一种多级自复叠制冷循环系统中制冷剂的成分分析

张书春，张华，赵巍

（上海理工大学，上海 200093）

0 引言

高新技术发展的推动了低温、超低温实验以及冷冻冷藏的技术的广泛应用，例如某些医疗药品保存的样品，航空航天工业的生产作业，精密仪器的加工，天然气液化等都需要在230 K～110 K 温度范围内[1]，这些温度用通常意义的单级制冷方式就很难达到。从上世纪50 年代开始，人们掀起了一股对新型混合工质特别是非共沸混合工质的研究的热潮，这极大的推动了单级压缩节流制冷机在深冷领域的应用从可能变为现实。而在这种类型的制冷机中，ARC 制冷循环制冷机有着与众不同的地位，从上世纪70 年代中期开始，基于ARC 循环的制冷机开始在美国首先进入商用领域[2]。而在国内，对于ARC 循环的研究起步较晚，很大部分研究仍然是集中在理论上[3-5]，而且取得一系列的研究成果。

1 多级自动复叠系统

自动复叠循环系统是在经典复叠制冷的基础上进行的改进和优化，它利用的仍然是复叠制冷的原理，不同的是将所有的压缩过程通过一个压缩机得以实现，没有多个系统，这不仅简化了结构，也提高了系统的稳定性与可靠性。

1.1 自动复叠系统

自动复叠制冷循环的精髓就是“单级压缩，多级分凝，自动复叠”，混合工质在经过一次压缩后，实现了工质的从高温到低温逐渐分离，并且利用高温工质冷却低温工质，逐级降温，最终由最低温工质进行目标温度的制取。

自动复叠制冷循环有两种名称，一种是用经典复叠制冷循环的命名法来称呼，另一种是根据循环中分凝级数来称呼。

1.2 两级与多级自动复叠系统

如图1 所示的就是一个两级自动复叠制冷循环，这种循环的过程比较简单，混合工质首先被吸入压缩机A，压缩后进入冷凝器B，在冷凝器中进行部分冷凝后高温工质被冷凝为液体，而低温工质仍为气态。从冷凝器出来的气液混合物进入气液分离器C，在重力的作用下实现气体与液体的自动分离。液态的高温工质从气液分离器底部流出，经图中左边的节流阀D 节流，然后在蒸发冷凝器E 中蒸发吸热，变成气体后回到压缩机吸气管路。同时气态的低温工质从气液分离器的上部流出，经过蒸发冷凝器时放热，被冷凝成液体后经节流装置F 节流，进入蒸发器E 中蒸发吸热，变成气体再和高温工质气体混合，然后再次被吸入压缩机，从而完成整个循环。

与之相对应的多级自动复叠系统就是在这基础之上增加了一个或者多个的分凝支路，然后再增加所需的各种配件，就是一套新的多级自动复叠制冷循环系统。本文就以五级自动复叠为例对其进行说明。

图2 所示就是一种五级自动复叠制冷循环图。其循环过程在图中都有标注，这里就不再详细描述。

对于五级自动复叠系统，其复杂性是无需多言的，尤其是系统中成分运行规律是最难掌握的。根据本次试验的要求我们就利用气相色谱仪对这个问题进行研究与讨论。

图1 两级自动复叠制冷循环图

图2 五级自动复叠制冷循环系统图

1.3 制冷工质的选择

选择自动复叠制冷系统中混合工质的原则主要有三点：(1)各成分间必须能互溶，在系统运行中不能起化学反应，更不能产生共沸效应；(2)各组份标准沸点间的距离分布在(40～80)℃范围内；(3)混合工质必须具有一定的温度滑移区间。根据这三点要求，参考各物质状态参数表（见表1），本系统中选择了R600a/R23/R14/R740/R728 这种组合。

表1 部分工质状态参数表

1.4 制冷剂配比计算

本文利用NIST 8.0 计算软件对制冷剂的配比进行模拟计算，设计排气压力2.0 MPa，吸气压力0.25 MPa，蒸发温度-140℃，经过初步计算，确定充注制冷剂比例为 R600a/R23/R14/R740/R728=45/20/25/5/5。然后我们要对系统进行以下的假设：

