?150 ℃四級自復疊制冷系統的實驗與分析

徐琳嬌，張 華，肖麗媛，王國棟

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

自復疊制冷系統是采用一臺壓縮機，工質采用兩種及以上的非共沸制冷工質的制冷系統。該系統可以用于制取?40 ℃至?160 ℃的低溫［1-2］。傳統制冷系統在制取低溫時面臨壓縮機壓比過大，潤滑油在低溫區凝固等一系列問題，因此自復疊系統在低溫區的應用具有廣泛的前景。目前對自復疊制冷系統的研究主要集中在：①對原有流程的改進，如采用新型換熱器；② 采用新型的制冷工質，如采用多元工質，自然工質替代等［3］。為了達到?150 ℃的柜溫，本文采用一種四級自復疊制冷系統，將由R600a、R134a、R23、R14、R50 和R740 等6 種工質組成的非共沸混合制冷劑，并分析低溫箱體的降溫特性、壓縮機的運行特性和混合工質的節流特性。

1 四級自復疊制冷系統

圖1 為設有一個回熱器和四個逆流換熱器的單級壓縮四級自復疊制冷系統原理圖。該系統理想工作流程為：混合工質經壓縮機A 壓縮為高溫高壓氣體，經過油分離器B 后進入冷凝器C 冷凝，其中高沸點工質大部分被冷凝為液體，中、低沸點工質混合物仍為氣體，氣液混合物進入第一級換熱器E1（也為回熱器）與從蒸發器內出來的低溫工質和每級回氣的混合工質氣體進行換熱并被進一步冷卻，然后進入氣液分離器F1，在重力的作用下氣液分離，中、低沸點氣態混合物經F1的頂部進入下一級換熱器E2，高溫液態工質自F1的底部經過毛細管G1節流降壓降溫后也進入E2與中、低沸點氣態混合物進行換熱。在E2中，高溫液態工質吸熱汽化，并經E2回流到吸氣管路中與從蒸發器內出來的低溫工質匯合后一起經E1進入壓縮機，而中、低沸點氣態混合物中的中沸點工質大部分被冷凝為液體，低沸點工質仍保持氣態。氣液混合物繼續進入下一級氣液分離器F2。之后，制冷劑混合物在E3、F3、E4、F4經過與上述類似的換熱和高、低沸點制冷劑分離，最終液態最低沸點制冷劑經G4節流降溫降壓后進入蒸發器I 蒸發制冷。蒸發后的氣態最低沸點制冷劑經E5回到吸氣管路，完成整個循環。

圖1 四級自復疊制冷系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of four-stage auto-cascade refrigeration system

圖1 顯示在自復疊制冷系統中設置了回熱器及逆流換熱器，這使得循環中的熱交換更加充分，并保證了壓縮機吸入蒸汽的過熱度，提高了系統循環性能和安全性。該系統中每級中間換熱器的回氣均通過一根管路回到壓縮機，減小了沿程阻力，也使得每級回氣口的壓力相同，降低了壓縮機的排氣溫度和吸氣溫度。

2 混合工質選取

混合工質的選取主要需要滿足以下條件：①各組分標準沸點的差距需較大，高、低沸點制冷劑沸點間距的適宜范圍是40～80 ℃；② 混合工質應具有一定的溫度滑移區間；③各組分應相溶且不發生化學反應；④ 所選工質符合環保要求［4-7］。

表1 為通過REFPROP 8.0 生成的本文所采用的6 種工質的主要熱物性參數，其中：ODP為臭氧消耗潛能；GWP 為全球變暖潛能。圖2為6 種工質的飽和蒸氣壓力和溫度的關系。

圖2 飽和蒸氣壓力和溫度的關系Fig.2 Relationship between pressure and temperature of saturated vapor

表1 工質主要熱物性參數Tab.1 Thermal properties of the working fluids

本文綜合考慮各種工質的物性參數，并結合?150 ℃的低溫，選擇了R600a、R134a、R23、R14、R50 和R740 等6 種工質作為制冷工質。根據前期的實驗經驗數據，初步擬定混合工質質量比為30∶25∶17∶15∶5∶8，吸氣壓力為0.16 MPa，排氣壓力為1.4 MPa，環境溫度為30 ℃，蒸發溫度為?150 ℃，系統制冷量為30 W。

