微型自復(fù)疊制冷系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)研究

馬澤昆，張華，劉煜森，欒逸嫻

（1-上海理工大學(xué)制冷及低溫工程研究所，上海 200093；2-青島唐島恒元能源有限公司，山東青島 266000）

0 引言

自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)（Auto-cascade Refrigeration Cycle，ARC）是-40 ℃至-160 ℃溫區(qū)的一種重要制冷方式，這種制冷系統(tǒng)采用多元混合工質(zhì)，經(jīng)一次壓縮，通過(guò)自動(dòng)分離、多級(jí)復(fù)疊的方法，使非共沸的混合工質(zhì)實(shí)現(xiàn)復(fù)疊，使沸點(diǎn)最低的制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器，達(dá)到制取低溫的目的。

ARC使用一臺(tái)壓縮機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠。通過(guò)選擇合適的制冷劑組成，可以獲得廣闊的制冷溫度區(qū)間，特別適用于小型低溫裝置，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、低溫電子和軍工等領(lǐng)域[1-2]，同時(shí)可以使用低全球變暖潛能值（Global Warming Potential，GWP）綠色混合工質(zhì)，滿足環(huán)保要求[3-4]。潘垚池等[5]對(duì)氣液分離器溫度偏低、蒸發(fā)器制冷量過(guò)小等問(wèn)題進(jìn)行了分析論證。馬冰奇等[6]通過(guò)換熱模擬，驗(yàn)證了自復(fù)疊系統(tǒng)中R410a替代R22的可能性。肖麗媛等[7]、芮勝軍等[8]和張慶慶等[9]研究了混合工質(zhì)配比、汽液相平衡及自復(fù)疊運(yùn)行過(guò)程的特性等。陳秋燕[10]對(duì)自復(fù)疊中氣液分離器進(jìn)行了模擬，并提出了提高分離效果的方法。

目前，得益于微電子機(jī)械系統(tǒng)的快速發(fā)展，制冷設(shè)備得以實(shí)現(xiàn)微型化和輕量化。微型制冷系統(tǒng)具有體積小、重量輕和便攜性強(qiáng)等特點(diǎn)，其開(kāi)發(fā)與應(yīng)用在越來(lái)越多的行業(yè)中受到重視。微型制冷系統(tǒng)主要部件有微型壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流裝置和蒸發(fā)器等，其中微型壓縮機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心[11]。目前，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)并投入應(yīng)用的主要有線性式和轉(zhuǎn)子式兩種。美國(guó)Aspen公司研制開(kāi)發(fā)了一系列微型轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，Sunpower公司和Embraco公司開(kāi)發(fā)了微型線性壓縮機(jī)；我國(guó)在微型壓縮機(jī)的開(kāi)發(fā)方面起步較晚，商業(yè)化方面，有部分國(guó)內(nèi)企業(yè)可以提供產(chǎn)品，但由于制造工藝和加工水平有限，相比國(guó)外產(chǎn)品仍有差距。2012年，周樹(shù)光等[12]研制并委托某公司加工出配有無(wú)刷直流電機(jī)的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式微型壓縮機(jī)，壓縮機(jī)重 0.6 kg，氣缸半徑 15.0 mm，轉(zhuǎn)子半徑12.6 mm，氣缸厚度17.8 mm。上海日立電器有限公司研制開(kāi)發(fā)了一款單缸微型滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式制冷壓縮機(jī)[13]，該壓縮機(jī)應(yīng)用了一體式機(jī)架的結(jié)構(gòu)和激光焊接的新技術(shù)，經(jīng)ASHRAE工況測(cè)試，具有噪聲小、振動(dòng)低、效率高的特點(diǎn)。薛衛(wèi)東等[14]介紹了對(duì)微型二氧化碳?jí)嚎s機(jī)的開(kāi)發(fā)，解決了壓縮機(jī)冷卻、潤(rùn)滑等關(guān)鍵問(wèn)題。

微型壓縮機(jī)用于低溫冷卻的研究較少，閆彪等[15]將Aspen微型壓縮機(jī)應(yīng)用于混合工質(zhì)J-T節(jié)流制冷器，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行 16 min，冷頭溫度降到190 K左右。但是，由于微型壓縮機(jī)發(fā)熱量太大，壓縮機(jī)外殼溫度迅速升高，導(dǎo)致系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行能力較差。

