張書春，張華，趙巍

（上海理工大學，上海 200093）

0 引言

高新技術發(fā)展的推動了低溫、超低溫實驗以及冷凍冷藏的技術的廣泛應用，例如某些醫(yī)療藥品保存的樣品，航空航天工業(yè)的生產作業(yè)，精密儀器的加工，天然氣液化等都需要在230 K～110 K 溫度范圍內[1]，這些溫度用通常意義的單級制冷方式就很難達到。從上世紀50 年代開始，人們掀起了一股對新型混合工質特別是非共沸混合工質的研究的熱潮，這極大的推動了單級壓縮節(jié)流制冷機在深冷領域的應用從可能變?yōu)楝F(xiàn)實。而在這種類型的制冷機中，ARC 制冷循環(huán)制冷機有著與眾不同的地位，從上世紀70 年代中期開始，基于ARC 循環(huán)的制冷機開始在美國首先進入商用領域[2]。而在國內，對于ARC 循環(huán)的研究起步較晚，很大部分研究仍然是集中在理論上[3-5]，而且取得一系列的研究成果。

1 多級自動復疊系統(tǒng)

自動復疊循環(huán)系統(tǒng)是在經典復疊制冷的基礎上進行的改進和優(yōu)化，它利用的仍然是復疊制冷的原理，不同的是將所有的壓縮過程通過一個壓縮機得以實現(xiàn)，沒有多個系統(tǒng)，這不僅簡化了結構，也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

1.1 自動復疊系統(tǒng)

自動復疊制冷循環(huán)的精髓就是“單級壓縮，多級分凝，自動復疊”，混合工質在經過一次壓縮后，實現(xiàn)了工質的從高溫到低溫逐漸分離，并且利用高溫工質冷卻低溫工質，逐級降溫，最終由最低溫工質進行目標溫度的制取。

自動復疊制冷循環(huán)有兩種名稱，一種是用經典復疊制冷循環(huán)的命名法來稱呼，另一種是根據(jù)循環(huán)中分凝級數(shù)來稱呼。

1.2 兩級與多級自動復疊系統(tǒng)

如圖1 所示的就是一個兩級自動復疊制冷循環(huán)，這種循環(huán)的過程比較簡單，混合工質首先被吸入壓縮機A，壓縮后進入冷凝器B，在冷凝器中進行部分冷凝后高溫工質被冷凝為液體，而低溫工質仍為氣態(tài)。從冷凝器出來的氣液混合物進入氣液分離器C，在重力的作用下實現(xiàn)氣體與液體的自動分離。液態(tài)的高溫工質從氣液分離器底部流出，經圖中左邊的節(jié)流閥D 節(jié)流，然后在蒸發(fā)冷凝器E 中蒸發(fā)吸熱，變成氣體后回到壓縮機吸氣管路。同時氣態(tài)的低溫工質從氣液分離器的上部流出，經過蒸發(fā)冷凝器時放熱，被冷凝成液體后經節(jié)流裝置F 節(jié)流，進入蒸發(fā)器E 中蒸發(fā)吸熱，變成氣體再和高溫工質氣體混合，然后再次被吸入壓縮機，從而完成整個循環(huán)。

與之相對應的多級自動復疊系統(tǒng)就是在這基礎之上增加了一個或者多個的分凝支路，然后再增加所需的各種配件，就是一套新的多級自動復疊制冷循環(huán)系統(tǒng)。本文就以五級自動復疊為例對其進行說明。

圖2 所示就是一種五級自動復疊制冷循環(huán)圖。其循環(huán)過程在圖中都有標注，這里就不再詳細描述。

對于五級自動復疊系統(tǒng)，其復雜性是無需多言的，尤其是系統(tǒng)中成分運行規(guī)律是最難掌握的。根據(jù)本次試驗的要求我們就利用氣相色譜儀對這個問題進行研究與討論。

圖1 兩級自動復疊制冷循環(huán)圖

圖2 五級自動復疊制冷循環(huán)系統(tǒng)圖

1.3 制冷工質的選擇

選擇自動復疊制冷系統(tǒng)中混合工質的原則主要有三點：(1)各成分間必須能互溶，在系統(tǒng)運行中不能起化學反應，更不能產生共沸效應；(2)各組份標準沸點間的距離分布在(40～80)℃范圍內；(3)混合工質必須具有一定的溫度滑移區(qū)間。根據(jù)這三點要求，參考各物質狀態(tài)參數(shù)表（見表1），本系統(tǒng)中選擇了R600a/R23/R14/R740/R728 這種組合。

表1 部分工質狀態(tài)參數(shù)表

1.4 制冷劑配比計算

本文利用NIST 8.0 計算軟件對制冷劑的配比進行模擬計算，設計排氣壓力2.0 MPa，吸氣壓力0.25 MPa，蒸發(fā)溫度-140℃，經過初步計算，確定充注制冷劑比例為 R600a/R23/R14/R740/R728=45/20/25/5/5。然后我們要對系統(tǒng)進行以下的假設：

