一种五级自动复叠制冷系统的初步试验研究

(上海理工大学制冷技术研究所 上海 200093)

自动复叠制冷系统采用非共沸混合工质，通过单台压缩机可以制取-60℃以下的低温，具有结构简单、高可靠性、长寿命等一系列的优势，并广泛应用于低温电子、低温医学、低温生物、军工、红外线探测等方面[1,2]。一般-40～-80℃采用双级自动复叠制冷系统； -80～-120℃采用三级自动复叠制冷系统；-100～-160℃采用四级自动复叠制冷系统[3]。而制取的温度越低，系统运行的压力越高，对工质选择要求也越高，不仅要考虑其蒸发温度、凝固点温度、化学稳定性、毒性等，而且要考虑到系统运行的稳定性；本文针对为了获得液氮温区的制冷温度，选择单级压缩、四级分凝、五级复叠制冷循环作为本课题的方案，如图1所示，在进行进一步的试验研究前的首要问题就是确定混合工质的组分与配比的计算。

1 混合工质组分的选择与配比的初步模拟计算

目前，有关ARC循环的混和工质的理论方面仍处于探索阶段，其组分选择和最佳配比大多依靠试验来确定，操作成本较高。根据前期的设计经验和实验结果，结合ARC循环的特点，尝试适合本课题制冷温区的混和工质的确定方法。

1.1 混合工质组分的选择

用于ARC循环的非共沸混合工质在循环过程中有其独特性的一面:自动实现各组分的分凝、分离和混合的过程。

在选取制冷工质要结合其特点进行选择的同时考虑到碳氢化合物的可燃性以及运行压力高等因素，结合液氮温区的制冷温度，选择了符合上述要求的六种工质:R134a、R22、R23、R14、R740、R728，其中不含有碳氢化合物以及被禁用的氟利昂制冷剂，主要热物性质通过NIST模拟以及coolpack软件查得如表1所示。

适用于系统的混合工质存在两种组合:R134a/R23/R14/R740/R728，R22/R23/R14/R740/R728。这两种配比区别在于高沸点工质分别选用的是R134a和R22。我们通过NIST软件，我们可以拟出两种组合R134a/R23，R22/R23，分别以三种配比3:7、1:1、7:3混合，在不同的压力条件下，所能达到的最低蒸发温度，如下图2、3。

图1 实验循环系统图Fig.1 The cycle system of experimentation

表1 实验工质的主要热物性参数Tab.1 The main thermal physical parameters of the refrigerants in the experiment

图2 三种配比，R134a-R23不同压力条件下的最低蒸发温度Fig.2 Variation of the lowest evaporation temperature with pressure of R134a-R23 in three different ratio

图3 三种配比，R22-R23不同压力条件下的最低蒸发温度Fig.3 Variation of the lowest evaporation temperature with pressure of R22-R23 in three different ratio

将图5与图6进行比较发现:在某一压力下，组合R22-R23相对与组合R134a-R23所获的最低蒸发温度更低；若从获得最低蒸发温度方面着想，则R22/R23/R14/R740/R728更有利但若考虑到高压侧的饱和蒸汽压力，系统循环所采用的混合工质组合R134a/R23/R14/R740/R728比较合理。因此选择混合工质的组分时，不仅仅考虑到各组分的物理、化学性质，沸点相差，热物性等方面的问题，还要综合考虑混合后的饱和蒸汽压力和最低蒸发温度的问题。综上，选择组合R22/R23/R14/R740/R728。

1.2 混合工质配比的初步拟定

通过相关文献参考[4-12]以及NIST8.0可绘制出混合工质的T-X图，来指导我们预测混合工质配比。

图4 R740-R728汽液相平衡图Fig.4 The vapor-liquid phase equilibrium of R740-R728

根据设计达到的温度要求，预测汽液分离器D4的温度为-143℃。如图4 R740-R728在高压2.2MPa和低压0.35MPa下的汽液相平衡图，2.2MPa下气液相饱和线与-143℃等温线相交与A，B两点，A点的质量浓度为46.2%，B点的质量浓度为54.5%，显然R740/R728的合理质量比是在两者之间。同时考虑到在0.35MPa的条件下达到液氮温区的低温(设定所需要的最低温度为-180℃，图中-180℃等温线与0.35MPa等饱和液相线相交，得到交点C，对应的浓度为51.8%，此浓度在合理质量比之间，结合实验经验暂且设定配比为1:1，综合拟定出配比R22/R23/R14/R740/R728=40/20/20/10/10。

