王新一,任紹民

(河南省漯河市雙匯實(shí)業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,河南漯河462000)

1 引言

由于近年來(lái)國(guó)際上對(duì)CFC的禁用和對(duì)節(jié)能減排、能源利用效率的重視,推進(jìn)了制冷劑替代方面的研究,而混合工質(zhì)作為CFCs的替代具有很大的潛力和應(yīng)用前景。

同時(shí)隨著教育、科研和醫(yī)療事業(yè)的不斷發(fā)展,對(duì)-40～-160℃溫區(qū)的低溫實(shí)驗(yàn)設(shè)備的需求量也不斷增加。

而在制取較低的溫度時(shí),一般的蒸發(fā)壓縮式循環(huán)已不能滿足要求。因?yàn)樵谡舭l(fā)溫度和冷凝溫度相對(duì)較大時(shí),找不到一種制冷劑能夠滿足冷凝壓力較低且蒸發(fā)壓力較高的要求。因此多工質(zhì)制冷技術(shù)成為人們研究的方向,復(fù)疊制冷更是引起了人們的關(guān)注。

2 應(yīng)用價(jià)值

由于自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)可以實(shí)現(xiàn)從低于80K的液氮溫區(qū)到230K的傳統(tǒng)蒸發(fā)壓縮制冷循環(huán)制冷溫區(qū),因此具有比較大的實(shí)用價(jià)值。

(1)液化天然氣起初采用的是經(jīng)典復(fù)疊制冷循環(huán),循環(huán)以甲烷、乙烷、丙烷和乙烯作為制冷劑。近年來(lái)各LNG廠家趨向于應(yīng)用混合工質(zhì)的自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)來(lái)完成天然氣液化的預(yù)冷部分,實(shí)際研究表明,采用自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)后,熱力效率有明顯提高。

(2)低溫箱是一種只能用于冷凍而不能冷藏的低溫冷凍設(shè)備。原有的低溫箱品種較少,大多采用雙級(jí)壓縮或經(jīng)典復(fù)疊壓縮制冷方式,20世紀(jì)80年代末,美國(guó)REVCO公司成功研制出單級(jí)壓縮分凝制冷系統(tǒng)的-140℃和-150℃的低溫箱,并于90年代初投放市場(chǎng),我國(guó)的一些科研單位、大學(xué)和醫(yī)院陸續(xù)進(jìn)口的這種低溫箱[1]。

(3)冷凍干燥裝置。冷凍干燥是將含水物質(zhì)在低溫下凍結(jié),而后使其中的水分在真空狀態(tài)下直接升華而獲得干燥物品的一種技術(shù)。文獻(xiàn) [2]中研制出的采用單級(jí)壓縮分凝制冷系統(tǒng)的低溫冷凍干燥裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越,可以用于不同制品冷凍干燥過(guò)程的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

除以上幾個(gè)主要用途以外,單級(jí)壓縮分凝制冷系統(tǒng)還可應(yīng)用于精密工業(yè)制品、工程材料和電子元件的低溫試驗(yàn)、冶金產(chǎn)品的調(diào)質(zhì);醫(yī)療、制藥及生物等部門(mén)保存臟器、血液和生物樣品;航空航天工業(yè)的環(huán)境試驗(yàn);化學(xué)產(chǎn)品的生產(chǎn)和冷藏以及低溫條件下材料與物品的性能測(cè)試等。

3 研究?jī)?nèi)容

目前,針對(duì)自動(dòng)復(fù)疊式制冷的研究工作主要集中在兩個(gè)方面,一方面是對(duì)原有系統(tǒng)的改進(jìn),包括使用新型的換熱器和高效的氣液分離器,采用新的循環(huán)形式;另一方面是循環(huán)分析,找出影響循環(huán)熱力性能的因素和適用于自動(dòng)復(fù)疊制冷的混合工質(zhì)。中國(guó)科學(xué)院、浙江大學(xué)、上海理工大學(xué)和華中科技大學(xué),都積極開(kāi)展了-50～-200℃溫區(qū)的制冷設(shè)備的研究[3],并搭建了實(shí)驗(yàn)裝置,在混合工質(zhì)研究、循環(huán)改進(jìn)等方面取得了一定的成果。總之,混合工質(zhì)的自動(dòng)復(fù)疊制冷既能滿足環(huán)保、安全要求,又能提高系統(tǒng)效率,對(duì)制冷領(lǐng)域來(lái)講是一項(xiàng)值得投入人力和物力開(kāi)發(fā)的新技術(shù)[4]。

本文主要是針對(duì)第二個(gè)方面進(jìn)行研究,找到合適的混合工質(zhì),通過(guò)不斷地試驗(yàn),使低溫箱降到我們所需要的溫度。

(1)制冷劑的選取

對(duì)于混合工質(zhì)在節(jié)流制冷循環(huán)中的應(yīng)用,主要有兩個(gè)方面:一是作為新型的制冷工質(zhì),替代傳統(tǒng)氟利昂中的CFC類(lèi)工質(zhì),起到保護(hù)環(huán)境和節(jié)約能源的作用;另一方面是通過(guò)特定的配比,在單級(jí)壓縮的情況下,產(chǎn)生深低溫環(huán)境。

