　因此，要擴(kuò)大NH3制冷劑的應(yīng)用范圍，必須克服其不足之處，這方面的研究己經(jīng)取得了一些進(jìn)展，降低了低溫級循環(huán)的工作壓力，壓縮后的CO2氣體被普通的NH3制冷系統(tǒng)冷卻及冷凝，即NH3制冷系統(tǒng)是該低溫制冷系統(tǒng)的高溫級。因此，NH3制冷系統(tǒng)也可以在遠(yuǎn)離公眾的場所設(shè)置，安全問題可以完全解決。由于CO2無毒、不可燃、沒有氣味，且相對分子質(zhì)量比空氣的大，因此可以按照氫氟烴（簡稱NFC）制冷劑的規(guī)程處理。另外，CO2制冷劑的容積制冷量大約是NH3制冷劑的8倍，低溫級制冷劑的容積流量大大降低，而且由于是利用CO2相變來制冷，因此換熱性能改善，大大減小了所需換熱器的面積，使得這種低溫制冷系統(tǒng)具有很強(qiáng)的競爭力，系統(tǒng)的安裝、操作和維護(hù)成本可以降低。

　　是NH3/CO2復(fù)疊式低溫制冷系統(tǒng)的實(shí)際循環(huán)TS圖。低溫級制冷劑CO2從蒸發(fā)器出來進(jìn)入壓縮機(jī)前存在壓力損失，導(dǎo)致壓力降低，其過程為1 1r；進(jìn)入壓縮機(jī)后，制冷劑被壓縮，溫度和壓力升高，其過程為1r 2r；制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)冷凝器被冷卻、冷凝，其過程為2 3 4；然后通過節(jié)流閥，即過程4 5；*后進(jìn)入蒸發(fā)器中蒸發(fā)，即過程5 1，從而達(dá)到制冷目的。

　　高溫級NH3制冷劑與低溫級的工作原理相同，不同點(diǎn)是高溫級NH3制冷劑在蒸發(fā)冷凝器中蒸發(fā)，然后進(jìn)入壓縮機(jī)被壓縮，在冷凝器中冷卻、冷凝，進(jìn)入節(jié)流閥節(jié)流降壓，然后在蒸發(fā)冷凝器中蒸發(fā)對循環(huán)做功由兩部分組成，即低溫級C02壓縮機(jī)功Ni和高溫NH3壓縮機(jī)功N2.由于高溫級循環(huán)的制冷量來自低溫級循環(huán)的冷凝熱量，因此當(dāng)?shù)蜏丶壯h(huán)需要1kgCO2制冷工質(zhì)時，高溫級循環(huán)所需要的NH3制冷工質(zhì)量應(yīng)是CO2制冷劑的a倍，即―h4）（k/kg）qg為高溫級循環(huán)的單位制冷量（h6R在復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中，低溫級CO2制冷劑的質(zhì)量流量為級⑶2的單位制冷量（k/kg）。因此，高溫級腿3制冷劑的質(zhì)量流量為在復(fù)疊式制冷循環(huán)中，由CO2蒸發(fā)而產(chǎn)生的制冷量為整個系統(tǒng)的制冷量，因此復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)2NH3/CO2復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的熱力學(xué)模擬為了計算性能系數(shù)，首先需對復(fù)疊式循環(huán)的狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行確定。根據(jù)己知制冷溫度、環(huán)境溫度和制冷量Qo并設(shè)定傳熱溫差，即可確定低溫級蒸發(fā)器的CO2蒸發(fā)溫度和高溫級NH3制冷劑的冷凝溫度高溫級的蒸發(fā)溫度和低溫級的冷凝溫度，即蒸發(fā)冷凝器的平均或中間溫度，是一個變動值。易知低溫級的冷凝溫度越低，則低溫級的性能系數(shù)越大，而高溫級的性能系數(shù)越小，因此存在一個中間溫度，使整個系統(tǒng)的性能系數(shù)*大，此溫度即為*佳中間溫度。

