一種五級自動復(fù)疊制冷系統(tǒng)的初步試驗研究

(上海理工大學(xué)制冷技術(shù)研究所 上海 200093)

自動復(fù)疊制冷系統(tǒng)采用非共沸混合工質(zhì)，通過單臺壓縮機可以制取-60℃以下的低溫，具有結(jié)構(gòu)簡單、高可靠性、長壽命等一系列的優(yōu)勢，并廣泛應(yīng)用于低溫電子、低溫醫(yī)學(xué)、低溫生物、軍工、紅外線探測等方面[1,2]。一般-40～-80℃采用雙級自動復(fù)疊制冷系統(tǒng)； -80～-120℃采用三級自動復(fù)疊制冷系統(tǒng)；-100～-160℃采用四級自動復(fù)疊制冷系統(tǒng)[3]。而制取的溫度越低，系統(tǒng)運行的壓力越高，對工質(zhì)選擇要求也越高，不僅要考慮其蒸發(fā)溫度、凝固點溫度、化學(xué)穩(wěn)定性、毒性等，而且要考慮到系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性；本文針對為了獲得液氮溫區(qū)的制冷溫度，選擇單級壓縮、四級分凝、五級復(fù)疊制冷循環(huán)作為本課題的方案，如圖1所示，在進行進一步的試驗研究前的首要問題就是確定混合工質(zhì)的組分與配比的計算。

1 混合工質(zhì)組分的選擇與配比的初步模擬計算

目前，有關(guān)ARC循環(huán)的混和工質(zhì)的理論方面仍處于探索階段，其組分選擇和最佳配比大多依靠試驗來確定，操作成本較高。根據(jù)前期的設(shè)計經(jīng)驗和實驗結(jié)果，結(jié)合ARC循環(huán)的特點，嘗試適合本課題制冷溫區(qū)的混和工質(zhì)的確定方法。

1.1 混合工質(zhì)組分的選擇

用于ARC循環(huán)的非共沸混合工質(zhì)在循環(huán)過程中有其獨特性的一面:自動實現(xiàn)各組分的分凝、分離和混合的過程。

在選取制冷工質(zhì)要結(jié)合其特點進行選擇的同時考慮到碳氫化合物的可燃性以及運行壓力高等因素，結(jié)合液氮溫區(qū)的制冷溫度，選擇了符合上述要求的六種工質(zhì):R134a、R22、R23、R14、R740、R728，其中不含有碳氫化合物以及被禁用的氟利昂制冷劑，主要熱物性質(zhì)通過NIST模擬以及coolpack軟件查得如表1所示。

適用于系統(tǒng)的混合工質(zhì)存在兩種組合:R134a/R23/R14/R740/R728，R22/R23/R14/R740/R728。這兩種配比區(qū)別在于高沸點工質(zhì)分別選用的是R134a和R22。我們通過NIST軟件，我們可以擬出兩種組合R134a/R23，R22/R23，分別以三種配比3:7、1:1、7:3混合，在不同的壓力條件下，所能達到的最低蒸發(fā)溫度，如下圖2、3。

圖1 實驗循環(huán)系統(tǒng)圖Fig.1 The cycle system of experimentation

表1 實驗工質(zhì)的主要熱物性參數(shù)Tab.1 The main thermal physical parameters of the refrigerants in the experiment

圖2 三種配比，R134a-R23不同壓力條件下的最低蒸發(fā)溫度Fig.2 Variation of the lowest evaporation temperature with pressure of R134a-R23 in three different ratio

圖3 三種配比，R22-R23不同壓力條件下的最低蒸發(fā)溫度Fig.3 Variation of the lowest evaporation temperature with pressure of R22-R23 in three different ratio

將圖5與圖6進行比較發(fā)現(xiàn):在某一壓力下，組合R22-R23相對與組合R134a-R23所獲的最低蒸發(fā)溫度更低；若從獲得最低蒸發(fā)溫度方面著想，則R22/R23/R14/R740/R728更有利但若考慮到高壓側(cè)的飽和蒸汽壓力，系統(tǒng)循環(huán)所采用的混合工質(zhì)組合R134a/R23/R14/R740/R728比較合理。因此選擇混合工質(zhì)的組分時，不僅僅考慮到各組分的物理、化學(xué)性質(zhì)，沸點相差，熱物性等方面的問題，還要綜合考慮混合后的飽和蒸汽壓力和最低蒸發(fā)溫度的問題。綜上，選擇組合R22/R23/R14/R740/R728。