本文采用微型轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，搭建了一套微型自動(dòng)復(fù)疊實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并從系統(tǒng)降溫特性和壓縮機(jī)運(yùn)行特性方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由制冷系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。微型自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)示意圖如圖1所示。制冷系統(tǒng)由微型壓縮機(jī)、冷凝器、氣液分離器、節(jié)流裝置、冷凝換熱器以及蒸發(fā)器組成。由壓縮機(jī)排出的高溫高壓的氣態(tài)非共沸制冷劑經(jīng)風(fēng)冷冷凝器冷卻后，以氣液混合物的狀態(tài)進(jìn)入氣液分離器，其中，氣相制冷劑中低沸點(diǎn)制冷劑占比大于分離器進(jìn)口氣液混合物中低沸點(diǎn)的制冷劑占比，而液相制冷劑中高沸點(diǎn)制冷劑占比要高于低沸點(diǎn)制冷劑。氣相制冷劑經(jīng)過(guò)冷凝蒸發(fā)器后，冷凝為液態(tài)制冷劑，之后經(jīng)過(guò)節(jié)流裝置，進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱制冷；液相制冷劑節(jié)流后與來(lái)自蒸發(fā)器的低溫制冷劑混合，進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器冷卻氣相制冷劑后返回壓縮機(jī)，完成制冷循環(huán)。

實(shí)驗(yàn)選用KTN微型全封閉轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，壓縮機(jī)型號(hào)為KTN-VH1924。壓縮機(jī)高9 cm，重量0.72 kg，排氣量 1.9 cc/rev，驅(qū)動(dòng)電壓 DC 24 V，潤(rùn)滑油型號(hào)為RH-32H，最大壓縮比為8，最高排氣溫度限制為120 ℃，噪聲等級(jí)48 dB。本實(shí)驗(yàn)采用模擬定壓指令控制轉(zhuǎn)速，電壓與轉(zhuǎn)速為直線對(duì)應(yīng)關(guān)系，0～0.5 V對(duì)應(yīng)停機(jī)，0.7 V～5 V對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速(2,000～6,000) r/min。

圖1 微型自復(fù)疊制系統(tǒng)示意圖

冷凝蒸發(fā)器采用套管換熱器形式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制作，套管換熱器有效長(zhǎng)度為1.85 m，外管和內(nèi)管規(guī)格分別為Φ6.35 mm×0.80 mm和Φ3.00 mm×0.80 mm。氣液分離器使用重力分離式，其形狀為一個(gè)直徑38 mm、高度60 mm、上下兩端呈錐形的類(lèi)圓柱體結(jié)構(gòu)，豎直布置。冷凝器使用強(qiáng)迫對(duì)流風(fēng)冷式冷凝器，散熱器大小尺寸為120 mm×120 mm×33 mm，銅管直徑為6.35 mm，翅片間距為1.5 mm，風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓為24 V。高溫和低溫節(jié)流裝置均采用內(nèi)徑0.6 mm的毛細(xì)管，蒸發(fā)器盤(pán)管外徑為4 mm，壁厚為 0.8 mm，有效長(zhǎng)度為 1,650 mm，蒸發(fā)器盤(pán)管放置于一個(gè)具有保溫功能的小箱體內(nèi)。整套實(shí)驗(yàn)裝置低溫部分采用聚氨酯發(fā)泡法保溫。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括溫度測(cè)量和壓力測(cè)量。溫度測(cè)點(diǎn)共 10個(gè)，采用銅-康銅熱電偶，溫度精度為±0.5 ℃，熱電偶采用電焊機(jī)焊接，用錫箔紙將熱電偶粘貼于銅管外壁，保證熱電偶與測(cè)溫點(diǎn)接觸良好，溫度誤差包括熱電偶精度和儀器測(cè)量誤差，考慮安捷倫儀器精度對(duì)于T型熱電偶的測(cè)量誤差，溫度測(cè)量總誤差為 1.5 ℃；壓力測(cè)點(diǎn)包括低壓測(cè)點(diǎn)和高壓測(cè)點(diǎn)，采用壓力變送器進(jìn)行測(cè)量，量程為0～2 MPa，精度 0.25%，輸出信號(hào) 4 mA～20 mA，考慮安捷倫測(cè)量電流精度誤差，計(jì)算得到排氣壓力的測(cè)量誤差0.0060 MPa，吸氣壓力的測(cè)量誤差0.0055 MPa。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.1 系統(tǒng)的降溫特性

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用的高沸點(diǎn)和低沸點(diǎn)工質(zhì)分別是R600a和R1150，兩者均為環(huán)保碳?xì)涔べ|(zhì)，GWP值低于非碳?xì)涔べ|(zhì)，具有良好的環(huán)境友好性。以R600a/R1150=6/4的配比充入制冷系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)中壓縮機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速為 3,800 r/min，將系統(tǒng)放置于恒溫實(shí)驗(yàn)室中，在32 ℃的設(shè)計(jì)環(huán)境溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如圖2所示，系統(tǒng)開(kāi)啟80 min內(nèi)，蒸發(fā)器小箱體內(nèi)的溫度快速降溫至-56 ℃左右，80 min后，系統(tǒng)降溫速率變慢，系統(tǒng)逐漸穩(wěn)定，系統(tǒng)啟動(dòng)200 min后，小箱體內(nèi)溫度達(dá)到最低溫度-65.5 ℃，之后保持穩(wěn)定。

