−150 ℃四级自复叠制冷系统的实验与分析

徐琳娇，张 华，肖丽媛，王国栋

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

自复叠制冷系统是采用一台压缩机，工质采用两种及以上的非共沸制冷工质的制冷系统。该系统可以用于制取−40 ℃至−160 ℃的低温［1-2］。传统制冷系统在制取低温时面临压缩机压比过大，润滑油在低温区凝固等一系列问题，因此自复叠系统在低温区的应用具有广泛的前景。目前对自复叠制冷系统的研究主要集中在：①对原有流程的改进，如采用新型换热器；② 采用新型的制冷工质，如采用多元工质，自然工质替代等［3］。为了达到−150 ℃的柜温，本文采用一种四级自复叠制冷系统，将由R600a、R134a、R23、R14、R50 和R740 等6 种工质组成的非共沸混合制冷剂，并分析低温箱体的降温特性、压缩机的运行特性和混合工质的节流特性。

1 四级自复叠制冷系统

图1 为设有一个回热器和四个逆流换热器的单级压缩四级自复叠制冷系统原理图。该系统理想工作流程为：混合工质经压缩机A 压缩为高温高压气体，经过油分离器B 后进入冷凝器C 冷凝，其中高沸点工质大部分被冷凝为液体，中、低沸点工质混合物仍为气体，气液混合物进入第一级换热器E1（也为回热器）与从蒸发器内出来的低温工质和每级回气的混合工质气体进行换热并被进一步冷却，然后进入气液分离器F1，在重力的作用下气液分离，中、低沸点气态混合物经F1的顶部进入下一级换热器E2，高温液态工质自F1的底部经过毛细管G1节流降压降温后也进入E2与中、低沸点气态混合物进行换热。在E2中，高温液态工质吸热汽化，并经E2回流到吸气管路中与从蒸发器内出来的低温工质汇合后一起经E1进入压缩机，而中、低沸点气态混合物中的中沸点工质大部分被冷凝为液体，低沸点工质仍保持气态。气液混合物继续进入下一级气液分离器F2。之后，制冷剂混合物在E3、F3、E4、F4经过与上述类似的换热和高、低沸点制冷剂分离，最终液态最低沸点制冷剂经G4节流降温降压后进入蒸发器I 蒸发制冷。蒸发后的气态最低沸点制冷剂经E5回到吸气管路，完成整个循环。

图1 四级自复叠制冷系统原理图Fig.1 Schematic diagram of four-stage auto-cascade refrigeration system

图1 显示在自复叠制冷系统中设置了回热器及逆流换热器，这使得循环中的热交换更加充分，并保证了压缩机吸入蒸汽的过热度，提高了系统循环性能和安全性。该系统中每级中间换热器的回气均通过一根管路回到压缩机，减小了沿程阻力，也使得每级回气口的压力相同，降低了压缩机的排气温度和吸气温度。

2 混合工质选取

混合工质的选取主要需要满足以下条件：①各组分标准沸点的差距需较大，高、低沸点制冷剂沸点间距的适宜范围是40～80 ℃；② 混合工质应具有一定的温度滑移区间；③各组分应相溶且不发生化学反应；④ 所选工质符合环保要求［4-7］。

表1 为通过REFPROP 8.0 生成的本文所采用的6 种工质的主要热物性参数，其中：ODP为臭氧消耗潜能；GWP 为全球变暖潜能。图2为6 种工质的饱和蒸气压力和温度的关系。

图2 饱和蒸气压力和温度的关系Fig.2 Relationship between pressure and temperature of saturated vapor

表1 工质主要热物性参数Tab.1 Thermal properties of the working fluids

本文综合考虑各种工质的物性参数，并结合−150 ℃的低温，选择了R600a、R134a、R23、R14、R50 和R740 等6 种工质作为制冷工质。根据前期的实验经验数据，初步拟定混合工质质量比为30∶25∶17∶15∶5∶8，吸气压力为0.16 MPa，排气压力为1.4 MPa，环境温度为30 ℃，蒸发温度为−150 ℃，系统制冷量为30 W。