1.2 混合工質(zhì)配比的初步擬定

通過相關(guān)文獻參考[4-12]以及NIST8.0可繪制出混合工質(zhì)的T-X圖，來指導(dǎo)我們預(yù)測混合工質(zhì)配比。

圖4 R740-R728汽液相平衡圖Fig.4 The vapor-liquid phase equilibrium of R740-R728

根據(jù)設(shè)計達到的溫度要求，預(yù)測汽液分離器D4的溫度為-143℃。如圖4 R740-R728在高壓2.2MPa和低壓0.35MPa下的汽液相平衡圖，2.2MPa下氣液相飽和線與-143℃等溫線相交與A，B兩點，A點的質(zhì)量濃度為46.2%，B點的質(zhì)量濃度為54.5%，顯然R740/R728的合理質(zhì)量比是在兩者之間。同時考慮到在0.35MPa的條件下達到液氮溫區(qū)的低溫(設(shè)定所需要的最低溫度為-180℃，圖中-180℃等溫線與0.35MPa等飽和液相線相交，得到交點C，對應(yīng)的濃度為51.8%，此濃度在合理質(zhì)量比之間，結(jié)合實驗經(jīng)驗暫且設(shè)定配比為1:1，綜合擬定出配比R22/R23/R14/R740/R728=40/20/20/10/10。

2 試驗結(jié)果與分析

試驗中，采用的壓縮機為泰康TFH2480Z-T低溫壓縮機，能適應(yīng)高溫高壓縮比等惡劣環(huán)境，為試驗的順利進行提供了良好的條件，設(shè)計壓力高壓為2.2MPa，低壓為0.35MPa，在環(huán)境溫度30℃左右條件下，分別充注制冷劑R22、R23、R14、R740、R728，并結(jié)合上述擬定的配比，控制組分和配比的情況下進行不斷的反復(fù)實驗調(diào)試，得到如下的測試結(jié)果:

從圖5中可以看到壓縮機從啟動到運行穩(wěn)定的整個過程中吸排氣壓力及溫度的變化情況。壓縮機開機瞬間排氣壓力迅速升高至最高壓力，達到3.1MPa，之后逐漸降低，直至穩(wěn)定。主要原因是:壓縮機剛啟動時，停機階段滯留在系統(tǒng)內(nèi)的工質(zhì)已全部氣化，而剛開機時制冷劑不能迅速冷凝，流經(jīng)毛細管的制冷劑主要為氣體，制冷劑的流量較小，因此大部分制冷劑迅速集中到冷凝器內(nèi)，使系統(tǒng)排氣壓力較高。

隨著流經(jīng)冷凝器及各換熱器的制冷劑被部分冷凝，系統(tǒng)中制冷劑的流量逐漸增大，排氣壓力逐漸降低，制冷循環(huán)逐漸趨于平衡，最終穩(wěn)定在2.0MPa。

而吸氣壓力在開機狀態(tài)下迅速下降，這是因為吸氣腔氣體排出，高壓通道中的氣體通過毛細管節(jié)流，進入低壓通道有一定的時間延遲，導(dǎo)致吸氣腔氣體減少，壓力下降，甚至負壓狀態(tài)。隨著系統(tǒng)降溫過程的進行，不斷的有氣體回到壓縮機，壓力回升，最后穩(wěn)定在0.21MPa。

圖5 壓縮機吸排氣溫度及壓力曲線(圖中橫坐標每掃描一次時間間隔為30秒)Fig.5 The temperature and pressure curves of the compressor suction and exhaust along with scanning times(scanning interval is30 seconds)

通過這樣一個過程分析我們發(fā)現(xiàn)壓縮機的吸排氣壓力均與設(shè)定值存在一定誤差，其中排氣壓力誤差較小，比較合理，吸氣壓力相對誤差較大，勉強接受，實驗中還有待改進；同時還注意到:吸排氣溫度與壓力密切相關(guān)，并最終分別穩(wěn)定在122℃、7℃，同樣為自動復(fù)疊制冷循環(huán)領(lǐng)域的相關(guān)研究提供了依據(jù)和參考。

