三级自动复叠制冷系统混合工质运行过程分析

肖丽媛，张华，张庆庆

（上海理工大学制冷与低温工程研究所，上海 200093）

三级自动复叠制冷系统混合工质运行过程分析

肖丽媛*，张华，张庆庆

（上海理工大学制冷与低温工程研究所，上海 200093）

本文分析了非共沸混合工质自动复叠制冷循环（ARC循环）的特点；设计了一个单级压缩、两级分凝、三级自动复叠的制冷系统，该系统能在-120 ℃的制冷工况下稳定运行。文中进行了循环特性分析，结合R134a/R23/R14三级自动复叠制冷系统理论模型以及R134a/R23/R14经典配比为65/20/15时实验的运行数据，对冷凝器、蒸发冷凝器和分凝器中的混合工质运行过程进行了详细的分析，并对设备各点进行了热力计算，结果表明：冷凝器中要尽量达到最佳冷凝终止温度；选用套管式换热器可减少混合工质的充注量；增加分凝换热器也使得系统的热力学效率得到提高。

自动复叠制冷；混合工质；热力计算

0 引言

自动复叠制冷系统循环技术（Auto-cascade Refrigeration Cycle，ARC）采用一个普通低温压缩机制取很低的温度，其奥妙在于“一级压缩，多级复叠，自动分离”，即混合工质一次压缩后，在多级复叠管路中的多个冷凝蒸发器中逐级分离，使沸点最低的制冷剂进入蒸发器，制取预定的低温。

ARC系统具有良好的适应性，在对硬件部分不做重大改变的情况下，通过选择合适的混合物组成，不但可以获得从-40 ℃～-200 ℃较广的制冷温度区间，特别适用于小型低温装置[1-3]，而且可以采用对臭氧无破坏作用的绿色工质，满足环保的需要[4-5]。

ARC系统采用单压缩机驱动，保持了单级蒸气压缩制冷循环的优点，同时具有结构简单、性能可靠、寿命长、成本低等特点，并被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[6-8]。由于循环本身可以实现压缩机的高效回油，很好地克服了常规深冷制冷机在回油方面的诸多弱点，实现了可靠性方面质的提升，成为低温深冷制冷机的重要发展方向，是近年来国内外研究的热点之一。朱军韬和张华[9]对单级自动复叠制冷系统混合工质进行了理论模拟，芮胜军等[10]对于两级自复叠，三元混合工质的组分变化规律及运行特性进行了理论研究。陈林和张信荣[11]提出了CO2两级复叠式循环概念并进行了实验测试，余华明和徐言生[12]也比较分析了3种常用的自然复叠制冷系统的蒸发温度、COP、压缩机排气温度等运行参数特性。吴啸等[13]在其研究的课题中详细分析了自复叠制冷系统中关于气液分离器液体温度偏低、蒸发器内换热系数和制冷量偏小的问题。本文基于非共沸混合工质的ARC循环的特点，分模块对多元混合工质在不同设备中的运行过程进行了分析。

1 混合工质循环过程分析

随着蒙特利尔议定书的严格执行，自动复叠节流制冷系统最早使用的混合制冷工质R12、R13和R21等已经被严格禁止使用[14]，因此需要研究适合于自动复叠制冷系统的新型替代工质。

适用于自动复叠制冷系统的混合工质组元沸点间距以40 ℃～80 ℃为宜，现适用的混合工质组元大致分为三类。1）高沸点制冷剂：R600a（Isobutene）、R134a（CF3CH2F）、R22（CHClF2）和R290（Propane）；2）中沸点制冷剂：R23（CHF3）、R32（CH2F2）、R170（Ethane）、R744（Carbon dioxide）和R1150（Ethylene）；3）低沸点制冷剂：R14（CF4）、R50（Methane）、R728（N2，Nitrogen）和R740（Ar，Argon）。本文所选用的3种工质热物性参数见表1所示。

表1 工质热物性参数表

图1为一种常见三级自动复叠制冷系统示意图，此循环系统选用R134a/R23/R14混合工质为制冷剂，过程如下：R134a/R23/R14混合制冷工质经过压缩机压缩后排入到冷凝器，在冷凝器中混合制冷工质温度不断降低，达到其露点温度以后有液相析出，高沸点工质在冷凝器内大部分被冷凝为液体，中低沸点工质大部分仍然保持气态；从冷凝器出来的气液混合物中，气相为富含R14的R134a/R23/R14混合工质，液相为富含R134a的R134a/R23混合工质（由实验经验，此时液相中的R14的含量很小，可以忽略）。气液相混合工质经干燥过滤器后进入高温级气液分离器D，在重力作用下气体与液体实现自动分离；液相R134a/R23混合工质经高温级气液分离器D底部送至高温级节流阀E节流，然后与中温级返回混合工质混合然后一同在高温级冷凝蒸发器G低压通道中蒸发制冷，蒸发后的气体经分凝换热器F进一步蒸发回到压缩机吸气管路；气相R134a/R23/R14混合工质经高温级气液分离器D的上部进入分凝换热器F进一步提纯，大中沸点工质为液体而低沸点工质仍然保持气态；从分凝换热器F出来的R134a/R23/R14气相混合工质经冷凝蒸发器G高压通道变温部分冷凝，出来的气液混合物进入中温级气液分离器H，在重力作用下气体与液体实现自动分离；中温级混合工质过程与高温级混合工质变化过程同理；最后，从低温级冷凝蒸发器K中出来的富含R14的R23/R14液相混合工质经低温级节流阀L节流后在蒸发器M低压通道中蒸发制冷，释放冷量后返回到中温级，与中温级气节流后的点13混合工质混合继续参与循环。

