肖麗媛，張華，張慶慶

（上海理工大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200093）

三級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)混合工質(zhì)運(yùn)行過程分析

肖麗媛*，張華，張慶慶

（上海理工大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200093）

本文分析了非共沸混合工質(zhì)自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)（ARC循環(huán)）的特點(diǎn)；設(shè)計(jì)了一個(gè)單級(jí)壓縮、兩級(jí)分凝、三級(jí)自動(dòng)復(fù)疊的制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在-120 ℃的制冷工況下穩(wěn)定運(yùn)行。文中進(jìn)行了循環(huán)特性分析，結(jié)合R134a/R23/R14三級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)理論模型以及R134a/R23/R14經(jīng)典配比為65/20/15時(shí)實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)冷凝器、蒸發(fā)冷凝器和分凝器中的混合工質(zhì)運(yùn)行過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并對(duì)設(shè)備各點(diǎn)進(jìn)行了熱力計(jì)算，結(jié)果表明：冷凝器中要盡量達(dá)到最佳冷凝終止溫度；選用套管式換熱器可減少混合工質(zhì)的充注量；增加分凝換熱器也使得系統(tǒng)的熱力學(xué)效率得到提高。

自動(dòng)復(fù)疊制冷；混合工質(zhì)；熱力計(jì)算

0 引言

自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)循環(huán)技術(shù)（Auto-cascade Refrigeration Cycle，ARC）采用一個(gè)普通低溫壓縮機(jī)制取很低的溫度，其奧妙在于“一級(jí)壓縮，多級(jí)復(fù)疊，自動(dòng)分離”，即混合工質(zhì)一次壓縮后，在多級(jí)復(fù)疊管路中的多個(gè)冷凝蒸發(fā)器中逐級(jí)分離，使沸點(diǎn)最低的制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器，制取預(yù)定的低溫。

ARC系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性，在對(duì)硬件部分不做重大改變的情況下，通過選擇合適的混合物組成，不但可以獲得從-40 ℃～-200 ℃較廣的制冷溫度區(qū)間，特別適用于小型低溫裝置[1-3]，而且可以采用對(duì)臭氧無破壞作用的綠色工質(zhì)，滿足環(huán)保的需要[4-5]。

ARC系統(tǒng)采用單壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)，保持了單級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、壽命長(zhǎng)、成本低等特點(diǎn)，并被廣泛應(yīng)用于低溫電子、低溫醫(yī)學(xué)、低溫生物、軍工、紅外線探測(cè)等方面[6-8]。由于循環(huán)本身可以實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的高效回油，很好地克服了常規(guī)深冷制冷機(jī)在回油方面的諸多弱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了可靠性方面質(zhì)的提升，成為低溫深冷制冷機(jī)的重要發(fā)展方向，是近年來國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。朱軍韜和張華[9]對(duì)單級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)混合工質(zhì)進(jìn)行了理論模擬，芮勝軍等[10]對(duì)于兩級(jí)自復(fù)疊，三元混合工質(zhì)的組分變化規(guī)律及運(yùn)行特性進(jìn)行了理論研究。陳林和張信榮[11]提出了CO2兩級(jí)復(fù)疊式循環(huán)概念并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，余華明和徐言生[12]也比較分析了3種常用的自然復(fù)疊制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度、COP、壓縮機(jī)排氣溫度等運(yùn)行參數(shù)特性。吳嘯等[13]在其研究的課題中詳細(xì)分析了自復(fù)疊制冷系統(tǒng)中關(guān)于氣液分離器液體溫度偏低、蒸發(fā)器內(nèi)換熱系數(shù)和制冷量偏小的問題。本文基于非共沸混合工質(zhì)的ARC循環(huán)的特點(diǎn)，分模塊對(duì)多元混合工質(zhì)在不同設(shè)備中的運(yùn)行過程進(jìn)行了分析。

1 混合工質(zhì)循環(huán)過程分析

隨著蒙特利爾議定書的嚴(yán)格執(zhí)行，自動(dòng)復(fù)疊節(jié)流制冷系統(tǒng)最早使用的混合制冷工質(zhì)R12、R13和R21等已經(jīng)被嚴(yán)格禁止使用[14]，因此需要研究適合于自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)的新型替代工質(zhì)。

適用于自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)的混合工質(zhì)組元沸點(diǎn)間距以40 ℃～80 ℃為宜，現(xiàn)適用的混合工質(zhì)組元大致分為三類。1）高沸點(diǎn)制冷劑：R600a（Isobutene）、R134a（CF3CH2F）、R22（CHClF2）和R290（Propane）；2）中沸點(diǎn)制冷劑：R23（CHF3）、R32（CH2F2）、R170（Ethane）、R744（Carbon dioxide）和R1150（Ethylene）；3）低沸點(diǎn)制冷劑：R14（CF4）、R50（Methane）、R728（N2，Nitrogen）和R740（Ar，Argon）。本文所選用的3種工質(zhì)熱物性參數(shù)見表1所示。