3 實驗系統的搭建

實驗裝置原理圖如圖1 所示。壓縮機選用法國泰康FH2511Z 全封閉活塞式壓縮機，其功率為2 106 W。本系統選用風冷式冷凝器，采用浙江高翔公司生產的FNH?2.9/8 冷凝器，冷凝面積為8 m2，可滿足要求。

中間換熱器E1～E5選用螺旋盤管式換熱器，采用理論計算與實際經驗估算相結合的方法，采用10 mm 直徑粗管和6 mm 直徑細管盤繞制得五級中間換熱器。

蒸發器采用螺旋盤管式蒸發器，與中間換熱器一同設置在一個大體積的低溫箱體中，箱內分為兩個空間，一側放置蒸發器，并用分子泵對箱體內進行真空處理，以減少與環境之間的換熱，另一側放置中間換熱器，并用聚氨酯發泡保溫。

節流裝置采用毛細管，這是由于在多級自復疊制冷系統中制冷劑的流量均較小，并且靠后的幾級工作溫度均較低，這就限制了熱力膨脹閥和電子膨脹閥的應用。選定內徑為0.6 mm 的毛細管，通過計算獲得各段毛細管的尺寸，結果如表2 所示。

表2 毛細管的尺寸參數Tab.2 Size of the capillaries

4 實驗數據分析

實驗在環境溫度32 ℃的條件下進行，以下數據實時記錄了實驗臺從開機到穩定運行過程中系統參數的變化。下面對這些結果進行分析與討論。

4.1 系統降溫特性

圖3 為蒸發器內中心位置的空氣溫度（本文稱之為柜內溫度）與蒸發器入口制冷劑溫度隨時間變化曲線。由圖可知，開機后，蒸發器入口制冷劑溫度先迅速下降，在約80 min 時開始緩慢下降。柜內溫度變化規律與蒸發器入口制冷劑溫度變化趨勢基本一致，由于蒸發盤管與柜內空氣之間存在傳熱熱阻，所以降溫比蒸發器入口制冷劑溫度延遲。在開機500 min 后，柜內溫度降至?153 ℃左右并保持穩定，與蒸發器入口制冷劑溫度保持9 ℃左右的溫差。

圖3 蒸發器降溫曲線Fig.3 Cooling curves of the evaporator

4.2 壓縮機的運行特性

圖4 為壓縮機吸、排氣壓力變化。開機后，吸氣壓力迅速下降至0.16 MPa 并基本穩定；排氣壓力迅速升高至2.0 MPa，100 min 后逐漸穩定在1.5 MPa，之后又隨環境溫度變化波動，6 h 后穩定在1.4 MPa。最終吸氣壓力穩定在0.16 MPa，排氣壓力穩定在1.4 MPa。分析原因是：壓縮機啟動瞬間，壓縮機吸氣溫度較高，接近環境溫度，使系統排氣壓力較高，觸發旁通調節。隨后吸氣溫度和吸氣壓力均下降，排氣壓力隨之下降。

圖4 壓縮機吸、排氣壓力變化Fig.4 Suction and exhaust pressure of the compressor

圖5 為壓縮機吸、排氣溫度變化。由圖可以看出，吸、排氣溫度在開機后變化幅度均較大，并在運行約400 min 后開始進入穩定階段。循環平衡后，吸氣溫度穩定在22 ℃左右，排氣溫度穩定在100 ℃左右。與推薦值相比，壓縮機排氣溫度仍較高。造成排氣溫度高的原因主要有：①壓比仍然較大；② R23/R14 工質在常溫下的絕熱壓縮指數較大；③系統中的低溫制冷劑R740 可能沒有液化或者只有少部分液化，從而導致系統的排氣壓力升高。