1)系統(tǒng)內部制冷工質流動壓力損失忽略不計；

2)壓縮過程為絕熱等熵壓縮；

3)換熱器與系統(tǒng)外沒有熱量交換；

4)氣液分離器上下出口，制冷工質質量流量比為7:3；

5)氣液分離器中液體是純工質，且氣液相溫度一致。

在此基礎上對設計比例進行校驗計算。校驗計算主要是對氣液分離器中的溫度，干度，壓力等進行驗算，看看該溫度下，兩相的分配是否與計算值一致。如不一致，則需進行多次的迭代計算[3]，最終確定充注比例調整為：R600a/R23/R14/R740/R728=45/25/20/5/5。

2 試驗結果與分析

做完系統(tǒng)的檢漏、抽真空等準備工作后，按照初步計算的比例 R600a/R23/R14/R740/R728=45/25/20/5/5 向系統(tǒng)內充注制冷劑。此時系統(tǒng)最低溫度只有-103℃。然后對配比進行調整，經過調試后，系統(tǒng)運行約7 h 達到穩(wěn)定，最低溫度為-123℃，排氣壓力為1.9 MPa，壓縮比保持在6.7，停機時系統(tǒng)壓力為1.2 MPa。如圖3 所示是各毛細管節(jié)流后的溫度曲線。

圖3 各級毛細管節(jié)流后的溫度

從圖3 中可以看出,系統(tǒng)的各級節(jié)流后降溫速度剛開始較快，達到其蒸發(fā)壓力對應的蒸發(fā)溫度后，各級降溫速度就會變緩，溫度隨著蒸發(fā)器出口溫度的降低而緩慢降低。而且可以看到，第二級毛細管后有一段明顯的波動，其說明當溫度達到其蒸發(fā)壓力對應的蒸發(fā)溫度后，系統(tǒng)中會有一段時間再進行制冷劑的分配與調整，系統(tǒng)運行情況不是確定的。

為了清楚地反映出系統(tǒng)中各級的成分狀況，我們利用氣象色譜儀對系統(tǒng)中的某些重要部位進行成分分析與檢測。考慮到最終級的溫度在123℃，暫且認為R728，R740 沒有參與到蒸發(fā)過程中，所以這里選擇了壓縮機吸入口，第二級氣液分離器以及第五級毛細管出口三個采樣點。

由于氣象色譜儀的靈敏度太低，R23 不能在色譜儀中被正常檢驗出來，所以，只考察R600a，R14，R740 和R728 等4 種工質的運行狀況。如圖4 所示就是上面所說3 個采樣點的分析圖譜。

圖4 三個采樣點的分析圖譜

經過波峰的時間對比，圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)中的物質分別為R14/R740/R600a，R14/R740，以及R14/ R740。從這三個圖中可以看出，系統(tǒng)中沒有檢測到R728 的蹤跡，說明氮氣沒有參與到循環(huán)中來，原因是，氮氣在系統(tǒng)中實在太少了，它充注在系統(tǒng)中后，就滯留在系統(tǒng)中，未能參與循環(huán)。

從圖5 所示各采樣點的檢測報告中可以看出，系統(tǒng)中工質在運行過程中的量的分布。

圖5 中顯示出三個采樣點的工質含量分別為：(a)R14/R740/R600a=35/60/5；(b)R14/R740=42/58；(c)R14/R740=22/78，該結果匯總于表2。從中可以看出，系統(tǒng)的循環(huán)過程中，吸入的R600a 量很少，在循環(huán)中R600a 大部分都是儲存在系統(tǒng)的前兩個氣液分離器中，為中溫制冷劑提供冷量。而從圖5(b)和圖5(c)的報告數(shù)據(jù)中可以看出R14 的量變化較大，蒸發(fā)器前的R14 氣體明顯少于第二級氣液分離器的量。同時察看第六級中間換熱器的出口溫度，如圖6 所示，實驗中，進毛細管前的溫度為-116℃，可以看出最終進入毛細管的R14 與R740 的混合物經過節(jié)流后R14 的量比前幾級少，節(jié)流后部分的R14 液化，進入蒸發(fā)器的是R14 與R740 的氣液兩相混合物。

圖5 各采樣點分析報告

表2 測試結果匯總

圖6 第六級中間換熱器進出口溫度

3 結束語

本文通過對一種五級自動復疊制冷循環(huán)的實驗性研究，獲取了-123℃的低溫。對系統(tǒng)中混合工質的運行成分進行了一些簡單的分析，了解了系統(tǒng)中的部分工質運行比例，對以后混合工質在系統(tǒng)運行中的成分分析提供了指導與建議。

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