自动复叠式制冷系统中制冷剂的组分分离研究

郑大宇，陈秋燕

( 哈尔滨商业大学，黑龙江 哈尔滨 150028 )

自动复叠式制冷系统中制冷剂的组分分离研究

郑大宇，陈秋燕

( 哈尔滨商业大学，黑龙江 哈尔滨 150028 )

[摘要]以单一工质为制冷剂的单级蒸汽压缩制冷系统因受外界环境温度所决定的冷凝压力及压缩比的制约，一般只能应用于200K以上的温区。而采用单一制冷剂的两极循环将受到蒸发压力过低，或制冷剂凝固的限制。多元非共沸混合工质自动复叠可达到-100K以下的温区，但由于工质气液两相分离不完全，使系统能效较低，制冷量小，从而使其应用有较大局限。因此研究该制冷工艺的相变规律，制冷装置，提高该系统的分离效果，具有重要的理论价值和应用意义。

[关键词]自动复叠系统;混合制冷剂;组分分离;气液分离器；分离效率

1非共沸混合制冷剂介绍

1.1　非共沸混合制冷剂的特性[1]

非共沸混合制冷剂没有共沸点，气相和液相组分在相变过程中不断发生变化，定压下混合物的泡点线和露点线呈鱼形曲线。在定压凝结和定压蒸发时，有一定的温度变化，温度滑移为露点与泡点之差。正因为非共沸混合制冷剂在相变过程中存在一定的温度滑移，所以它可以较好地控制工质和热源之间的温差，减小冷凝器和蒸发器的传热不可逆损失，达到节能的效果。非共沸混合制冷剂与单一制冷剂相比，可以更好地提高系统的制冷性能，获得更低的温度。自动复叠制冷循环使用的高温区制冷剂一般为R404A,R134a,R22,R502,R600，R600a或R290(丙烷)；使用的中温区制冷剂通常为R12,R22，R116，R1270，R290；使用的低沸点制冷剂通常为R23,R32,R744,R170(乙烷)或R50(甲烷)，R14,R13,R1150等。其中有些制冷剂已被限制使用。常用制冷剂特性见表1。

表1常用制冷剂特性

制冷剂相对分子质量沸点℃凝固点℃临界温度℃临界压力kpa临界比体积R2370.02-82.1-15525.648331.942R13104.47-81.4-18128.838651.729R12120.93-29.8-15811241131.792R60058.13-0.5-138.515237944.383R134a102-26.2-101101.14.061.942R2286.48-40.84-16096.134.9861.905R3252.02-51.2-78.478.115.7822.381R1488.01-128-184-45.53.751.58R5016.04-161.5-182.8-82.54.656.17R17030.06-88.6-183.232.14.9334.7R29044.1-42.17-187.196.84.2564.46R600a58.08-11.8-159.61353.654.525R115028.05-103.7-169.59.55.064.62R127042.08-47.7-18591.4464.28R74444.01-78.52-56.6317.382.456

1.2　非共沸混合制冷剂选取原则

在自动复叠制冷系统中，对制冷工质的选取相当重要，它直接影响系统的运行效果、系统的经济性和可靠性。对于本课题研究中所要达到的温区，混合制冷工质组分的选择基本上是根据以下几点:

(1)根据所要达到的制冷温度，再依据正常蒸发温度、凝固点温度以及临界压力和工作压力来选取适当的制冷工质。

(2)混合工质各组元之间沸点必须有较大的差距。

(3)对环境无害，物理化学性能稳定，无毒、安全。

(4)为了更好的对混合工质分离，在选配混合工质时，最好选择密度不同的组元。因为液体混合工质在冷凝蒸发器和气液分离器内会分层这一条件能对混合工质进行更高纯度的分离。

(5)组成混合物的各组元之间应该相容，但不形成共沸混合物。

因R134a,R23,R14三种工质中都不含对臭氧层有破坏作用的Cl和Br,并且R134a和R23的标准沸点相差55.9℃,R23和R14的标准沸点相差45.9℃。所以本文选取R134a，R23，R14作为混合制冷剂达到-100℃以下的温区对制冷剂分离进行优化。2000年上海理工大学陆朝云，陈建波等采用R134a/R23/R14的三元混合工质，通过一级压缩、两级分凝循环，在高压2.2 MPa、低压0.15 MPa的实验条件下得到了-100℃的最低蒸发温度【2】。王生软，时阳汤，长征，丁瑞华等人做实验研究了非共沸混合制冷剂不同配比对自动复叠制冷系统的影响，混合制冷剂的配比对系统的制冷速度影响比较大【3】，组分配比不同降温速度也不一样，组分配比不同，压缩机的功耗也不同。在制冷剂方面，非共沸混合制冷剂的选择和配比还须进行进一步的研究，同时新型制冷剂替代的相关研究也在不断发展。在自动复叠系统中，混合工质的分离效果直接影响到系统的COP值*。

