一種新型可能量調節自復疊制冷循環系統實驗研究

劉家林 李卓慧 王曉占 劉海靜 李燦倫 羅 威 劉昌鵬

（上海衛星裝備研究所 上海 200240）

0 引言

近年來，隨著我國航天事業的快速發展，宇航產品的試驗數量也日益增多，針對宇航產品試驗的特殊性及重要性，對產品試驗的要求也越來越高，常規試驗一般需要制冷工況溫度需滿足-75℃～-90℃，通常采用經典三級自復疊系統來提供所需環境溫度。

由于常規三級自復疊系統結構比較復雜，能效率比較低，系統排氣壓力及排氣溫度都較高，整個系統穩定性比較差，同時，經典三級自復疊系統（直冷式）只能實現極低溫區附近的控溫，而且控溫精度范圍僅限于極低溫溫度點-80℃±2℃，不能實現較高區間所需溫度及實現溫度可連續控溫。為提高整個系統能量利用率及較高的穩定性，設計及搭建了一套新型可能量調節的自復疊制冷系統，最終實現系統能量可調及寬溫區控溫。

1 系統設計

1.1 系統組成

新型可能量調節自復疊制冷系統循環流程圖如圖1所示，系統組成主要包括壓縮機、冷凝器、回熱器、氣液分離器、冷凝蒸發器、蒸發器、過濾器、電磁閥、能量調節閥、熱力膨脹閥以及溫度、壓力傳感器等測量儀器。

圖1 新型可能量調節自復疊制冷循環系統流程圖Fig.1 Flowchart of refrigeration system of a new type of cascade

1.2 系統原理

該系統采用三種非共沸混合工質來實現低溫制冷，此新型系統設計方案中，高溫組分選取R134a；中溫組分選取R23；低溫組分選取R14。R134a 和R23 的沸點間距為56℃，R23 和R14 的沸點間距為46℃，均在40～80℃之間，較好的滿足了沸點確定原則。其中三種組分的比例初步選為0.6:0.2:0.2。

具體流程描述為，一定配比的非共沸混合工質在壓縮機A 中壓縮成高溫高壓狀態后經過冷凝器B 及回熱器C 中冷凝，大部分高沸點工質被冷凝成液體，而大部分低沸點工質仍為氣體，混合物流經氣液分離器D，在分離器內分離成氣液兩相，其中含高沸點組分的的液體從分離器底部流出，經過熱力膨脹閥A1 后進入冷凝蒸發器E 蒸發吸熱，流經回熱器C 后，回到壓縮機A 吸氣口；而從分離器頂部逸出的低沸點組分經冷凝蒸發器E、回熱器F后，基本被冷凝成液體，液態混合物流再經過熱力膨脹閥A2 達到蒸發器G 進行蒸發，使蒸發器的溫度達到目標溫度，然后經回熱器F 及回熱器C，回到壓縮機吸氣口，完成一個完整的制冷循環。

此系統具有能量可調節功能，有效的提高了能量利用率，且實現了系統可寬溫區控溫，主要通過電子能量調節閥EX1 及機械能量調節閥ER1～ER2 來實現。系統極限低溫時，高沸點一路熱力膨脹閥會根據出口氣體過熱度來有效調節進口流量大小，控制冷凝蒸發器在一定的溫度，進而，對電子膨脹閥進行PLC 控制，通過有效的PID 邏輯控制，可來控制進入蒸發器的流量，最終達到一定的極限溫度。當蒸發器到達極限溫度工況時，系統吸氣壓力往往會很低，如果過低，會直接損害壓縮機的吸排氣閥片，甚至可能造成系統突然停機，而對試驗產品造成不可挽回的損失。為了避免此種意外情況的發生，通過設定機械能量調節閥ER2，使吸氣壓力自動一直保持在0.2±0.2bar 范圍內，提高了系統的穩定性。

新系統實現寬溫區控溫主要通過電子能量調節閥EX1，機械能量調節閥ER1 以及電子膨脹閥A2 來完成。具體控制邏輯如圖2所示。

圖2 新型可能量調節自復疊制冷系統寬溫區控溫邏輯圖Fig.2 Logic diagram of temperature control in wide temperature zone of a new type of cascade