1)系统内部制冷工质流动压力损失忽略不计；

2)压缩过程为绝热等熵压缩；

3)换热器与系统外没有热量交换；

4)气液分离器上下出口，制冷工质质量流量比为7:3；

5)气液分离器中液体是纯工质，且气液相温度一致。

在此基础上对设计比例进行校验计算。校验计算主要是对气液分离器中的温度，干度，压力等进行验算，看看该温度下，两相的分配是否与计算值一致。如不一致，则需进行多次的迭代计算[3]，最终确定充注比例调整为：R600a/R23/R14/R740/R728=45/25/20/5/5。

2 试验结果与分析

做完系统的检漏、抽真空等准备工作后，按照初步计算的比例 R600a/R23/R14/R740/R728=45/25/20/5/5 向系统内充注制冷剂。此时系统最低温度只有-103℃。然后对配比进行调整，经过调试后，系统运行约7 h 达到稳定，最低温度为-123℃，排气压力为1.9 MPa，压缩比保持在6.7，停机时系统压力为1.2 MPa。如图3 所示是各毛细管节流后的温度曲线。

图3 各级毛细管节流后的温度

从图3 中可以看出,系统的各级节流后降温速度刚开始较快，达到其蒸发压力对应的蒸发温度后，各级降温速度就会变缓，温度随着蒸发器出口温度的降低而缓慢降低。而且可以看到，第二级毛细管后有一段明显的波动，其说明当温度达到其蒸发压力对应的蒸发温度后，系统中会有一段时间再进行制冷剂的分配与调整，系统运行情况不是确定的。

为了清楚地反映出系统中各级的成分状况，我们利用气象色谱仪对系统中的某些重要部位进行成分分析与检测。考虑到最终级的温度在123℃，暂且认为R728，R740 没有参与到蒸发过程中，所以这里选择了压缩机吸入口，第二级气液分离器以及第五级毛细管出口三个采样点。

由于气象色谱仪的灵敏度太低，R23 不能在色谱仪中被正常检验出来，所以，只考察R600a，R14，R740 和R728 等4 种工质的运行状况。如图4 所示就是上面所说3 个采样点的分析图谱。

图4 三个采样点的分析图谱

经过波峰的时间对比，图4(a)、图4(b)、图4(c)中的物质分别为R14/R740/R600a，R14/R740，以及R14/ R740。从这三个图中可以看出，系统中没有检测到R728 的踪迹，说明氮气没有参与到循环中来，原因是，氮气在系统中实在太少了，它充注在系统中后，就滞留在系统中，未能参与循环。

从图5 所示各采样点的检测报告中可以看出，系统中工质在运行过程中的量的分布。

图5 中显示出三个采样点的工质含量分别为：(a)R14/R740/R600a=35/60/5；(b)R14/R740=42/58；(c)R14/R740=22/78，该结果汇总于表2。从中可以看出，系统的循环过程中，吸入的R600a 量很少，在循环中R600a 大部分都是储存在系统的前两个气液分离器中，为中温制冷剂提供冷量。而从图5(b)和图5(c)的报告数据中可以看出R14 的量变化较大，蒸发器前的R14 气体明显少于第二级气液分离器的量。同时察看第六级中间换热器的出口温度，如图6 所示，实验中，进毛细管前的温度为-116℃，可以看出最终进入毛细管的R14 与R740 的混合物经过节流后R14 的量比前几级少，节流后部分的R14 液化，进入蒸发器的是R14 与R740 的气液两相混合物。

图5 各采样点分析报告

表2 测试结果汇总

图6 第六级中间换热器进出口温度

3 结束语

本文通过对一种五级自动复叠制冷循环的实验性研究，获取了-123℃的低温。对系统中混合工质的运行成分进行了一些简单的分析，了解了系统中的部分工质运行比例，对以后混合工质在系统运行中的成分分析提供了指导与建议。

[1]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.

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

[3]张绍志,王剑锋,张红线,等.具有精馏装置的自然复叠制冷循环分析[C].中国工程热物理学会工程热力学与能源利用学术会议论文集,镇江,1999:27-32.

[4]王国栋.非共沸混合制冷剂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.

[5]刘志勇,陈光明,王勤,等.具有精馏装置的自动复叠制冷循环的试验研究[J].流体机械,2004,32(10):50-52.

[6]张海东,赵巍,张华.一种五级自动复叠制冷系统混合工质的选择[C].中国制冷学会2009年学术年会论文集,2009.

[7]盛健,吴兆林,申晓宇,等.三级自动复叠制冷系统中制冷剂配比计算方法研究[J].低温与超导,2009(2):51-55.