碳氢工质R600a/R1150在低温冰箱中的应用研究

袁盛通，张 华，杨 梦，周子佳，柏霄翔

（上海理工大学制冷及低温工程研究所，上海 200093）

0 引言

进入21世纪以来，随着人们对于全球变暖问题严重性的愈发重视，世界各国尤其是发达国家和地区纷纷开始采取措施，限制高GWP（全球变暖潜能值）的HFCs（氢氟烃）制冷剂在不同制冷装置中的应用[1-3]。制冷剂是制冷系统的血液，根据中国HCFCs（氢氯氟烃）淘汰管理计划及相关统计数据，制冷空调行业HCFCs制冷剂消费的基线水平（2016年消费量）超过16万吨[4]，HFCs制冷剂的消费量仍将保持较快的增长，制冷空调设备的生产规模将保持相应的快速增长，制冷剂的消费总量也将不断增加[5]。

随着环境对制冷行业的要求越来越高，环保制冷剂的替代研究已成为制冷空调领域的热门研究课题，在选择替代制冷剂时，需要综合考虑制冷剂本身的热物性和制冷系统的节能性、环保性、安全性、经济性等各方面的性质[6-7]。2016年《蒙特利尔议定书》“基加利修正案”的签订进一步限定高GWP的HFCs工质的使用[4]，这将有效减少HFCs的排放。近年来，全球范围内的多个相关组织和公司开展了替代制冷剂的研究工作，取得了一些重要成果[8]。目前制冷行业主要有HCs、NH3、CO2、低GWP值HFCs以及HFOs（氟烯烃）等替代制冷剂可供选择[7，9]，其中HCs和HFOs是近期国内外研究的热点。

自复叠制冷循环（Auto-cascade Refrigeration System，ARC）最早使用的混合制冷工质R11、R12、R13、R21和R22等已经被严格禁止使用，现在常用的制冷剂R134a、R23也被列入受控名单将要被淘汰，这就需要研究探索适合于ARC系统的新型替代工质。ARC系统结构部件相对简单，但是ARC系统内部混合工质本身的热力学性能和传热传质过程非常复杂[10]。国内外学者对应用在ARC系统中的非共沸混合制冷工质物性的研究主要集中在：（1）混合工质热物性的准确预测；（2）混合工质相变规律，主要指气-液相平衡预测；（3）混合工质节流特性；（4）混合工质循环优化设计，包括循环运行参数优化和混合工质配比优化[11]。

Kim等[12]将CO2作为混合工质组分应用在ARC系统中，采用混合制冷工质R744/R134a、R744/R290进行测试，结果表明，R744与高沸点制冷剂在合理的配比情况下可以得到较好的制冷效果。Walimbe等[13]研究分析了Ne、N2和HC混合工质的T-h图和p-h图，表明在-193℃时采用混合制冷剂Ne、N2和HC可以得到6 W的制冷量且输入功率仅为868 W。Luo等[14]运用修正的溶液模型计算了混合工质的液固相平衡特性，给出混合物的液固相平衡特性对液氮温区节流制冷机的影响结果[15-16]。

ARC系统工质的组分确定以后，最重要的任务就是确定混合制冷剂的组分配比，近年来关于混合工质充注量和配比对自复叠制冷循环特性影响的研究很多。其中杜垲等[16]对冷凝温度为77～97℃和0～20℃蒸发温度区间内的R134a/R123自复叠热泵系统浓度配比进行了优化计算和分析。Venkatarathnam等[17-18]研究指出，混合工质的组分配比在蒸发温度为-73℃时，可以选择的工质配比有：R23/R142b（7.9/92.1）、R22/R142b（57.7/42.3）、R23/R134a（18/82）和R23/R125/R134a（15/25/60）。Wang等[19]进行了组分变化时混合制冷剂R600a/R290/R1150/R50/R728、R23/R134a和R170/R290对自复叠制冷系统性能影响的实验。

本文以低温冰箱为研究对象，进行了R600a/R1150与R600a/R23/R14两种混合工质在两级自复叠制冷循环系统-80℃温区的应用实验，对不同质量配比的R600a/R1150在不同环境温度下进行了测试，并与R600a/R23/R14进行对比分析，从系统性能和充注量两方面验证了R600a/R1150作为非碳氢混合制冷剂的替代物的可行性，对纯碳氢混合制冷剂作为非碳氢混合制冷剂的替代物的研究具有一定的参考作用。

1 低温冰箱实验系统

1.1 实验装置

1.1.1 低温冰箱性能测试系统

低温冰箱在上海理工大学冰箱性能测试实验室中测试，冰箱性能测试实验室按照国家标准（GB/T 8059.1-4-1995）[20]搭建，由测试环境室、温/湿度控制系统、电控及数据采集测量系统构成。图1为冰箱测试系统的示意图。

