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摘要：搭建了一種三級自動復疊的制冷系統的研究裝置，采用R134a/R23/R14混合制冷劑，兩級分凝的制冷系統。對試驗裝置和混合制冷劑組分進行了優化試驗。試驗裝置達到-100℃，制冷量達到38W。

關鍵詞：混合工質自動復疊循環

0引言

自動復疊循環制冷機結構緊湊，可靠性高，操作簡便，在能源、軍工、空間、生物、醫療和生命科學等高科技領域內有著廣泛的應用。國內外學者紛紛對自動復疊制冷技術展開了新的研究。目前，自動復疊制冷循環呈現出新的發展特點[2-3]，對其研究主要集中在兩個方面：一方面是對原有的制冷循環流程的改進，包括采用新型換熱器和高效氣液分離器；另一方面則是采用新型的制冷工質，包括二元工質和多元工質，以滿足環保和制取低溫的要求。

1三級自動復疊制冷系統

針對本課題-100℃的制冷溫度，選擇單級壓縮、兩級分凝的制冷循環作為本課題的方案，原理性方案如1所示。

圖1三級自動復疊制冷循環實際系統示意圖

A-壓縮機;B-冷凝器;C-干燥過濾器;D-高溫級氣液分離器;E-高溫級節流閥;F-分凝換熱器;G-高溫級蒸發冷凝器;

H-中溫級氣液分離器;I-中溫級節流閥;J-分凝換熱器;K-低溫級蒸發冷凝器;L-低溫級節流閥;M-蒸發器;N-膨脹容器;P-匯合點;Q-匯合點;1~30-測點

膨脹容器的作用在于降低機組停機后的平衡壓力。低溫、中溫工質(如R14/R23)在常溫下已經超過其臨界溫度，全部以氣態形式存在，這會導致

管道內平衡壓力非常高，平衡壓力過高帶來如下后果：制冷管路破裂的可能性增大。壓縮機啟動時“油擊”的幾率增大。啟動壓力過高。分凝換熱器的主要作用兩個：一是進一步提純低溫組分的純度，另一個是實現潤滑油的分離。混合工質飽和氣體的組分和溫度的高低密切相關，溫度越低其低溫工質組分含量越高。

2制冷劑的選擇

用于自動復疊循環的非共沸混合工質在循環過程中有其獨特性的一面：自動實現各組分的分凝、分離和混合的過程，這決定了其循環過程完全不同于用于節能和環保目的的一般混合工質。

復疊式制冷循環的高溫部分使用的制冷劑，一般為R134a、R22、R502，也可使用R1270(丙烯)或R290(丙烷)。低溫部分使用的制冷劑有：R23、R14、R1150(乙烯)和R170(乙烷)。對于復疊式制冷循環，R23適用的蒸發溫度范圍是-70～-110℃,R14適用的蒸發溫度范圍是-110～-140℃。綜合考慮結合本文課題-100℃的制冷溫度，選擇了三種工質：R134a、R23、R14，其主要熱物性質如表1所示[4]。這三種工質中均不含對臭氧層有破壞作用的Cl原子，R134a和R23的標準沸點相差55.9℃，R23和R14的標準沸點相差45.8℃。

表1三種工質的主要熱物性參數工質分子式分子量ODPGWP標準沸點℃凝固溫度℃臨界溫度℃臨界壓力MPa等熵指數

R134aC2H2F4102.0000.2-26.2-101.0101.14.061.11

R23CHF370.01014800-82.1-160.025.94.681.19

R14CF488.010N/A-127.9-184.0-45.53.751.22

3實驗臺的搭建

主要部件的設計選型，選用了Danfoss114H5534冷凝機組，在常規冷柜箱體的基礎上，重新設計制作了內膽用于保溫改造，制作了符合實驗條件的低溫箱體。節流設備的選擇與匹配和混合工質的換熱計算是本章的兩大難點，在理論計算指導與前期兩級系統的經驗相結合的基礎上完成了毛細管和套管式換熱器的選型。制冷循環運轉期間需要實時記錄30路溫度數據和2路壓力數據，整個測量系統的設計以實現這32個參數的自動記錄、數據圖像顯示和數據庫保存為目標（圖2）。數據采集系統包含電量參數測量部分。AN7931A本身內置微控制器，可以實現與上位PC的基于RS-232協議的串行通訊。AN7931A儀表通過一根RS-232通訊電纜與主計算機的串行口連接。同樣的，基于VisualBasic6.0語言我們設計了相應的軟件程序。