圖2 小箱體內(nèi)降溫曲線

2.2 節(jié)流裝置降溫特性

高低溫節(jié)流裝置均采用毛細(xì)管節(jié)流的方式，毛細(xì)管作為節(jié)流裝置，制作簡(jiǎn)單，性能可靠，但是調(diào)節(jié)能力很差。高溫毛細(xì)管進(jìn)出口溫度變化曲線如圖3所示。系統(tǒng)穩(wěn)定后高溫毛細(xì)管進(jìn)口溫度與冷凝器出口溫度接近，在 37 ℃小幅波動(dòng)，出口溫度逐漸降低，最終穩(wěn)定在6 ℃左右。圖4記錄了低溫毛細(xì)管節(jié)流進(jìn)出口溫度變化情況。開(kāi)機(jī)后，隨著制冷劑的質(zhì)量流量逐漸增大，高溫毛細(xì)管快速降溫，冷凝蒸發(fā)器提供的冷量增加，低沸點(diǎn)的混合工質(zhì)逐漸冷凝后，低溫毛細(xì)管的節(jié)流降溫效果也趨于明顯。系統(tǒng)運(yùn)行80 min后，低溫毛細(xì)管節(jié)流出口溫度（即蒸發(fā)器進(jìn)口溫度）快速降到-69.6 ℃，隨著系統(tǒng)逐漸穩(wěn)定，降溫趨于平緩，系統(tǒng)運(yùn)行約 200 min，低溫毛細(xì)管進(jìn)口溫度穩(wěn)定在-40 ℃左右，出口溫度穩(wěn)定在-74 ℃左右，實(shí)際進(jìn)出口溫差約34 ℃。

圖3 高溫毛細(xì)管節(jié)流進(jìn)出口溫度隨時(shí)間變化曲線

圖4 低溫毛細(xì)管節(jié)流進(jìn)出口溫度隨時(shí)間變化曲線

2.3 壓縮機(jī)運(yùn)行特性

圖5 和圖6分別表示在設(shè)計(jì)溫度下壓縮機(jī)吸排氣壓力和溫度的變化曲線，由圖5可以看出，壓縮機(jī)啟動(dòng)后的2 min，排氣壓力迅速升高至1.39 MPa，吸氣壓力降至 0.17 MPa，運(yùn)行 20 min排氣壓力上升至最大1.53 MPa，吸氣壓力稍有上升；之后排氣壓力開(kāi)始下降，吸氣壓力緩慢上升，系統(tǒng)運(yùn)行230 min時(shí)，排氣壓力下降到1.27 MPa，吸氣壓力上升至0.22 MPa，之后吸排氣壓力保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。從壓縮機(jī)壓比曲線可以看出，系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)壓比迅速上升至8.5，之后波動(dòng)下降，穩(wěn)定時(shí)壓比在5.8左右，最大壓比在微型壓縮機(jī)的承受范圍之內(nèi)，穩(wěn)定時(shí)的壓比也與設(shè)計(jì)壓比6接近，滿足壓縮機(jī)運(yùn)行要求。圖6中，壓縮機(jī)在啟動(dòng)后，排氣溫度迅速升高，在30 min之后有所下降，最高排氣溫度為95 ℃，穩(wěn)定后排氣溫度在 86 ℃左右，吸氣溫度穩(wěn)定在30 ℃左右，滿足壓縮機(jī)最高排氣溫度要求。

圖5 壓縮機(jī)吸排氣壓力變化曲線

圖6 壓縮機(jī)吸排氣溫度變化曲線

3 結(jié)論

本文通過(guò)搭建一套微型壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了使用R600a和R1150兩種碳?xì)洵h(huán)保工質(zhì)下系統(tǒng)的運(yùn)行性能，得出以下結(jié)論：

1）微型轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)可用于自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有發(fā)生壓縮機(jī)過(guò)熱報(bào)警等異常現(xiàn)象，壓縮機(jī)壓比和排氣溫度均可滿足微型壓縮機(jī)的使用要求，為進(jìn)一步使用微型轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)更低的制冷溫度提供了依據(jù)；

2）微型自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)使用 R600a/R1150混合制冷劑，在6/4左右的質(zhì)量比下，可以在32 ℃的環(huán)境溫度中，達(dá)到-65.5 ℃的制冷溫度并保持穩(wěn)定，這為微型自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)的商業(yè)應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。