2 试验结果与分析

试验中，采用的压缩机为泰康TFH2480Z-T低温压缩机，能适应高温高压缩比等恶劣环境，为试验的顺利进行提供了良好的条件，设计压力高压为2.2MPa，低压为0.35MPa，在环境温度30℃左右条件下，分别充注制冷剂R22、R23、R14、R740、R728，并结合上述拟定的配比，控制组分和配比的情况下进行不断的反复实验调试，得到如下的测试结果:

从图5中可以看到压缩机从启动到运行稳定的整个过程中吸排气压力及温度的变化情况。压缩机开机瞬间排气压力迅速升高至最高压力，达到3.1MPa，之后逐渐降低，直至稳定。主要原因是:压缩机刚启动时，停机阶段滞留在系统内的工质已全部气化，而刚开机时制冷剂不能迅速冷凝，流经毛细管的制冷剂主要为气体，制冷剂的流量较小，因此大部分制冷剂迅速集中到冷凝器内，使系统排气压力较高。

随着流经冷凝器及各换热器的制冷剂被部分冷凝，系统中制冷剂的流量逐渐增大，排气压力逐渐降低，制冷循环逐渐趋于平衡，最终稳定在2.0MPa。

而吸气压力在开机状态下迅速下降，这是因为吸气腔气体排出，高压通道中的气体通过毛细管节流，进入低压通道有一定的时间延迟，导致吸气腔气体减少，压力下降，甚至负压状态。随着系统降温过程的进行，不断的有气体回到压缩机，压力回升，最后稳定在0.21MPa。

图5 压缩机吸排气温度及压力曲线(图中横坐标每扫描一次时间间隔为30秒)Fig.5 The temperature and pressure curves of the compressor suction and exhaust along with scanning times(scanning interval is30 seconds)

通过这样一个过程分析我们发现压缩机的吸排气压力均与设定值存在一定误差，其中排气压力误差较小，比较合理，吸气压力相对误差较大，勉强接受，实验中还有待改进；同时还注意到:吸排气温度与压力密切相关，并最终分别稳定在122℃、7℃，同样为自动复叠制冷循环领域的相关研究提供了依据和参考。

由图6可以看出整个降温过程并不是同时进行的，存在先后顺序。开机后，毛细管L1、L2、L3就开始迅速降温，而毛细管L4、L5先有一个缓慢过程，之后再进入快速降温过程。分析原因是随着毛细管L1，L2，L3开始降温，回流温度也随之降低，这意味着进入换热器F1、F2、F3的低压流体温度也越来越低，从而有效的降低了各级换热器的冷凝温度。冷凝温度降低，则气液分离器中液体的组分会随之发生一定的变化，气液分离器E4底部液体中R740的含量有了增加，毛细管L4节流后的温度随之降低，同时降低了其高压通道中的制冷工质，随之毛细管L5节流后的温度下降，降温过程存在一定的时间递进，因此各毛细管的节流温度会有一个时间差。根据降温特点把降温过程分为四个阶段:延迟段、快速段、慢速段、稳定调整段。系统刚开机后各级换热器逐级冷却，冷量传递到最后一级热交换器F6需要一段时间差，在这一段时间里，毛细管L4、L5入口处工质完全是气态或干度较大的气液混合物，节流之后的温度变化很小，这一阶段称之为延迟段，扫描仪扫描次数0～45，而此时毛细管L1、L2、L3已经进入快速降温段。扫描次数45～100，由换热器F1冷凝产生的R22冷凝液可以完全封住毛细管L1，换热器F2冷凝产生的R23冷凝液可以全部或部分的封住毛细管L2，换热器F3冷凝产生的R14冷凝液可以部分的封住毛细管L3，导致了节流温度迅速下降，从而回流温度也随之下降，为高压通道提供了更多的冷量，毛细管L4、L5节流后的温度也会迅速下降。扫描次数100～300，进入缓慢降温段，毛细管L4、L5节流后的温度缓慢下降。最后进入了稳定调整段，系统中各个状态点的参数基本稳定。同时发现:随着温度的下降，毛细管L4、L5节流后的温度有较大的波动。我们认为存在以下种可能:一种可能是温度越低，系统的保温效果越难达到要求；还有一种可能是气液分离器中工质流动不稳定，导致了温度的波动。