由圖6可以看出整個降溫過程并不是同時進行的，存在先后順序。開機后，毛細管L1、L2、L3就開始迅速降溫，而毛細管L4、L5先有一個緩慢過程，之后再進入快速降溫過程。分析原因是隨著毛細管L1，L2，L3開始降溫，回流溫度也隨之降低，這意味著進入換熱器F1、F2、F3的低壓流體溫度也越來越低，從而有效的降低了各級換熱器的冷凝溫度。冷凝溫度降低，則氣液分離器中液體的組分會隨之發(fā)生一定的變化，氣液分離器E4底部液體中R740的含量有了增加，毛細管L4節(jié)流后的溫度隨之降低，同時降低了其高壓通道中的制冷工質(zhì)，隨之毛細管L5節(jié)流后的溫度下降，降溫過程存在一定的時間遞進，因此各毛細管的節(jié)流溫度會有一個時間差。根據(jù)降溫特點把降溫過程分為四個階段:延遲段、快速段、慢速段、穩(wěn)定調(diào)整段。系統(tǒng)剛開機后各級換熱器逐級冷卻，冷量傳遞到最后一級熱交換器F6需要一段時間差，在這一段時間里，毛細管L4、L5入口處工質(zhì)完全是氣態(tài)或干度較大的氣液混合物，節(jié)流之后的溫度變化很小，這一階段稱之為延遲段，掃描儀掃描次數(shù)0～45，而此時毛細管L1、L2、L3已經(jīng)進入快速降溫段。掃描次數(shù)45～100，由換熱器F1冷凝產(chǎn)生的R22冷凝液可以完全封住毛細管L1，換熱器F2冷凝產(chǎn)生的R23冷凝液可以全部或部分的封住毛細管L2，換熱器F3冷凝產(chǎn)生的R14冷凝液可以部分的封住毛細管L3，導(dǎo)致了節(jié)流溫度迅速下降，從而回流溫度也隨之下降，為高壓通道提供了更多的冷量，毛細管L4、L5節(jié)流后的溫度也會迅速下降。掃描次數(shù)100～300，進入緩慢降溫段，毛細管L4、L5節(jié)流后的溫度緩慢下降。最后進入了穩(wěn)定調(diào)整段，系統(tǒng)中各個狀態(tài)點的參數(shù)基本穩(wěn)定。同時發(fā)現(xiàn):隨著溫度的下降，毛細管L4、L5節(jié)流后的溫度有較大的波動。我們認為存在以下種可能:一種可能是溫度越低，系統(tǒng)的保溫效果越難達到要求；還有一種可能是氣液分離器中工質(zhì)流動不穩(wěn)定，導(dǎo)致了溫度的波動。

圖6 各級毛細管節(jié)流后溫度曲線(圖中橫坐標每掃描一次時間間隔為30秒)Fig6.The throttling temperature curve of each capillary along with scanning times (scanning interval is30 seconds)

試驗中，毛細管L1、L2、L3、L4、L5節(jié)流后的溫度分別穩(wěn)定在-49℃、-80℃、-99℃、-111℃、-134℃，毛細管L1、L2節(jié)流后的溫度可以達到要求，毛細管L3、L4、L5節(jié)流后的溫度與設(shè)計所要達到的溫度仍然有一定的差距。

經(jīng)分析，結(jié)合液氮溫區(qū)這樣一個溫度要求，可能是:

1)系統(tǒng)沒有進行有效保溫，導(dǎo)致了漏熱比較大,節(jié)流效果變差，溫度無法下降到理想狀況；

2)系統(tǒng)中各級氣液分離器的尺寸及設(shè)計還有待斟酌，可能出現(xiàn)了尺寸偏小導(dǎo)致個別狀態(tài)點制冷劑分離過程不是很理想，或者通過受阻；

3)系統(tǒng)的換熱器、壓縮機等部件的匹配問題，導(dǎo)致低溫工質(zhì)R740、R728最終不能很好的冷凝。

接下來的實驗可考慮采用真空筒技術(shù)進行有效保溫，加強保溫效果，進一步將系統(tǒng)各部件進行合理的設(shè)計優(yōu)化，以達更好的匹配，提高成效。

3 結(jié)束語

介紹了所搭建的五級自動復(fù)疊制冷系統(tǒng)，并討論了其混合工質(zhì)的組分選取，結(jié)合系統(tǒng)實際情況分析了如何對混合工質(zhì)組分加以選擇，以及給出了多組分工質(zhì)配比的擬定方法，通過利用NIST8.0軟件，對混合工質(zhì)熱物性質(zhì)，配比等參數(shù)進行了模擬計算，并得到了可以接受的一種混合工質(zhì)配比，提出了對其進行模擬計算的思路與參考模式，在混合工質(zhì)最佳配比的探索方面提供了可行的方法。在環(huán)境溫度30℃下通過大量的試驗調(diào)試，分析了壓縮機的運行特性，系統(tǒng)的降溫特性，并對模擬計算結(jié)果與實驗結(jié)果進行了比較，提出了存在的問題與取得的進展，為更進一步研究自動復(fù)疊制冷循環(huán)提供了實驗數(shù)據(jù)參考與借鑒。

(本文受上海市重點學(xué)科建設(shè)項目(No.S30503)資助。The project was suppored by Shanghai Leading Academic Discipline Project (No. S30503).)

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