圖5 壓縮機吸、排氣溫度變化Fig.5 Suction and exhaust temperature of the compressor

4.3 各級毛細管節流降溫特性及節流前、后溫度變化

圖6 為系統各級毛細管節流降溫特性。從圖可以看出，各級毛細管G1～G4節流后溫度均先迅速下降再緩慢下降，最后穩定。毛細管G1出口溫度隨著高溫級制冷劑R600a、R134a 的充注首先迅速降低，最先到達穩定溫度?63 ℃，緊接著毛細管G2、G3的出口溫度也分別到達穩定溫度?82 ℃和?111 ℃，毛細管G4最后到達穩定溫度?160 ℃。自復疊制冷系統工作原理是前一級液體節流蒸發冷凝后一級氣體，因此前一級工質達到穩定工作狀態是后一級工質達到穩定工作狀態的前提和基礎。顯然，各級毛細管節流后穩定變化符合這一規律。最后一級毛細管節流溫度達到?160 ℃，為柜內溫度順利降至?150 ℃奠定了基礎。

圖6 各級毛細管節流降溫特性Fig.6 Cooling characteristics of the capillary throttling at different stages

圖7 為第一、二、三級毛細管G1、G2、G3節流前、后溫度變化。壓縮機啟動后，制冷工質的流量逐漸增大，毛細管G1、G2、G3的節流降溫效果也逐漸明顯。系統運行前30 min內，毛細管G1、G2、G3的進、出口溫度均迅速降低，500 min 后基本達到穩定。系統運行穩定后，毛細管G1的進口溫度穩定在?51 ℃，出口溫度穩定在?63 ℃，實際降溫僅12 ℃。這是由于第一級換熱器E1內存在回熱利用。毛細管G2進口溫度穩定在?61 ℃，出口溫度穩定在?82 ℃，實際降溫達21 ℃，符合預期降溫要求。這說明毛細管G2的設計長度符合要求。毛細管G3進口溫度穩定在?81 ℃，出口溫度穩定在?111 ℃，實際降溫達30 ℃，同樣符合預期降溫要求。這說明毛細管G3的設計長度和通過G3的液相混合制冷工質流量均符合要求。

圖7 毛細管G1、G2、G3 節流前、后溫度變化Fig.7 Temperature variation before and after capillary throttling of G1，G2，and G3

當系統穩定運行后，混合制冷工質在毛細管G1、G2和G3的進口均處于飽和液體狀態。隨著其在毛細管道內降壓降溫過程的進行，液相混合工質不斷汽化。由于管道摩擦阻力損失使混合工質的壓力逐漸減小，混合工質中的液相工質不斷被汽化，氣相混合工質逐漸增多，液相混合工質逐漸減小。由于氣相工質的比容大于液相工質的比容，混合工質在毛細管內的流速不斷增大，在毛細管的出口形成噴射狀流動。系統啟動初期，液相工質較少，毛細管進口為氣液混合物，無法形成液封，毛細管出口為氣相工質；隨著液體工質流量逐漸增多，毛細管出口逐漸成為氣液混合物，且液相混合工質量流量逐漸增大，直到系統穩定后不再變化。

圖8 為毛細管G4節流前、后溫度變化。由圖中可見，開機后，毛細管G4的進、出口溫度迅速降低，最終穩定時的進口溫度為?145 ℃，出口溫度為?160 ℃，降溫15 ℃，未達到預期降溫要求。這說明毛細管G4的設計長度太短，需要增加其長度，其原因是通過毛細管G4的液相混合制冷工質流量偏少，即氣液分離器F3分離出的液相混合制冷工質流量偏少。

圖8 毛細管G4 節流前、后溫度變化Fig.8 Temperature variation before and after the fourth stage capillary throttling

5 結 論

（1）四級自復疊制冷系統由于其工質種類多、系統部件多等原因，在設計搭建實驗時，各部件的設計、選型和布置方式都要盡可能做到科學、合理，以確保壓縮機的順利回油和保證壓縮機吸入蒸汽的過熱度，提高冷量利用率，避免在低溫下出現液擊、結冰堵塞壓縮機的現象，盡量提高系統循環性能和安全性。

（2）自復疊制冷系統隨著制冷劑種類增加，排氣壓力和排氣溫度均增至非常高，且制冷劑充注量有限，這嚴重限制了自復疊制冷系統的安全運行和能效。

（3）通過數據分析發現，壓縮機的吸、排氣壓力和吸、排氣溫度關乎系統能否安全穩定的運行，每級毛細管的長度關乎系統的降溫特性。