2 系統熱力計算

根據循環中各點溫度及焓值變化，新型制冷系統制冷循環過程可以表示為如圖3所示的由三個平面壓焓圖組成的空間壓焓圖。1'到2'為混合工質在壓縮機中的壓縮過程，2 到3 為混合工質在冷凝器中的冷凝過程，3 到4 位高沸點工質R134a 的等焓降溫降壓過程，3 到5 為混合工質R23 及R14在氣液分離器中分離過程，5 到6 為混合工質R23及R14 在冷凝蒸發器中的冷凝過程，6 到7 為混合工質R23 及R14 的等焓降溫降壓過程，7 到8 為混合工質R23 及R14 在蒸發器中的蒸發吸熱過程，8到10 為混合工質R23 及R14 在回熱器中的過熱過程，9 到10 為工質R134a 在冷凝蒸發器中的蒸發吸熱過程，10 到1 為混合工質R134a、R23、R14混合后吸熱回到壓縮機，完成一個完整的循環。

圖3 新型可能量調節自復疊制冷系統制冷循環壓焓示意圖Fig.3 Pressure-enthalpy diagram of temperature control in wide temperature zone of a new type of cascade

為了簡化計算，本文作了如下假設：

（1）系統絕熱良好，各換熱器和管路與環境沒有熱交換；

（2）忽略管路中的壓力損失[4]；

（3）制冷循環中，制冷劑蒸發后恰為飽和氣體，冷凝后恰為飽和液體。低溫級過熱為40℃，中溫級過熱30℃，高溫級過熱20℃；

（4）制冷系統中所用壓縮機等熵效率為0.7。

在設計中，已知參數有：混合工質各組分的配比，壓縮機吸氣壓力P1′，吸氣溫度T1′，壓縮機排氣壓力P2′。

（1）根據已知的壓縮機吸排氣壓力P1′，P2′和吸氣溫度T1′，可由下式得出壓縮機出口溫度：

式中，k為多變指數[5]，根據本實驗測的數據，取k=1.18。

（2）壓縮機單位耗功

（3）循環工質流量

式中，Vcom為壓縮機的理論容器輸氣量，vcom為壓縮機的氣體比容，λ為壓縮機的輸氣系數。

（4）冷凝器B 的單位熱負荷

（5）冷凝蒸發器E 的熱平衡方程

（6）回熱器C 和F 的熱平衡方程

（7）蒸發器G 的單位熱負荷

（8）新系統的制冷性能系數

3 系統性能分析

在熱力性能計算及分析的基礎上，對混合工質R134a/R23/R14 以三種質量組分配比0.6:0.2:0.2、0.5:0.25:0.25、0.6:0.15:0.25 進行實驗研究，對壓縮機排氣溫度、吸氣溫度、排氣壓力、吸氣壓力、蒸發溫度、系統制冷性能COP 等運行參數進行分析對比。

3.1 系統排氣溫度分析

圖4 為混合工質R134a/R23/R14 不同配比下系統排氣溫度變化圖，從圖中可以看出，剛開機時，壓縮機的排氣溫度在25.7℃，開機后，排氣溫度迅速上升，6min 后升高到98℃左右，20～25min 后排氣溫度均出現最大值，其中混合工質配比0.6:0.2:0.2 下最大值為126.7℃，混合工質配比0.5:0.25:0.25 下最大值為123.8℃，混合工質配比0.6:0.15:0.25 下最大值為121.2℃，25min 后排氣溫度開始緩慢下降。這是因為開機初期壓縮機吸氣量比較少，導致排氣溫度急劇上升，運行一段時間后，壓縮機開始吸入來自蒸發器內的工質，排氣溫度進入緩慢下降階段。大概運行40min 以后，系統進入穩定運行階段，最終，混合工質配比0.6:0.2:0.2 下，排氣溫度穩定在112 ℃左右，混合工質配比0.5:0.25:0.25 下，排氣溫度穩定在108℃左右，混合工質配比0.6:0.15:0.25 下，排氣溫度穩定在101℃左右，均滿足系統正常穩定運行的要求。

