如今,天然制冷剂得到了市场普遍认可,然而使用天然制冷剂时,行业又面临着新的挑战。其一如果想避免使用高全球变暖潜力的制冷剂,其“代价”并不低:比如高压力、易燃性亦或毒性等难题将随之而来。另一大挑战是寻求更高效的系统。在这种情况下,选择适当技术来优化天然制冷剂的使用就显得至关重要。设计系统前,建议您妥善回答以下五个问题,并以此作为出发点:
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  01
  哪种天然制冷剂最适合我所在的应用领域?
  鉴于每种天然制冷剂具有不同的特性,该问题通常较容易回答。碳氢化合物经证明是适用于小型装置(如饮料冷柜或其他自携式设备)的制冷剂,这些设备的制冷剂加注量非常低,从而降低了相关的可燃性的风险。从超市集中式系统到汽车空调系统,二氧化碳已经开始广泛用于各种应用领域中。多年来,氨主要用于工业制冷,其用途还正在扩展到其它应用领域,例如作为覆叠系统的商业制冷等。在选择制冷剂之前,建议对每个系统的要求进行详细研究。
  02
  设备使用地将在哪里?
  一方面,使用二氧化碳作为制冷剂时,了解系统所在地的气候条件很重要。一般来说,对于配备室外冷凝器/气体冷却器的系统,外部温度可以确定最适当的循环类型和技术。实际上,如果外界温度达到二氧化碳的临界温度(31.2°C),那么系统将以跨临界模式工作(复叠系统和泵循环系统除外),导致效率会降低。在高温下,可采用不同技术来提高效率:包括并联压缩机和喷射器等等
  另一方面,当使用易燃或有毒制冷剂时(如碳氢化合物有易燃性;氨具有毒性和轻度易燃),将设备安装在室外或人员接触不到的地方,可以更好地符合相关标准的要求,并使安装更加安全。
  03
  需要遵循哪些法规和标准?
  这是需要面对的最棘手问题之一。就法规而言,目前侧重于降低制冷剂对全球变暖的影响,因此,强烈建议使用天然制冷剂。这意味着,需要关注安全标准。
  使用天然制冷剂时应遵循的安全标准取决于应用领域、制冷剂类型和所在国家。在欧洲,通用标准(如EN 378)和产品标准(如EN 60335-2-89)适用于制冷剂加注量达到一定量的制冷设备。这些要求主要包括对使用易燃制冷剂的系统的特殊要求,当然,对使用二氧化碳的系统也有一定的要求。
  04
  我应该设计什么样的循环类型?
  天然制冷剂的演变,使得每种制冷剂可适用于不同的系统类型。
  从二氧化碳的传统系统开始(主要包括一台压缩机、一个膨胀阀和两个热交换器),其低效率促使市场开发出了不同的替代方案。
  一方面,通过设计复叠系统和泵循环系统,可以使二氧化碳保持在亚临界状态。二氧化碳用于第二低温回路:包括蒸汽压缩(复叠系统)、液态二氧化碳泵循环回路(泵循环系统)或两者兼有的情形(混合系统)。
  另一方面,跨临界二氧化碳系统可以有单蒸发器或双蒸发器,后者被称为增压系统。第一种方案是在传统系统中增加两个阀门和一个储液罐,以便同时控制气冷器的压力和蒸发器的过热度,这对于优化跨临界二氧化碳系统的效率至关重要。然而,通过添加并联压缩机,可以使该方案更加有效,从而使来自储液罐的制冷剂不再膨胀,而是在并联管路中直接流入压缩机。如果在并联压缩的三通阀系统中添加了喷射器,那么在几乎所有温暖气候下,系统性能都会得到进一步改善。简言之,喷射器能够利用高压制冷剂的势能吸入低压制冷剂,并使其达到中压,从而降低压缩比和压缩机处理的流量。使用具有多级液体接收器和零K过热蒸发器的三通阀系统是提高增压系统效率的另一方法。
  带喷射器的二氧化碳跨临界系统的布局
  就丙烷而言,与氢氟烃(HFC)制冷剂相比,配备了压缩机、膨胀阀和两个热交换器的传统循环通常具有更好的循环性能。如果制冷剂加注量高于相应安全标准允许的最大加注限值,那么还可以采用另一方案,即布置多回路系统。
  最后,不同类型的系统可以使用氨作为制冷剂,这已在市场上得到了成功实施。氨蒸气吸收式制冷系统是最古老的制冷系统之一,缺点是效率低,目前仍未得到广泛使用。单级压缩系统包括与传统制冷系统一样的部件,并且具有泵和液体分离器,确保压缩机不回液。两级压缩系统是工业制冷系统的下一个发展方向,适用于低温制冷应用领域,可提供高效率和较低压缩机排气温度。
  此外,近年来出现了低加注量氨系统。一方面,优化的系统包括传统的工业氨制冷系统,该系统进一步通过低充注量的组件进行了优化,将成套氨系统移置到通常放于室外屋顶或地面上的小型独立系统上,省去了大量氨库存和管道,避免了泄漏造成的任何危险。
  在传统和低加注量的复叠系统(通常在高温侧)中,也将氨列为制冷剂,当然,这限制了其在设备室的使用。
  R-717两级制冷系统的P-H图
  05
  可以提高能效吗?
  如果已经选择了要设计的循环系统方式,那么可能还需要考虑结合高效技术来实施。与有效控制和监控系统相结合,这些技术可能是实现系统最佳性能的关键所在。
  一方面,带变频器的变容量压缩机提供了避免低效开关循环的最佳方法,从而降低了压缩机的季节性效率。所以,在部分负载或低负载条件下,变频压缩机可根据系统要求调整其制冷能力,而不会完全停机。理想方案是将可变容量压缩机与电子膨胀阀(EEV)结合起来,通过系统运行参数的自适应优化实现节能。
  还有其它部件也可以提高效率,且主要用于二氧化碳系统。过冷器利用闪蒸阀膨胀后的气体温度,来冷却电子膨胀阀之前的液体制冷剂。经济器是一种过冷器,其从系统中的某个特定点抽取少量二氧化碳,并通过膨胀阀进行膨胀,从而冷却来自气体冷却器的主气流。最后,二氧化碳制冷系统中的蒸发冷却通过喷射微小的水粒珠来降低气体冷却器的温度,这样,因压缩机消耗功率的降低而实现了显著的节能。这些方案特别适合在温暖气候下提高二氧化碳系统的效率。