圖2溫度壓力采集系統硬件圖

4實驗與實驗結果分析

循環系統啟動后，R134a流、R23流、R14流的節流溫度變化如圖3所示和柜內溫度如圖4所示。

圖3R134a流、R23流、R14流的節流溫度變化

圖4低溫箱體的降溫曲線

實驗臺的性能測試在30℃環境溫度下進行，系統啟動4.5h后，柜溫降至-100℃，制冷量為38W，運行COP=0.056。

循環系統中有兩個匯合點P和Q，R134a流和低溫混合流在P點匯合成高溫混合流，R23流和R14流在Q點匯合成低溫混合流，其運行狀態如圖5所示。兩股流體匯合時，如果不發生化學反應，得到的匯合流的溫度介于兩股支流的溫度之間。但是從圖5可以看到，開機運行約90min內，高溫混合流的溫度t24始終低于其兩個支流的溫度t22和t23，90min以后，才介于兩者之間。匯合之后混合物流體的溫度決定于兩個因素：焓值和成分，相同條件下，焓值越高，溫度越高；混合物中低溫組分含量越多，溫度越低。通過圖9來說明這個問題，低溫混合流(t22)匯入R134a流(t23)后，對其溫度的影響有兩個方面：一方面由于增大了其焓值，導致溫度有升高的趨勢，另一方面由于增大了其中低溫組分(R23/R14)的含量，導致溫度有降低的趨勢；而當后者的影響大于前者的影響時，綜合作用結果是降低其溫度。表現在圖上就是高溫混合流的溫度(t24)始終低于R134a流的溫度(t23)，并且在前90min內，低于其兩個支流的溫度t22、t23。

圖5匯合點P的運行溫度變化圖

R14流匯入R23流后對其溫度的影響經歷了不同的過程，在啟動后約150min時間內，綜合作用效果表現為溫度升高(t17>t16)；之后的運行過程中，綜合作用效果表現為溫度降低(t1716)。因此，匯合后得到的低溫混合流的溫度(t17)始終處于兩支流溫度(t15、t16)之間，如圖6所示。

圖6匯合點Q的運行溫度變化圖

5結論與討論

自動復疊循環能夠實現低溫制冷，并不是單純地依靠降低蒸發壓力，而是利用了非共沸混合工質在各組分沸點相差很大的條件下所表現出來的特性，采用相分離器來實現混合工質的分流，通過特殊布置的流程來實現復疊循環。常規壓縮機完全勝任驅動自動復疊循環，其運行時的啟動工況、排氣壓力、排氣溫度均在常規壓縮機的允許范圍之內，運行相當可靠，這對自動復疊制冷機的商業化生產具有十分重要的意義。

自動復疊循環本身可以實現壓縮機的高效回油。合理布置的中間換熱器流程可以保證潤滑油的分離效果，混合工質的多次分流可以保證分離出來的潤滑油隨高溫級組分回到壓縮機，避免了可能的在低溫下脫蠟、凝固堵塞系統的問題。

非共沸混合工質在自動復疊循環中的應用中有其獨特性的一面：根據沸點的高低不同而自動實現各組分的分流，這種特性就決定了不同的成分組成和配比組成會表現出不同的循環特性。非共沸混合工質的節流溫度不僅與組成成分、蒸發溫度有關，而且與過冷度有關：相同條件下，節流前冷凝液的過冷度越大，節流后混合物的蒸發溫度越低。

常規壓縮機完全勝任驅動自動復疊循環，其運行時的啟動工況、排氣壓力、排氣溫度均在常規壓縮機的允許范圍之內，運行相當可靠，這對自動復疊制冷機的商業化生產具有十分重要的意義。

參考文獻

1.K1eemenkoAP.Oneflowcascadecycle.Theproceedingoftheinternationalconferenceofrefrigeration,1959，1-a-6：34—39

2.MisssimerDJ.RefrigerantconversionAuto-RefrigerationCascade(ARC)system.IntJRefri，1997，20(3)：201-207

3.ShankarVaidyaraman,m，2002(189):1057-1078

4.吳業正，韓寶琦．制冷原理及設備．陜西：西安交通大學出版社,1997.