3 实验系统的搭建

实验装置原理图如图1 所示。压缩机选用法国泰康FH2511Z 全封闭活塞式压缩机，其功率为2 106 W。本系统选用风冷式冷凝器，采用浙江高翔公司生产的FNH−2.9/8 冷凝器，冷凝面积为8 m2，可满足要求。

中间换热器E1～E5选用螺旋盘管式换热器，采用理论计算与实际经验估算相结合的方法，采用10 mm 直径粗管和6 mm 直径细管盘绕制得五级中间换热器。

蒸发器采用螺旋盘管式蒸发器，与中间换热器一同设置在一个大体积的低温箱体中，箱内分为两个空间，一侧放置蒸发器，并用分子泵对箱体内进行真空处理，以减少与环境之间的换热，另一侧放置中间换热器，并用聚氨酯发泡保温。

节流装置采用毛细管，这是由于在多级自复叠制冷系统中制冷剂的流量均较小，并且靠后的几级工作温度均较低，这就限制了热力膨胀阀和电子膨胀阀的应用。选定内径为0.6 mm 的毛细管，通过计算获得各段毛细管的尺寸，结果如表2 所示。

表2 毛细管的尺寸参数Tab.2 Size of the capillaries

4 实验数据分析

实验在环境温度32 ℃的条件下进行，以下数据实时记录了实验台从开机到稳定运行过程中系统参数的变化。下面对这些结果进行分析与讨论。

4.1 系统降温特性

图3 为蒸发器内中心位置的空气温度（本文称之为柜内温度）与蒸发器入口制冷剂温度随时间变化曲线。由图可知，开机后，蒸发器入口制冷剂温度先迅速下降，在约80 min 时开始缓慢下降。柜内温度变化规律与蒸发器入口制冷剂温度变化趋势基本一致，由于蒸发盘管与柜内空气之间存在传热热阻，所以降温比蒸发器入口制冷剂温度延迟。在开机500 min 后，柜内温度降至−153 ℃左右并保持稳定，与蒸发器入口制冷剂温度保持9 ℃左右的温差。

图3 蒸发器降温曲线Fig.3 Cooling curves of the evaporator

4.2 压缩机的运行特性

图4 为压缩机吸、排气压力变化。开机后，吸气压力迅速下降至0.16 MPa 并基本稳定；排气压力迅速升高至2.0 MPa，100 min 后逐渐稳定在1.5 MPa，之后又随环境温度变化波动，6 h 后稳定在1.4 MPa。最终吸气压力稳定在0.16 MPa，排气压力稳定在1.4 MPa。分析原因是：压缩机启动瞬间，压缩机吸气温度较高，接近环境温度，使系统排气压力较高，触发旁通调节。随后吸气温度和吸气压力均下降，排气压力随之下降。

图4 压缩机吸、排气压力变化Fig.4 Suction and exhaust pressure of the compressor

图5 为压缩机吸、排气温度变化。由图可以看出，吸、排气温度在开机后变化幅度均较大，并在运行约400 min 后开始进入稳定阶段。循环平衡后，吸气温度稳定在22 ℃左右，排气温度稳定在100 ℃左右。与推荐值相比，压缩机排气温度仍较高。造成排气温度高的原因主要有：①压比仍然较大；② R23/R14 工质在常温下的绝热压缩指数较大；③系统中的低温制冷剂R740 可能没有液化或者只有少部分液化，从而导致系统的排气压力升高。