这种逐步冷凝和分离有许多优点：首先使工质有效的分离可以降低蒸发器的温度滑移，减少蒸发器的能量损失；其次能使换热器高低压的水当量更好的匹配，减少换热器的能量损失；再次润滑油也可以被更好地分离，防止低温端节流元件阻塞[15]。混合工质在系统中运行，初始充注混合工质组分摩尔比一般不等于系统运行过程中的混合工质摩尔比。本文若不做特别说明，混合工质摩尔比为系统运行时的摩尔比。

2 主要部件中混合工质运行过程分析

根据上面对冷凝器的分析过程，可以得到图4变温热源时逆卡诺循环原理图，其中蒸发器恒压变温过程与冷凝器恒压变温过程类似。冷凝时冷凝器中混合工质温度分布变化趋势，由Tk降到Tk’，而与之逆流的冷却水蒸发是由To逐渐升高至To’，冷却水与混合工质之间的温差比经典逆卡诺循环的温差有所减少，有利于传热过程，并且，由于变温差传热的不可逆损失也相对于等温相变过程有所减少，从而达到节能的目的。非共沸混合工质这种温度滑移[18]的特殊特点，使得自动复叠制冷实际循环过程更接近劳伦兹循环，系统性能得到提高。图5为非共沸混合制冷工质单级蒸气压缩制冷循环的T-s图和lgP-h图。

表2是根据本文模拟程序计算的混合工质随冷凝温度的组分表，冷凝压力为2.3 MPa，温度由实验经验从压缩机出口380 K逐渐减小，三元混合工质R134a/R23/R14的运行组分质量配比为65/20/15。

图4 变温热源时逆卡诺循环

图5 非共沸混合工质单级压缩循环的T-s图和lgP-h图

表2 混合工质在2.3 MPa时冷凝特性

2.2 冷凝蒸发器中混合工质运行过程分析

套管式冷凝蒸发器如图6所示，且对应到三级自动复叠制冷系统图1中的系统测量点。三元R134a/R23/R14气相混合工质被压缩机压缩到冷凝压力后，由点5进入冷凝蒸发器高压侧，在套管式换热器中，一般把内管作为高压侧，夹层作为低压侧，这是因为低压侧蒸发时气液混合工质的液体量较多，这样安排有利于减少混合工质的充注量；之后经冷凝三元混合工质为气液两相从点6出。低压侧混合工质均为R134a/R23/R14气液两相从点18进入蒸发后点19出，且气液相组分摩尔比不变，只是温度降低。

3 结果分析

图8 R134a/R23/R14 三级自动复叠制冷系统空间压焓图

4 结论

本文在三级自动复叠制冷系统实际实验台的基础上，对实际系统中的冷凝器、冷凝蒸发器和分凝器中混合工质运行情况进行了详细的分析说明，得到如下结论：

1）在冷凝器中要尽量达到最佳冷凝终止温度，此时混合工质干度和气液相组分摩尔比最佳，符合系统循环要求；

2）系统中选用套管式换热器，把内管作为高压侧，夹层作为低压侧，这样安排有利于减少混合工质的充注量；

3）系统中增加分凝换热器，可以进一步提纯低温组分的纯度，使工质在节流前充分预冷，降低节流损失而达到提高热力学效率的目的。

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Analysis of Operating Condition about Mixed-refrigerant in Three Stage Auto-cascade Refrigeration System

XIAO Liyuan*1, ZHANG Hua, ZHANG Qingqing
(Institute of Refrigeration and Cryogenic Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The characteristics of non-azeotropic mixed-refrigerant in an auto-cascaded refrigeration cycle (ARC) are analyzed. A refrigeration system with a single stage compressor, two stage dephlegmation and three stage auto-cascaded cycle is designed, and this system can stably work under −120oC. The characteristics and operation condition of the cycle are also analyzed based on the theoretical model and experiment date of three stage ARC system. Experiments are conducted under a composition ratio of R134a/R23/R14 of 65/20/15. Detailed information about the mixed-refrigerant in the condenser, the evaporative condenser and the dephlegmator are obtained through the model and experimental date. The result shows that the optimum condensing temperature should be achieved in the condenser; the double-tube heat exchanger is able to reduce the charge of mixed-refrigerant; the partial condensation heat exchanger improves the thermodynamic efficiency of the system.

Auto-cascade refrigeration; Mixtures; Thermodynamic calculation

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.01.202

*肖丽媛（1991-），女，在读硕士研究生。研究方向：制冷与低温工程。联系地址：上海市杨浦区军工路516号能源与动力工程动力一馆，邮编：200093。联系电话：15901792836。E-mail：593666515@qq.com。