图1 低温冰箱性能测试系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the cryogenic refrigerator performance tests system

测试室内的温度和湿度采用空气调节的方式控制，由两个PID控制器调节制冷系统、加热棒和加湿器实现，在24 h内的波动分别为±0.5℃和±2%。室内空气采用顶部孔板送风的形式，以保证空气流动速度＜0.25 m/s。测试环境室内的温度和湿度控制范围分别为-10～45℃和0%～100%，满足实验设计工况的需求。实验时冰箱放置在黑色木板平台上，其中冰箱的两侧和后侧均设有黑色木板（两侧0.3 m，后侧0.1 m），以减小辐射换热对冰箱外壁散热的影响。

1.1.2 实验装置主体

（1）实验设备采用海尔578L立式低温医疗冷柜箱作为实验对象，直接利用发泡在箱体里的蒸发盘管作为蒸发器，采用SECOP的GS26CLX型压缩机；

（2）根据制冷循环系统主要设备的理论计算，可以确定两级自复叠制冷循环系统的设备和管道尺寸，表1列出了实验系统主要设备及规格型号。

表1 实验系统主要设备及规格Tab.1 Main equipment and model of experimental system

1.2 实验系统流程

在-80℃温区的常规制冷系统中一般采用双机复叠系统，高温级采用常规制冷剂如R404A、R134a以及碳氢工质R600a、R290等，低温级主要采用R23，但是R23的标准沸点为-83.3℃，制取-80℃的低温时吸气压力接近于101 kPa。常规的两级自复叠系统，一般采用两种或者多种制冷工质，一般可以达到-40～-70℃。为了提高制冷系统的降温深度，改善自复叠制冷循环的性能，提高系统冷量的利用率，系统中增加了回热器，如图2中的K2所示。图2为两级自复叠制冷循环系统流程图以及关键位置温度和压力测点。

图2 单级压缩两级自复叠制冷循环系统流程图Fig.2 Diagram of single-compressor two-stageARC system

碳氢混合工质在初启动时排气压力较高，为了降低系统的排气压力增加了压力调节装置。此压力调节装置的机制为：通过旁通电磁阀D及膨胀容器E来改善压缩机A启动时由于大量气态制冷工质聚集在冷凝器C内部而造成排气压力过高的问题。用压力控制器控制旁通阀的通断，使系统运行初期的不凝性气态制冷工质经过毛细管J3接入系统的回气端，从而加快系统初期的降温速度。

1.3 低温冰箱的热力循环计算与分析

设计-80℃的低温复叠设备时，若采用5℃的传热温差，则需要设计的蒸发温度为-85℃。本文以27℃作为冷凝器出口和气液分离时的温度。在27℃、1.8MPa时液相中R600a和R1150的质量分数比为82.17/17.83，气相中R600a和R1150的质量分数比为35.33/64.67，经气液分离器后气相中R600a的比例还有35.33%，蒸发压力为0.15 MPa。

建立完整的带回热利用的两级自复叠热力循环模型和热力学计算流程图，如图3所示。首先确定设计参数，制冷量Qe或者蒸发器出口温度T12、吸排气压力pe和pc，然后根据气液相平衡确定混合工质的充注比例z、冷凝温度及冷凝蒸发器高压通道出口的温度T9、T10，由气液分离器的热力学模型和设计参数计算出T4L点、T8点、T9点、T10点和T12点的物性参数。通过毛细管的节流原理以及T4L点和T10点的焓值计算T5点和T11点的物性参数。根据混合器的热力学模型计算出T6点的物性参数，根据冷凝蒸发器的热力学模型计算出T14点和T7点的物性参数，通过7点的温度和过热度计算T1点的物性参数，然后通过压缩机的热力学模型计算T2点的物性参数，由此完成整个两级ARC热力循环物性参数的计算。表2分别列出了R600a和R1150的质量分数比为70/30、60/40、50/50时的热力循环物性参数计算结果。

图3 两级ARC系统循环热力学计算流程图Fig.3 Block diagram of calculation program of two stageARC system

表2 两级ARC系统循环热力学计算Tab.2 Thermodynamic calculation of two stageARC system

两级自复叠热力循环的理论COP的计算方法为：

R600a/R1150两级自复叠制冷系统在70/30、60/40、50/50三种配比下的理论COP分别为34%、57%和53%。这表明R600a和R1150的质量分数比为60/40时有更好的COP，接下来的实验将在60/40的比例附近取不同的配比进行测试和分析。

