R404A/R508B复叠式超低温制冷系统试验研究

贾卿晨 王雪晨

1.合肥智测电子有限公司 安徽合肥 230000；2.安徽水安建设集团有限公司 安徽合肥 230000

相对于单机制冷系统或者单机复叠式制冷系统来说，双机复叠式制冷系统能够提供相对充足的制冷量[1]，但不足之处是其结构较为复杂，零部件较多，体积较大，导致双机复叠式制冷系统的实现较为困难。目前，双机复叠式制冷系统由两部分组成，一部分为高温端制冷系统，另一部分为低温端制冷系统，两套制冷系统都是完整的系统，其中高温端的蒸发器可以视为通过套管为低温端的冷凝器降温。

在对复叠式制冷系统的运行机理进行的研究与探索中，刘寒等[2]依托R404A/R23复叠式超低温制冷试验台，采用控制单一变量的方法，对复叠式制冷循环中一系列制冷系数的影响进行了研究和探索；汪磊等[3]通过搭建R404A/R23复叠式压缩制冷系统，探索了中间温度对制冷系统中其他性能参数的影响；胡春霞等[4]通过搭建的复叠式制冷系统对多级制冷系统的性能进行了深入的研究。

大部分学者研究的复叠式制冷系统中低温端制冷剂主要选用R13或R23，两者均为氟化物，温室效应大，且R508B制冷剂标准沸点为-87.3℃，分别低于R13制冷剂(-81.4℃)和R23制冷剂(-82℃)的沸点值，因此，本文低温端选用环保制冷剂R508B。

本实验针对恒温槽的R404A/R508B复叠式制冷系统进行实验探索，通过在恒温槽中搭建R404A/R508B复叠式制冷系统，调整物性参数，并观察记录高低温端制冷系统的各项运行参数，验证R508B制冷剂在复叠式制冷系统中的制冷效果。

1 复叠式低温制冷系统搭建

1.1 低温制冷系统工作原理

低温端制冷系统由低温端压缩机、油液分离器、过热冷却器、中间换热器(即为低温端冷凝器)、干燥过滤器、毛细管、蒸发器组成，使用R508B制冷剂，其工作流程如下：由低温端压缩机出来的高温高压R508B过热蒸汽，在过热冷却器中进行提前降温，随后，高温高压R508B过热蒸汽进入中间换热器被高温端制冷剂进一步冷凝为高压过冷液体，高压过冷液体经毛细管节流后进入蒸发器吸热汽化为低温低压气体，最后被吸入低温端压缩机压缩为高温高压过热蒸汽。

本实验中的中间换热器采用套管同轴换热器，以增强高、低温端制冷系统间换热效果。

1.2 主要部件选型及参数

通过计算以及实验验证，以确保恒温槽制冷性能达到要求为目标，确定本复叠式制冷系统相关部件参数。其中，高温端压缩机、低温端压缩机均为思科普SC21CL压缩机，功率1600W；高温端冷凝器是翅片式风冷冷凝器，换热面积为9m2；中间换热器为套管同轴换热器，换热面积为1.3m2；高温端制冷系统中的节流装置采用的是丹佛斯热力膨胀阀，低温端制冷系统中的节流装置采用的是毛细管，长度为300mm，内径为1mm；为了防止杂质堵塞毛细管，干燥过滤器为丹佛斯干燥器；恒温槽整体结构采用制冷机组与箱体分置式结构。恒温槽分为上下两部分，上部为液体槽，下部为制冷系统装置，低温端蒸发盘管浸入液体槽中，且槽内加入酒精工质，本制冷系统的目的是使酒精工质降温至-80℃。液体槽内容积为16L，采用不锈钢板焊接而成，且中间充注聚氨酯发泡，满足其保温要求。

2 实验结果

2.1 高温端制冷系统运行情况

高温端制冷系统排气温度和排气压力变化曲线分别如图1、图2所示。由图中可以看出，高温端制冷系统启动后，其制冷量逐渐增大，其排气温度和排气压力随之升高，当高温端制冷系统蒸发温度到达-33℃时，温度开关启动，随后低温端制冷系统启动，高温端制冷系统的冷量需求量逐步达到最高值，相应高温端系统的排气温度和排气压力也分别达到73.4℃和15.6bar的峰值。

图1 高温端制冷系统排气温度变化曲线

图3 高温端制冷系统回气温度变化曲线

随着低温端制冷系统蒸发温度和恒温槽内温度降低，制冷系统所需冷量趋于稳定，高温端制系统的排气温度和排气压力开始逐步下降，到最后低温端制冷系统槽内部温度稳定，制冷系统冷量趋于稳定，高温端制冷系统的排气温度和气压力也随之趋于稳定，排气温度维持在65℃左右，排气压力稳定在12bar左右。

2.2 低温端制冷系统运行情况

低温端制冷系统的排气温度变化曲线如图4所示。从图4可以得出，随着低温压缩机的启动，低温端制冷系统的排气温度由常温逐渐增大，在近80分钟后达到顶峰79.3℃，随后由于制冷系统运行趋于稳定，排气温度也随后趋于平稳，并稳定在69℃左右。

图4 低温端制冷系统排气温度变化曲线

低温端制冷系统排气压力变化曲线如图5所示。由图中可以看出，排气压力随着低温端压缩机启动开始变化，10min压力达到11.3bar且逐渐上升，在75分钟初达到峰值15.8bar，随后，由于制冷系统性能趋于稳定，制冷量的需求也随之减少，其排气压力由峰值逐渐降低至12.3bar左右，且趋于稳定。由低温端制冷系统排气温度与排气压力变化可以看出低温端制冷系统运行稳定。

图5 低温端制冷系统排气压力变化曲线

低温端制冷系统吸气压力变化曲线如图6所示。由图中可以看出，随着低温端压缩机的启动，因为制冷量需求的不断增加，其吸气压力也随之上升，且在1小时左右达到峰值1.5bar，随后由于系统运行平稳，吸气压力随之回落并稳定在1bar左右。

图6 低温端制冷系统吸气压力变化曲线

由图7可以看出，随着低温端制冷系统的启动，其蒸发盘管的温度也随之迅速降低，运行10min由11.2℃降到-67.9℃，温降接近80℃，运行40min降到-85℃，温度较为稳定的维持在-86.5℃左右。

图7 低温端制冷系统蒸发盘管温度变化曲线

3 结论

本文针对恒温槽的R404A/R508B复叠式制冷系统进行实验探索，通过在恒温槽中搭建R404A/R508B复叠式制冷系统，调整物性参数，并观察记录高、低温端制冷系统的各项运行参数，客观评价制冷系统的运行状况并得出实验结果：

(1)R508B环保制冷剂完全能够实现制冷目标，是R13及R23制冷剂的良好替代；

(2)本制冷系统实现了-86.9℃的蒸发温度和-80.2℃的恒温槽内温度，实验证明，使用R404A/R508B制冷剂的复叠式制冷系统能够满足恒温槽制冷要求；

(3)低温端制冷系统回气压力比较大，减小了压缩机的吸气容积，从而降低了系统制冷效率。