图5 压缩机吸、排气温度变化Fig.5 Suction and exhaust temperature of the compressor

4.3 各级毛细管节流降温特性及节流前、后温度变化

图6 为系统各级毛细管节流降温特性。从图可以看出，各级毛细管G1～G4节流后温度均先迅速下降再缓慢下降，最后稳定。毛细管G1出口温度随着高温级制冷剂R600a、R134a 的充注首先迅速降低，最先到达稳定温度−63 ℃，紧接着毛细管G2、G3的出口温度也分别到达稳定温度−82 ℃和−111 ℃，毛细管G4最后到达稳定温度−160 ℃。自复叠制冷系统工作原理是前一级液体节流蒸发冷凝后一级气体，因此前一级工质达到稳定工作状态是后一级工质达到稳定工作状态的前提和基础。显然，各级毛细管节流后稳定变化符合这一规律。最后一级毛细管节流温度达到−160 ℃，为柜内温度顺利降至−150 ℃奠定了基础。

图6 各级毛细管节流降温特性Fig.6 Cooling characteristics of the capillary throttling at different stages

图7 为第一、二、三级毛细管G1、G2、G3节流前、后温度变化。压缩机启动后，制冷工质的流量逐渐增大，毛细管G1、G2、G3的节流降温效果也逐渐明显。系统运行前30 min内，毛细管G1、G2、G3的进、出口温度均迅速降低，500 min 后基本达到稳定。系统运行稳定后，毛细管G1的进口温度稳定在−51 ℃，出口温度稳定在−63 ℃，实际降温仅12 ℃。这是由于第一级换热器E1内存在回热利用。毛细管G2进口温度稳定在−61 ℃，出口温度稳定在−82 ℃，实际降温达21 ℃，符合预期降温要求。这说明毛细管G2的设计长度符合要求。毛细管G3进口温度稳定在−81 ℃，出口温度稳定在−111 ℃，实际降温达30 ℃，同样符合预期降温要求。这说明毛细管G3的设计长度和通过G3的液相混合制冷工质流量均符合要求。

图7 毛细管G1、G2、G3 节流前、后温度变化Fig.7 Temperature variation before and after capillary throttling of G1，G2，and G3

当系统稳定运行后，混合制冷工质在毛细管G1、G2和G3的进口均处于饱和液体状态。随着其在毛细管道内降压降温过程的进行，液相混合工质不断汽化。由于管道摩擦阻力损失使混合工质的压力逐渐减小，混合工质中的液相工质不断被汽化，气相混合工质逐渐增多，液相混合工质逐渐减小。由于气相工质的比容大于液相工质的比容，混合工质在毛细管内的流速不断增大，在毛细管的出口形成喷射状流动。系统启动初期，液相工质较少，毛细管进口为气液混合物，无法形成液封，毛细管出口为气相工质；随着液体工质流量逐渐增多，毛细管出口逐渐成为气液混合物，且液相混合工质量流量逐渐增大，直到系统稳定后不再变化。

图8 为毛细管G4节流前、后温度变化。由图中可见，开机后，毛细管G4的进、出口温度迅速降低，最终稳定时的进口温度为−145 ℃，出口温度为−160 ℃，降温15 ℃，未达到预期降温要求。这说明毛细管G4的设计长度太短，需要增加其长度，其原因是通过毛细管G4的液相混合制冷工质流量偏少，即气液分离器F3分离出的液相混合制冷工质流量偏少。

图8 毛细管G4 节流前、后温度变化Fig.8 Temperature variation before and after the fourth stage capillary throttling

5 结 论

（1）四级自复叠制冷系统由于其工质种类多、系统部件多等原因，在设计搭建实验时，各部件的设计、选型和布置方式都要尽可能做到科学、合理，以确保压缩机的顺利回油和保证压缩机吸入蒸汽的过热度，提高冷量利用率，避免在低温下出现液击、结冰堵塞压缩机的现象，尽量提高系统循环性能和安全性。

（2）自复叠制冷系统随着制冷剂种类增加，排气压力和排气温度均增至非常高，且制冷剂充注量有限，这严重限制了自复叠制冷系统的安全运行和能效。

（3）通过数据分析发现，压缩机的吸、排气压力和吸、排气温度关乎系统能否安全稳定的运行，每级毛细管的长度关乎系统的降温特性。