2 实验数据与研究分析

2.1 R600a/R1150不同配比实验结果分析

为了研究混合工质R600a/R1150在两级自复叠制冷循环系统中的循环性能，基于理论计算结果，R600a/R1150配比在60/40有更好的COP，对混合工质R600a/R1150在60/40附近取不同配比并在不同环境温度下进行实验测试，实验结果如表3和表4所列。表3是R600a/R1150在25℃环境温度下，不同配比时系统稳态的主要特征点温度，可以看出，配比6、7、8的主要特征点温度基本接近，配比为8时，箱内温度达到-81.4℃，但是配比为7时，系统的排气压力较低，为1.68 MPa。表4是R600a/R1150在32℃环境温度下，不同配比时系统稳态的主要特征点温度，从中可以看出，配比6、7、8的主要特征点温度也基本接近，配比为8时的箱内温度达到-78.8℃，但是系统的排气压力为1.75 MPa。综合考虑到系统的运行压力，工质的充注量以及环境温度的影响，配比7为最优配比，配比7中R600a/R1150的充注比例为62/38。

表3 25℃环境温度下R600a/R1150各种配比在稳态下的特征点温度Tab.3 Characteristic points temperature of various ratios of R600a/R1150 at25℃ambient temperature

表4 32℃环境温度下R600a/R1150各种配比在稳态下的特征点温度Tab.4 Characteristic points temperature of various ratios of R600a/R1150 at 32℃ambient temperature

2.2 R600a/R1150与R600a/R23/R14实验结果分析

为了验证R600a/R1150可以作为非碳氢混合制冷剂的替代混合制冷剂，在32℃的环境温度下，将R600a/R1150的混合配比实验结果与R600a/R23/R14的混合配比实验结果进行对比分析。图4（a）是R600a/R1150在总充注量为210 g时系统从开机到稳定运行时的压缩机吸排气压力变化图。图4（b）是R600a/R23/R14在总充注量为330 g时系统从开机到稳定运行时的压缩机吸排气压力变化图。图5（a）是使用R600a/R1150混合工质时压缩机吸排气温度曲线图，图5（b）是使用R600a/R23/R14混合工质时压缩机吸排气温度曲线图。从图4（a）和（b）的对比分析中，可以看出，使用R600a/R1150混合工质的系统吸气压力约为0.11 MPa，对比使用R600a/R23/R14混合工质系统的吸气压力0.125 MPa略低0.015 MPa；使用R600a/R1150混合工质的系统排气压力约为1.9 MPa，对比使用R600a/R23/R14混合工质系统的排气压力1.75 MPa高0.15 MPa。两种混合工质在最优工况的吸排气温度和压力较为接近。

图6（a）、（b）分别为R600a/R1150和R600a/R23/R14的制冷系统降温曲线图。从两图的对比分析中可以看出，使用R600a/R1150混合工质的系统蒸发器进口温度约为-83℃，但是箱内温度和箱内壁温度均比使用R600a/R23/R14混合工质的系统所达到的温度要低；使用R600a/R23/R14混合工质时蒸发器进口温度约为-86℃，箱内所达到的温度为-75℃，箱内壁温度-77℃，比使用R600a/R1150混合工质的系统平均高约2℃。使用R600a/R1150混合工质的系统总充注量为210 g，对比使用R600a/R23/R14混合工质的系统总充注量330 g减少了36.4%。通过以上的对比分析可知，利用同一实验系统，使用R600a/R1150混合工质的系统性能不仅优于使用R600a/R23/R14混合工质的系统，而且混合工质的充注量也减少了1/3多。

图4 压缩机吸排气压力变化曲线Fig.4 The suction and discharge pressure curves of the compressor

图5 压缩机吸排气温度变化曲线Fig.5 The suction and discharge temperature curves of the compressor

图6 制冷系统降温曲线Fig.6 Cooling curve of the theARC refrigeration system

3 结论

本文研究了R600a/R1150作为两级自复叠制冷系统混合工质的循环性能，对混合工质R600a/R1150在不同配比以及不同环境温度下进行实验测试，得出如下结论：

（1）对比不同配比下系统的运行压力、工质的充注量及环境温度的影响，得到配比7为最优工况，配比7中R600a/R1150的充注比例为62/38。此配比下，系统在25℃环境温度下，箱内温度可以达到-80℃，系统排气压力为1.68 MPa；在32℃环境温度下，箱内温度可以达到-77℃，系统排气压力为1.81 MPa。

（2）在32℃的环境温度下，对比分析了最优工况下R600a/R1150的混合配比实验结果与R600a/R23/R14的混合配比实验结果。通过对比分析可知，同一实验系统，两种混合工质的吸排气温度、压力以及蒸发器进口温度较为接近，且使用R600a/R1150混合工质的系统箱内温度比R600a/R23/R14系统低约2℃。表明，使用R600a/R1150混合工质的系统的性能不仅优于使用R600a/R23/R14混合工质的系统，而且前者的充注量比使用R600a/R23/R14混合工质的系统减少了36.4%。验证了R600a/R1150作为非碳氢混合制冷剂的替代混合制冷剂的可行性，对纯碳氢混合制冷剂的进一步研究具有一定的参考意义。