图6 各级毛细管节流后温度曲线(图中横坐标每扫描一次时间间隔为30秒)Fig6.The throttling temperature curve of each capillary along with scanning times (scanning interval is30 seconds)

试验中，毛细管L1、L2、L3、L4、L5节流后的温度分别稳定在-49℃、-80℃、-99℃、-111℃、-134℃，毛细管L1、L2节流后的温度可以达到要求，毛细管L3、L4、L5节流后的温度与设计所要达到的温度仍然有一定的差距。

经分析，结合液氮温区这样一个温度要求，可能是:

1)系统没有进行有效保温，导致了漏热比较大,节流效果变差，温度无法下降到理想状况；

2)系统中各级气液分离器的尺寸及设计还有待斟酌，可能出现了尺寸偏小导致个别状态点制冷剂分离过程不是很理想，或者通过受阻；

3)系统的换热器、压缩机等部件的匹配问题，导致低温工质R740、R728最终不能很好的冷凝。

接下来的实验可考虑采用真空筒技术进行有效保温，加强保温效果，进一步将系统各部件进行合理的设计优化，以达更好的匹配，提高成效。

3 结束语

介绍了所搭建的五级自动复叠制冷系统，并讨论了其混合工质的组分选取，结合系统实际情况分析了如何对混合工质组分加以选择，以及给出了多组分工质配比的拟定方法，通过利用NIST8.0软件，对混合工质热物性质，配比等参数进行了模拟计算，并得到了可以接受的一种混合工质配比，提出了对其进行模拟计算的思路与参考模式，在混合工质最佳配比的探索方面提供了可行的方法。在环境温度30℃下通过大量的试验调试，分析了压缩机的运行特性，系统的降温特性，并对模拟计算结果与实验结果进行了比较，提出了存在的问题与取得的进展，为更进一步研究自动复叠制冷循环提供了实验数据参考与借鉴。

(本文受上海市重点学科建设项目(No.S30503)资助。The project was suppored by Shanghai Leading Academic Discipline Project (No. S30503).)

[1] Gosney W B. Principles of refrigeration[M]. Cambridge UK: Cambridge University Press, 1982.

[2] Perkins J. Improvements in the apparatus and means for producing ice, and cooling fl uids[P]. Great British Patent,6, 662(1834).

[3] Walker G. Cry coolers, Part1: Fundamentals[M]. New York: Plenum Press, 1983.

[4] Little W A. Design and construction of micro miniature cryogenic refrigerators[C]// Future Trends in Superconductive electronics. AIP Conference Proceeding,Charlottesville USA. 1977, 421-424.

[5] 陆朝云.混合工质自动复叠制冷循环的理论及试验研究[D]. 上海:上海理工大学. 2000.(Lu Chaoyun. The research on theory and experiment of auto-cascade refrigeration cycle with mixed-refrigerants[D]. Shanghai:USST, 2000.)

[6] 王国栋.非共沸混合制冷工质自动复叠制冷系统的特性及应用研究[D].上海:上海理工大学, 2002.(Wang Guodong. The research on application and characters ofauto-cascade refrigeration system with non-azeotropic mixed-refrigerants[D]. Shanghai: USST, 2002.)

[7] 陆向阳.三级自动复叠制冷循环的实验研究[D]. 上海:上海理工大学, 2004.(Lu Xiangyang. Experiment of threestage auto-cascade refrigeration cycle[D]. Shanghai:USST,2004.)

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[12] 肖传晶, 刘红绍, 张华. 一种四级自动复叠制冷循环的试验研究[C]//中国制冷学会2007学年年会论文集, 2007.(Xiao Chuanjing, Liu Hongshao, Zhang Hua. Experimental study on a four-stage auto-cascade refrigeration system[C]// Chinese association of refrigeration conference proceedings, 2007.)