在自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)中,要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)復(fù)疊,混合工質(zhì)各組分之間應(yīng)能互溶,但不能形成共沸混合物;其次,各組分必須有較大的沸點(diǎn)間距,基本上在40～80℃,因?yàn)樵诘蜏丶夹g(shù)中,只有對(duì)沸點(diǎn)間距較大的混合物才能進(jìn)行分凝;第三,為使低沸點(diǎn)工質(zhì)在高沸點(diǎn)的蒸發(fā)溫度下冷凝,低沸點(diǎn)工質(zhì)的臨界溫度要高于與它相鄰的高沸點(diǎn)工質(zhì)的沸點(diǎn)。

本研究?jī)?nèi)容是要獲得-120℃的低溫,考慮到各組元的熱力性質(zhì)、凝固點(diǎn)溫度,同時(shí)也要考慮各組元的化學(xué)穩(wěn)定性、毒性、對(duì)大氣臭氧層的破壞性、各組元之間有無(wú)化學(xué)反應(yīng),以及來(lái)源的可靠性和經(jīng)濟(jì)性等問(wèn)題,本文所做的四級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán),選擇了混合工質(zhì):R134a、R23、R14、R50。所選工質(zhì)主要物理性質(zhì)見(jiàn)表1,能很好地滿足上面所述的三個(gè)要求。

表1 工質(zhì)主要物理性質(zhì)Tab1 Thermal property and environmental parameters of refrigerants

(2)四級(jí)自動(dòng)復(fù)疊循環(huán)流程

本文主要研究四級(jí)復(fù)疊制冷循環(huán),由圖1說(shuō)明其工作流程。

混合工質(zhì)采用非共沸混合工質(zhì)R134a/R23/R14/R50作為制冷劑。

理論循環(huán)工作流程如下:混合工質(zhì)經(jīng)壓縮機(jī)A壓縮,進(jìn)入冷凝器B中進(jìn)行冷凝,其中高沸點(diǎn)組分R134a大部分被冷凝成為液體,僅有溶于R134a的少部分R23冷凝,其余工質(zhì)仍然保持為氣態(tài)。冷凝后的混合工質(zhì)進(jìn)入氣液分離器I,在重力的作用下實(shí)現(xiàn)氣液自動(dòng)分離,其中R134a和少量R23的液體經(jīng)氣液分離器送至毛細(xì)管K節(jié)流,然后在第一級(jí)冷凝蒸發(fā)器H中蒸發(fā)制冷,蒸發(fā)后的氣體回到回?zé)崞髦?。中、低溫工質(zhì)氣體混合物在氣液分離器I上部經(jīng)管路進(jìn)入第一級(jí)冷凝蒸發(fā)器H后冷凝,同樣進(jìn)入氣液分離器進(jìn)行分離,依次循環(huán)。最后,從蒸發(fā)器出來(lái)的R50蒸汽和冷凝蒸發(fā)器出來(lái)的R134a、R23、R14、R50蒸汽混合后進(jìn)入吸氣管管路和各級(jí)換熱器回到壓縮機(jī),完成整個(gè)循環(huán)。經(jīng)過(guò)每一級(jí)蒸發(fā)冷凝器的溫度逐漸降低,直至最后一級(jí)蒸發(fā)器,蒸發(fā)溫度降到設(shè)計(jì)溫度。

圖1 四級(jí)復(fù)疊制冷的系統(tǒng)原理圖Fig1 The schematic diagram of four-stage auto-cascade refrigeration sysytem

(3)搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)

通過(guò)熱力計(jì)算,對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)部件進(jìn)行選型和計(jì)算,包括主要部件壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、蒸發(fā)冷凝器和回?zé)崞?確定毛細(xì)管的長(zhǎng)度、保溫層厚度,并對(duì)氣液分離器、干燥過(guò)濾器和膨脹容器等輔助部件進(jìn)行設(shè)計(jì),搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái),進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

4 結(jié)論

(1)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)只用一臺(tái)壓縮機(jī),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)行可靠,費(fèi)用較低,這對(duì)自動(dòng)復(fù)疊制冷機(jī)的商業(yè)化非常有利。

(2)自動(dòng)復(fù)疊循環(huán)可以獲得多個(gè)不同的蒸發(fā)溫度,用做多種不同的用途;對(duì)系統(tǒng)不做大的改動(dòng)時(shí),采用不同的混合工質(zhì)也能得到不同的制冷溫度。

(3)選用非共沸混合工質(zhì)R134a/R23/R14/R50作為制冷劑,經(jīng)過(guò)不斷試驗(yàn),能夠達(dá)到我們所需要的溫度。但是對(duì)制冷劑的最佳配比是通過(guò)試驗(yàn)得出的,因此對(duì)配比的優(yōu)化有待進(jìn)一步探討。

[1]韓潤(rùn)虎.自然復(fù)疊制冷系統(tǒng)與低溫制冷[J].制冷學(xué)報(bào),1999,04:59-61

[2]翁宇,周新麗,陳光明等.低溫冷凍干燥裝置的研制[J].深冷技術(shù),2004,03:12-16

[3]陳國(guó)邦.新型低溫技術(shù)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2003

[4]王雁.混合工質(zhì)R134aR23物性及其自然復(fù)疊循環(huán)特性的理論研究[D].東南大學(xué)碩士論文,2005