混合工質低溫制冷系統的優化控制方案

潘垚池，劉金平 ，2，許雄文，2，李國立，林郁聰

（1.華南理工大學電力學院，廣州 510640；2.廣東省能源高效清潔利用重點實驗室，廣州 510640）

0 引言

隨著現代高科技領域的發展，-40℃以下到深冷溫區的制冷技術也不斷開展，以非共沸混合工質作為冷媒的單級節流制冷技術最具有優勢。通過充灌不同工質及不同配比，可以靈活改變系統所能制取的最低溫度（-43～-193℃）。由于該制冷系統結構簡單，運行調節便利，適用溫區廣泛，已被普遍應用于低溫電子、低溫醫學、低溫生物等領域[1-5]。

混合工質單級制冷循環的設想最先由Podbiel?niak于1936年提出[6]。前蘇聯Kleemenko采用多元混合工質、多次分凝的自復疊流程液化天然氣，標志著混合工質制冷技術開始進入工業應用領域[7]。自此，國內外學者相繼開展了一系列關于混合工質制冷的研究[8-12]。羅二倉等[13]采用Ne、Ar、N2、O2的四元工質，在開式內復疊循環中獲得了-222℃的低溫。在混合工質自復疊單級和多級系統中，張華團隊著重研究組分選擇和最佳濃度配比對整機性能的影響[14-16]。劉金平等[17]重點考察制冷系統相積存、節流閥開度對系統性能的影響，并聯立遺傳算法和Aspen Plus揭示了混合工質自復疊制冷系統在降溫過程中最優的組分需求規律：在系統高、低壓一定時，為使系統的降溫過程處于最優狀態，高沸點組分需求量逐漸減少，低沸點組分需求量逐漸增多[18-20]。

對于一個容積固定的制冷系統，在壓縮機啟動初期，幾乎是全部氣態的工質通過節流單元，排氣壓力將會很高。尤其當其降溫到深冷溫區時，低沸點組分的作用又會使排氣壓力和溫度變大，造成安全威脅。目前混合工質制冷系統不但存在上述問題，還存在降溫速度慢、制冷效率低的問題，故掌握系統的動態工作特性，適時改變組分運行濃度，對改善系統降溫性能具有重要意義。搭建了自適應的混合工質超低溫實驗臺，根據混合工質制冷系統最優組分需求規律，提出以膨脹儲氣罐和控制閥聯合作用的優化控制方案，進行相關實驗比較其對系統工作性能的影響，驗證該策略的可行性。

1 實驗裝置及流程介紹

1.1 實驗裝置

混合工質超低溫制冷系統的流程如圖1所示。其主要部件有壓縮機、冷凝器、氣液分離器、中間回熱器、電子膨脹閥、膨脹儲氣罐、蒸發器（電加熱器）和控制單元。其中，中間回熱器作為冷凝蒸發器，膨脹儲氣罐與控制閥、毛細管聯立接入壓縮機吸氣管路。

圖1 混合工質超低溫制冷系統流程圖Fig.1 The process of ultra-low temperature cryogenic system for mixed refrigerant

在制冷流程中布置了兩個氣液分離器，對混合工質進行分凝，使得整個循環中不同沸點的組分之間同時流動并進行換熱作用，以復疊式循環制取低溫?；旌瞎べ|先經過壓縮機做功成為高溫高壓的氣體，進入冷凝器換熱后工質冷凝，其中大部分的低沸點工質保持氣態；經氣液分離器進行氣液分離后，氣相工質進入冷凝蒸發器的熱流通道，降溫冷凝后進入節流閥節流降溫后進入蒸發器進行蒸發換熱，制取低溫環境；工質吸熱后進入回熱器的冷流通道回熱；冷凝器后的氣液分離器液相出口流出的工質大部分為高沸點工質，通過節流閥后，與從回熱器出來的低沸點工質混合進入冷凝蒸發器進行回熱，最后返回壓縮機，完成循環。

1.2 工質的選取

以-150℃的節流后溫度作為制冷溫度展開實驗，選取異丁烷（R600a）作為系統的高沸點組分（重組分），丙烷（R290）、乙烷（R170）作為中間沸點組分（中間組分），甲烷（R50）、氮氣（R728）作為低沸點組分（輕組分）。表1為通過NIST REFPROP 9.1查得的工質物性參數，A1表示不燃，A3表示可燃，所選工質的ODP均為0，其100年的GWP值也較小，屬于環保工質。R50、R170、R290、R600a、R728的充注質量比為：0.0796、0.1149、0.158、0.5226、0.1249。

表1 工質物性參數Table 1 The physical parameters of working medium

1.3 實驗流程

實驗在同一室溫25℃中進行，每次實驗恢復至室溫，所有電子膨脹閥設定好開度后不進行變動，節流后的目標溫度均為-150℃。系統啟動時，由于壓差的存在，打開的控制閥可使膨脹儲氣罐中的冷劑組分充入系統，從而增加降溫所需的冷劑組分，促進冷量的生成。系統關閉時，膨脹儲氣罐可存儲大部分的氣相輕組分，同時降低停機壓力，提高開機安全性。