圖4 混合工質R134a/R23/R14 不同配比下系統排氣溫度變化圖Fig.4 Variation diagram of system exhaust temperature of mixed medium R134a/R23/R14 under different ratios

3.2 系統吸氣溫度分析

圖5 為混合工質R134a/R23/R14 不同配比下系統吸氣溫度變化圖，從圖中可以看出，剛開機時，壓縮機的吸氣溫度在25.7℃，開機運行10min，吸氣溫度急劇下降，而后出現溫度上升拐點，可能是吸氣溫度經過回熱器及壓縮機電機，吸氣溫度再一次被提高，其中混合工質配比0.6:0.2:0.2 提高9.8℃，配比0.5:0.25:0.25 提高8.8℃。而后系統繼續運行，吸氣溫度同時快速下降。當系統運行至60min 左右時，系統進入運行穩定階段，雖然還有一定的波動，但是基本都穩定在一定溫度范圍內，其中，當混合工質配比為0.6:0.2:0.2 時，吸氣溫度維持在-51℃左右，當混合工質配比為0.5:0.25:0.25時，吸氣溫度維持在-56℃左右，當混合工質配比為0.6:0.15:0.25 時，吸氣溫度維持在-59℃左右。

圖5 混合工質R134a/R23/R14 不同配比下系統吸氣溫度變化圖Fig.5 Variation diagram of system suction temperature of mixed medium R134a/R23/R14 under different ratios

3.3 系統蒸發溫度分析

不同組分配比蒸發器的最低溫度變化如圖6所示。制冷系統開始后，前10min 左右制冷速度下降緩慢，主要原因為系統中的混合工質還未完全分離，但在10min 后，蒸發器溫度迅速下降，三種配比工況下，蒸發器溫度均下降到-52℃左右。20min到40min，系統降溫速率變慢，主要原因為系統中有部分中高溫被冷凝為過冷液態，留在了蒸發器中，阻礙了蒸發器的蒸發制冷。40min 后，系統開始進入穩定運行階段，特別是進入60min 后，系統蒸發器溫度基本保持在一定值，其中，當混合工質配比為0.6:0.2:0.2 時，蒸發溫度維持在-102℃左右，當混合工質配比為0.5:0.25:0.25 時，蒸發溫度維持在-102℃左右，當混合工質配比為0.6:0.15:0.25 時，蒸發溫度維持在-106℃左右，此種配比最終蒸發溫度最低，主要是由于系統中R14 含量較高，當熱負載越大，蒸發器需要低溫工質相變量就越大，低溫工質流量越大，制冷量越大。

圖6 混合工質R134a/R23/R14 不同配比下系統蒸發溫度變化圖Fig.6 Variation diagram of system evaporating temperature of mixed medium R134a/R23/R14 under different ratios

3.4 系統排氣壓力分析

圖7 為混合工質R134a/R23/R14 不同配比下系統排氣壓力變化圖，從圖中可以看出，系統運行前，系統排氣端壓力保持為13bar。開機后6min 時，排氣壓力急劇上升，均上升到了23bar 左右，系統運行6min 到30min 時，出現了一些震蕩波動，主要原因為系統中氣液分離器的分離作用以及回熱器中不斷蒸發吸熱的結果。隨著低溫工質不斷的蒸發制冷，系統排氣壓力在30min 后進入緩慢下降階段，當系統運行50min 左右后，系統排氣壓力就進入了運行穩定階段。其中，當混合工質配比為0.6:0.2:0.2 時，排氣壓力維持在22bar 左右，當混合工質配比為0.5:0.25:0.25 時，排氣壓力維持在21.8bar 左右，當混合工質配比為0.6:0.15:0.25 時，排氣壓力維持在22.8bar 左右。此系統在設計時，考慮了系統排氣壓力過高導致系統停機以及損傷壓縮機的后果，采用了高壓旁通的設計，即在高壓端和低壓端連接一熱氣旁通閥，設置其最高壓力為25bar。當系統排氣壓力超過25bar 時，此閥會自動開啟，當壓力降低至17.5bar 時，此閥關閉。正常運行時，此閥一直保持關閉狀態，這樣就保證了系統高壓一直處于安全工作范圍內。