2自复叠式制冷循环系统原理

2.1　自复叠式制冷循环系统原理

图(1)是制冷循环原理图。该系统利用了每一级换器反流的低温混合物进行冷却，改善了整个系统的换热效果，提高了系统的效率。此系统工作流程如下：

R134a，R23和R14三种工质组成的低温低压的混合气体进入压缩机压缩后经油分离器进入冷凝器。在冷凝器中，具有较高沸点的制冷剂R134a大部分冷凝为液态，R23，R14大部分仍为气态。气液两相制冷剂经过第一级气液分离器后，液体由下边流出，气体从上边溢出。流出的液体进入节流装置，节流后成为压力和温度都较低的两相流体，与下一级换热器反流的制冷剂混合，冷凝来自气液分离器的气相制冷剂。在第一级冷凝蒸发器中，一部分中温制冷剂R23冷凝下来。气液两相制冷剂进入第二级气液分离器，分离出液体后的R14仍为气体。气液两相制冷剂经二级节流后温度更低，与反流制冷剂混合又进入二级冷凝蒸发器，冷却尚未冷却的低温制冷剂R14,。被冷却的R14与从蒸发器出来的制冷剂通过回热器进行热交换，R14被更进一步冷却，经最后的一级节流后，进入蒸发器，实现预定的低温要求。气液两相的R14低温制冷剂在蒸发吸热后，逐级反流，与R23，R134a混合后，被压缩机吸入，再进行下一个循环。

图1　自复叠式制冷循环原理图

在自动复叠制冷系统中，如果高沸点和低沸点制冷剂可以很好地被分离，低沸点制冷剂越纯就可以得到越低的蒸发温度。

对于复叠式制冷循环制冷剂的分离越彻底系统的效率就越高。本文将从反应循环，和对复叠式制冷循环有较大影响的反应装置两方面进行理论性的研究。

2.2　复叠式制冷循环的改进

对于复叠式制冷，制冷装置的特性直接影响到反应的效率，所以研究制冷装置对系统的影响是十分必要的。其中对于混合工质制冷循环中的气液分离器是不同于常规制冷循环，它是系统中的重要部件，气液分离效果的好坏直接影响系统的最终蒸发温度和制冷效率。

传统的复叠式制冷系统用于冷却较低温度的制冷剂只是在回热器中，而本循环将其引入气液分离器中，增加了过冷度，并且一定程度上相当于增加了制冷剂含量。

图(2)是新型制冷循环原理图。本系统在传统复叠式制冷的基础上将回热器中用于冷却低温制冷剂的高温制冷剂液体再一次引入气液分离器中，使制冷剂的充注量在一定程度上可以减少，并且增加了过冷次数使制冷效果更明显。

图2　新型制冷循环原理图

具体制冷过程：制冷剂混合工质的低温低压的混合气体进入压缩机压缩后经油分离器进入冷凝器。在冷凝器中，具有较高沸点的制冷剂R134a大部分冷凝为液态，R23，R14大部分仍为气态。气液两相制冷剂经过第一级气液分离器后，液体由下边流出，一部分进入回热器，为未被冷却的中温制冷剂在回热器1中过冷，另一部分再次回到气液分离器1中，将新进入的混合制冷剂冷却，使高温制冷剂冷却成液体并冷却得更充分，再从底部流出，如此周而复始。

在回热器1中的中温制冷剂经冷却后进入气液分离器2，此时制冷剂中含有大部分的中温制冷剂和几乎全部的低温制冷剂，中温制冷剂在回热器2中大部分被冷却成液态，从气液分离器底部流出，一部分进入回热器2冷却低温制冷剂，一部分重回气液分离器。低温制冷剂经过回热器3被再度过冷后进入蒸发器进行冷却，低温制冷剂从蒸发器出来后经过回热器3对进入蒸发器前的制冷剂再次过冷，然后再进入气液分离器2再次过冷，并参与下一步的分离过程。

由图可以看出用于冷却制冷剂蒸汽的制冷剂液体不仅流经回热器，之后还会进入气液分离器，用来将气液分离器里的制冷剂过冷，一定程度上相当于增加了制冷剂的含量，一举双得。

本循环的创新点有：

(1)增加了制冷剂的过冷次数。使制冷剂的分离更加彻底。

(2)本循环中制冷剂被再利用，对每一次分离来说增加了制冷剂的含量。

(3)循环中仅仅增加了管路长度，并没有引进新的设备，对投资影响不大。

理论上本制冷系统可以进一步提高过冷度使制冷剂分离更彻底，对于自动复叠式制冷，制冷剂分离的程度直接影响整个制冷过程。

制冷剂分离越彻底制冷效果越理想，

此制冷循环满足了我们对复叠式制冷更高制冷效率的要求。但是此应用目前还需要进一步的验证。

3气液分离器的改进

传统的内复叠循环的气液分离方式，是等温等压下的平衡闪蒸方式，将已经形成气液两相的流体，在流道上采取一些措施，使气液两相分离，但这种分离方式不能较好地分离高低沸点组分。