　　在復(fù)疊式系統(tǒng)中，蒸發(fā)冷凝器中間溫度的確定直接影響著系統(tǒng)的效率。關(guān)于中間溫度的選取，一般來說可采取兩種方法，即使制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)*大或使兩級壓縮機(jī)的壓比近似，以省功。本文按照性能系數(shù)*大的原則確定*佳中間溫度。在計算過程中，還需要假設(shè)兩個壓縮機(jī)的等熵壓縮效率和壓力損失。

　　3計算結(jié)果及分析設(shè)計計算條件：制冷溫度為238. 15IK環(huán)境溫度為303.15IK制冷量為1.5kW.假設(shè)各換熱設(shè)備的傳熱溫差為5IK則低壓級CO2的蒸發(fā)溫度為233. 15IK高壓級冷凝溫度為308.15K.根據(jù)，對于全封閉壓縮機(jī)，設(shè)等熵效率為0.75，壓縮機(jī)機(jī)械效率為0.9.給出了系統(tǒng)性能系數(shù)隨中間溫度的變化，中間溫度的變化范圍是250.65~265.65K.可以看出，隨中間溫度Tm不同，系統(tǒng)的Cmi，也不同；當(dāng)中間溫度為257.65K時，系統(tǒng)的達(dá)*大值1.486.確定了*佳中間溫度后，循環(huán)的各狀態(tài)點(diǎn)即可確定，從而可以對系統(tǒng)的其他性能進(jìn)行計算。計算所得*佳中間溫度下循環(huán)各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)如表1所示。系統(tǒng)的值為1. 486，各主要設(shè)備的負(fù)荷如表2所示，表中Q為換熱量，Qe為蒸發(fā)器換熱量，Qc為冷凝器換熱量，q為質(zhì)量流量，Ne為壓縮機(jī)輸入軸表1循環(huán)各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)用數(shù)學(xué)表達(dá)式可表示為表2各主要設(shè)備的負(fù)荷Qe/kWQ/kWq/g°s―1N（/功率。

　　另外，雖然存在*佳的中間溫度使得Ccop*大，但是在*佳中間溫度的K范圍內(nèi)，Ccop降低很中間膃從少，這為NH3/CO2兩級低溫制冷系統(tǒng)的設(shè)計與運(yùn)行操作加了彈性。

　　當(dāng)復(fù)疊式制冷循環(huán)高溫級冷凝溫度改變時，循環(huán)的Ccop也要隨之變化如所示。可以看出：在同一冷凝溫度下，制冷系統(tǒng)的Ccop隨中間溫度的改變而有所變化；在不同的冷凝溫度下，系統(tǒng)Ccop的*大值也不同，如當(dāng)冷凝溫度為298.15K時，循環(huán)的可達(dá)1.75，而當(dāng)冷凝溫度為33. 15K時，循環(huán)的Ccop給出了不同冷凝溫度下*大所對應(yīng)的*佳中間溫度的變化。從圖中可以看出，*佳中間溫度隨冷凝溫度的升高而升高，且基本上呈線性關(guān)系：當(dāng)冷凝溫度從298.15K升高到323.15K時，*佳4結(jié)論低溫制冷系統(tǒng)存在一個*佳中間溫度，使系統(tǒng)的性能系數(shù)*大，且在*佳中間溫度的±5K范圍內(nèi)性能系數(shù)降低很少，因此為NH3/CO2兩級低溫制冷系統(tǒng)的設(shè)計與運(yùn)行操作加了彈性。

　　當(dāng)高溫級冷凝溫度改變時，系統(tǒng)的性能系數(shù)也要隨之變化；在不同的冷凝溫度下，性能系數(shù)的*大值不同，*佳中間溫度也不同；冷凝溫度越高，系統(tǒng)達(dá)到*大性能系數(shù)時的*佳中間溫度就越高。