圖7 混合工質R134a/R23/R14 不同配比下系統排氣壓力變化圖Fig.7 Variation diagram of system exhaust pressure of mixed medium R134a/R23/R14 under different ratios

3.5 系統吸氣壓力分析

圖8 為混合工質R134a/R23/R14 不同配比下系統排氣壓力變化圖，從圖中可以看出，系統運行前，系統吸氣端壓力保持為13bar。開機后6min 時，吸氣壓力迅速下降，其中混合工質配比為0.6:0.2:0.2時，吸氣壓力下降到2.3bar 左右，混合工質配比為0.5:0.25:0.25 時，吸氣壓力下降到2.8bar 左右，混合工質配比為0.6:0.15:0.25 時，吸氣壓力下降到2.7bar 左右。系統運行6min 到65min 左右時，吸氣壓力緩慢下降，主要原因為系統中回熱器，蒸發器不斷的制冷降溫，導致氣體工質越來越少，系統將進入穩定運行階段。當運行到65min 后，系統蒸發器溫度均已降到≤-102℃，這時，氣體工質很少，大部分中高溫工質為液態，存留在冷凝蒸發器和蒸發器中，導致壓力降到0bar 左右。由于此系統設計了低壓保護旁路，即在低壓端加裝了一路熱氣旁通管路，當系統吸氣壓力≤0.1bar 左右時，低壓保護旁通閥就會自動打開，當吸氣壓力≥0.5bar 時，低壓保護旁通閥就會自動關閉，從而使低壓吸氣端一直保持一定的壓力，維持系統正常運行。從圖上可以看出，最終當混合工質配比為0.6:0.2:0.2 時，吸氣壓力維持在0.2bar 左右，當混合工質配比為0.5:0.25:0.25 時，吸氣壓力維持在0.3bar 左右，當混合工質配比為0.6:0.15:0.25 時，吸氣壓力維持在0.3bar 左右。

圖8 混合工質R134a/R23/R14 不同配比下系統吸氣壓力變化圖Fig.8 Variation diagram of system suction pressure of mixed medium R134a/R23/R14 under different ratios

3.6 系統COP 分析

圖9 為混合工質R134a/R23/R14 不同配比下系統COP 變化圖，主要為蒸發器溫度在-50℃～-105℃之間的變化。從圖中可以看出，系統COP從-50℃開始到-85℃左右，呈緩慢下降的趨勢，到-85℃后，COP 就進入了穩定階段。此實驗系統選用的壓縮機是法國泰康低溫壓縮機，型號為FH2480Z，其額定輸入功率為663W，其中，系統最終穩定時，當混合工質配比為0.6:0.2:0.2 時，實驗制冷量為106W，當混合工質配比為0.5:0.25:0.25時，實驗制冷量為86W，當混合工質配比為0.6:0.15:0.25 時，實驗制冷量為90.1W。

圖9 混合工質R134a/R23/R14 不同配比下系統COP 變化圖Fig.9 Variation diagram of system cop of mixed medium R134a/R23/R14 under different ratios

根據輸入功率和系統穩定時制冷量，可知，當混合工質配比為0.6:0.2:0.2 時，COP 為0.16，當混合工質配比為0.5:0.25:0.25 時，COP 為0.13，當混合工質配比為0.6:0.15:0.25 時，COP 為0.136。從而可以看出，此系統最佳配比為0.6:0.2:0.2，常規的通過減少高溫工質或者增加低溫工質，達不到提高系統COP 的目的，合理的配比才是重要的。

4 總結

本文設計了一種新型可能量調節的自復疊制冷系統，通過新系統設計及相應PID 控制邏輯設計，實現系統能量可調，實現-90℃～+20℃寬溫區連續控溫，而且控溫精度≥±1.5℃。而且，較常規制冷系統而言，設備預算及成本可降低約25%～40%。另外，通過對系統關鍵運行參數對比分析可知，此系統的穩定性較常規自復疊制冷系統高，為今后設備產品化奠定基礎。