實驗分為兩組：第一組（罐全開組）將膨脹儲氣罐與控制閥保持打開狀態進行降溫實驗，系統的最高排氣壓力限制為2.3×106Pa；第二組（控壓組）利用控制單元、膨脹儲氣罐、控制閥進行自適應的調節。第二組實驗在開機前期，設定好控制單元的壓力范圍1.7～1.85×106Pa（根據實際要求設置），當壓縮機排氣壓力高于1.85×106Pa時，控制單元檢測到超壓信號，使膨脹儲氣罐前的控制閥關閉。此時隨著系統溫度的降低，壓縮機排氣壓力逐漸降低，當其壓力低于1.7×106Pa時，控制單元再次檢測到超壓信號，打開膨脹儲氣罐的控制閥，如此往復，直到停機。實驗過程中使用Agilent34970A和Labview數據采集程序對壓縮機功耗、系統的高低壓、各測點溫度進行采集。

實驗中通過系統組分采集平臺對降溫過程中不同的節流后溫度點進行組分采集，采集溫度有9個：-30℃、-60℃、-90℃、-100℃、-110℃、-120℃、-130℃、-140℃、-150℃，采集點位于壓縮機吸氣口，通過GC-1690熱導型（TCD）氣相色譜儀進行組分比例的分析。

2 實驗結果與分析

通過兩次相同工況下的實驗對比，分析兩組降溫實驗節流后溫度、壓縮機排氣壓力、排氣溫度、耗功大小、組分濃度等參數變化，如圖2～圖7所示。

由圖2可知，在開機15 min前，控壓組的降溫速度與罐全開組的降溫速度較為相同；15 min后，控壓組的降溫速度優于罐全開組；降溫后期，兩者的降溫速度又近似相同，控壓組的最終溫度略低于后者。明顯可知，控壓組的操作更易使系統降到-150℃，比罐全開組快了10 min左右。

圖3的兩條曲線代表控壓組和罐全開組的壓縮機排氣溫度變化，罐全開組的排氣溫度普遍高于控壓組，最高排氣溫度達115℃，最終穩定在112℃的溫區；控壓組的最高排氣溫度達103℃，最終穩定在100℃。從圖4可看出，控壓組的最大排氣壓力達1.85×106Pa，由于控制單元的操控作用，使得系統壓力值呈現上下波動，且整個過程的波動較為穩定，而罐全開組的排氣壓力在開機前期會升到2.3×106～2.4×106Pa，長期處于高壓區，變化波動不穩定，易造成安全威脅。

圖2 兩組實驗的節流后溫度變化曲線Fig.2 The change of throttling temperature

圖3 壓縮機排氣溫度變化曲線Fig.3 The change of compressor exhaust temperature

圖4 實驗的壓力變化曲線Fig.4 The change of compressor exhaust pressure

由圖5可知，在整個降溫過程中，兩組實驗的壓縮機耗功曲線與圖4的曲線變化相似，罐全開組的耗功振幅較大，變化不穩定，最大耗功達2 300 W；而控壓組的耗功能穩定在1 700～1 900 W的范圍內，最大耗功為1 900 W?？貕航M的壓縮機耗功比罐全開組的壓縮機耗功要小，前者總耗功比后者小10.39%?？貕航M狀態下的系統運行環境較為穩定，有利于提高壓縮機運行壽命。

圖5 壓縮機耗功變化曲線Fig.5 The change of compressor power consumption

組分濃度比例分布的結果如圖6和圖7所示，圖6為罐全開組，圖7為控壓組，兩圖比較分析可得，控壓組的氮氣和甲烷（輕組分）濃度較罐全開組具有更大的增長趨勢，前者從46.25%增至57.95%，后者從48.34%增至55.24%；兩圖中的丙烷、乙烷（中間組分）在降溫過程中濃度變化不大；異丁烷（重組分）的變化均呈減小的趨勢。兩組實驗終了時，兩圖各自的五種工質組分濃度比例相似。

圖6 不同節流后溫度下組分變化（罐全開組）曲線Fig.6 The variation of composition under different throttling temperature（control pressure）

圖7 不同節流后溫度下組分變化（控壓組）曲線Fig.7 The variation of composition under different throttling temperature（tank open）

由于膨脹儲氣罐內存儲較多的輕組分氣體，在控壓實驗中，膨脹儲氣罐每次打開時，罐內的氮氣和甲烷（輕組分）就會充入運行的系統，增加系統輕組分含量的同時，不斷生成降溫所需冷量，從而加快降溫速度。異丁烷（重組分）濃度比例隨系統溫度的降低而減少。

綜上分析可知，控壓組的降溫性能優于罐全開組的降溫性能?？貕航M以膨脹儲氣罐和控制閥聯合作用的方法可以增加系統降溫速度，減小系統壓縮機總耗功，系統的開機溫度及壓力也能得到安全控制。該實驗也驗證了輕組分濃度隨系統溫度的降低而增加、重組分濃度隨系統溫度的降低而減小的最優組分濃度需求規律，該規律指導下的控制方案可有效提高系統的降溫性能。

3 結論

（1）以膨脹儲氣罐和控制閥聯合作用的控制方案可以改變混合工質低溫制冷系統的輕、重組分運行濃度，對系統運行環境進行自適應地往復調節，使輕組分濃度隨系統溫度的降低而增加、重組分濃度隨之減小，從而達到優化降溫的目的；

（2）在混合工質超低溫制冷系統的實驗中，該優化控制方案可以增加系統降溫速度，減小系統壓縮機總耗功，防止系統壓縮機排氣溫度及壓力過高，能有效提高系統的降溫性能。

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