中科院理化技术研究所制冷与低温工程研究中心提出了一种新型分凝分离式内复叠节流制冷循环，设计了一种具有内部传热和传质的分凝分离器，并用此来代替传统的气液分离器。循环简图如图3所示。

该系统的具体分离方式是采用高压流体内部传热传质分离方式，利用低压返流提供分离驱动力，使高压流体的冷凝回流将高压流体中较高沸点的组分在较高温区分离出来，同时确保分离出的气体中包含较高沸点的组分远远低于传统平衡闪蒸方式，而且分离方式只依靠重力无须外来机械部件和特殊流道设计【4】。

图3　新型分凝分离式内复叠节流制冷循环1.压缩机;2.冷凝器;3一级逆流热交换器;4.分凝分离器;5.二级逆流热交换器;6.节流装置;7.蒸发器

本文也就气液分离器进行了讨论。在自动复叠式制冷循环中，气液分离器的分离效果至关重要。近些年大家对气液分离器的研究也层出不穷。我们对丝网式气液分离器进行讨论分析，传统的气液分离器中，雾沫分离器都是圆盘样式的，一般是由丝网缠绕紧压在一起而成型的，安装在设备里面气体出口附近。这种分离器由于丝网紧压在一起，且无导流装置，碰撞到分离器的雾沫没有汇集的渠道，雾沫很难汇集成液滴流下来，即使有部分小的液滴形成，也容易被气体出口附近的高速气流再次雾化不利于气液分离。对于立式气液分离器，笔者的基本思想是扩大混合制冷剂的流通截面，降低流速，同时尽可能增加气液混合工质在分离器中的时间，依靠重力的方式使液滴沉淀下来，避免液体再次被雾化造成气液分离效率下降。

所以对于丝网式气液分离器我们可以将分离器内部圆盘形设计为锥形，倒扣放置，丝网为上置丝网，将丝网设计成为椭圆形状，在每一层中间加设导流筋。

(1)设计成锥形是因为锥形比圆形固定性更强，接触面积更大，使气液混合物留在气液分离器的时间加长，倒锥型使流体一部分延壁面留下，避免了被雾化的可能。

(2)将丝网拉成菱形便于液体下流，并且椭圆形丝网能一定程度上避免堵塞现象。

(3)在每一层中加设导流筋可以增强导流效果，并且使丝网用量减少。

(4)该分离器制作简单，且丝网用量减少，无需大的投资。

4参考文献

[1] 刘卫党.三元非共沸工质自动复叠低温设备的研制[D].哈尔滨：哈尔滨商业大学，2012

[2] 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

[3] 赵向阁.时阳.三级自动复叠系统混合工质配比设计与验证[J].低温工程，2011，(2)：66-68

[4] 刘建丽，公茂琼，吴剑锋，等.一种新型分凝分离式混合工质内复叠节流制冷机的实验研究[J].低温与超导，2001,29(2):6-11.

[5] 周生贤，王晓丹，肖广苓.改造气液分离设备 提高分离效率[J].化工设计通讯，2011，37(3)：2

*王生软.非共沸混合制冷剂配比对自动复叠制冷系统的影响[C].第八届全国低温工程大会暨中国航天低温专业信息网2007年度学术交流会论文集

Automatic Cascade Refrigeration System of Refrigerant Components Separation Research

ZHENG Dayu，CHEN Qiuyan

(Harbin University Commerce，Harbin 150028)

Abstract：With a single agent for refrigerant single-stage vapor compression refrigeration system was limited due to condensing pressure and compression ratio determined by the environment temperature,normally only applied in the temperature range of more than 200 k.And use a single refrigerant will be limited due to low evaporation pressure on the poles of the cycle,or refrigerant solidification.Multiple nonazeotropic mixed working medium automatic cascade can achieve in temperature range of 100 k,but as a result of working medium,the separation of gas and liquid two is not completely,make the system energy efficiency is low,the capacity is small,so that its application has great limitations.So study the phase change law of refrigeration technology and refrigeration equipment,improve the separation effect of the system,has important theory value and application significance.

Key words:Automatic cascade system;Mixed refrigerant;Component separation;Gas liquid separator;Separation efficiency

[中图分类号]TU443[文献标示码]A

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.01.003

文章编号：ISSN1005-9180(2015)01-014-05

作者简介：郑大宇(1965-)，男，教授，研究方向：自动复叠式制冷。Email：ZhengDayu2000@163.com

收稿日期：2014-10-24