表1 工質(zhì)熱物性參數(shù)表

圖1為一種常見三級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)示意圖，此循環(huán)系統(tǒng)選用R134a/R23/R14混合工質(zhì)為制冷劑，過程如下：R134a/R23/R14混合制冷工質(zhì)經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后排入到冷凝器，在冷凝器中混合制冷工質(zhì)溫度不斷降低，達(dá)到其露點(diǎn)溫度以后有液相析出，高沸點(diǎn)工質(zhì)在冷凝器內(nèi)大部分被冷凝為液體，中低沸點(diǎn)工質(zhì)大部分仍然保持氣態(tài)；從冷凝器出來的氣液混合物中，氣相為富含R14的R134a/R23/R14混合工質(zhì)，液相為富含R134a的R134a/R23混合工質(zhì)（由實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，此時(shí)液相中的R14的含量很小，可以忽略）。氣液相混合工質(zhì)經(jīng)干燥過濾器后進(jìn)入高溫級(jí)氣液分離器D，在重力作用下氣體與液體實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分離；液相R134a/R23混合工質(zhì)經(jīng)高溫級(jí)氣液分離器D底部送至高溫級(jí)節(jié)流閥E節(jié)流，然后與中溫級(jí)返回混合工質(zhì)混合然后一同在高溫級(jí)冷凝蒸發(fā)器G低壓通道中蒸發(fā)制冷，蒸發(fā)后的氣體經(jīng)分凝換熱器F進(jìn)一步蒸發(fā)回到壓縮機(jī)吸氣管路；氣相R134a/R23/R14混合工質(zhì)經(jīng)高溫級(jí)氣液分離器D的上部進(jìn)入分凝換熱器F進(jìn)一步提純，大中沸點(diǎn)工質(zhì)為液體而低沸點(diǎn)工質(zhì)仍然保持氣態(tài)；從分凝換熱器F出來的R134a/R23/R14氣相混合工質(zhì)經(jīng)冷凝蒸發(fā)器G高壓通道變溫部分冷凝，出來的氣液混合物進(jìn)入中溫級(jí)氣液分離器H，在重力作用下氣體與液體實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分離；中溫級(jí)混合工質(zhì)過程與高溫級(jí)混合工質(zhì)變化過程同理；最后，從低溫級(jí)冷凝蒸發(fā)器K中出來的富含R14的R23/R14液相混合工質(zhì)經(jīng)低溫級(jí)節(jié)流閥L節(jié)流后在蒸發(fā)器M低壓通道中蒸發(fā)制冷，釋放冷量后返回到中溫級(jí)，與中溫級(jí)氣節(jié)流后的點(diǎn)13混合工質(zhì)混合繼續(xù)參與循環(huán)。

這種逐步冷凝和分離有許多優(yōu)點(diǎn)：首先使工質(zhì)有效的分離可以降低蒸發(fā)器的溫度滑移，減少蒸發(fā)器的能量損失；其次能使換熱器高低壓的水當(dāng)量更好的匹配，減少換熱器的能量損失；再次潤(rùn)滑油也可以被更好地分離，防止低溫端節(jié)流元件阻塞[15]?；旌瞎べ|(zhì)在系統(tǒng)中運(yùn)行，初始充注混合工質(zhì)組分摩爾比一般不等于系統(tǒng)運(yùn)行過程中的混合工質(zhì)摩爾比。本文若不做特別說明，混合工質(zhì)摩爾比為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的摩爾比。

2 主要部件中混合工質(zhì)運(yùn)行過程分析

根據(jù)上面對(duì)冷凝器的分析過程，可以得到圖4變溫?zé)嵩磿r(shí)逆卡諾循環(huán)原理圖，其中蒸發(fā)器恒壓變溫過程與冷凝器恒壓變溫過程類似。冷凝時(shí)冷凝器中混合工質(zhì)溫度分布變化趨勢(shì)，由Tk降到Tk’，而與之逆流的冷卻水蒸發(fā)是由To逐漸升高至To’，冷卻水與混合工質(zhì)之間的溫差比經(jīng)典逆卡諾循環(huán)的溫差有所減少，有利于傳熱過程，并且，由于變溫差傳熱的不可逆損失也相對(duì)于等溫相變過程有所減少，從而達(dá)到節(jié)能的目的。非共沸混合工質(zhì)這種溫度滑移[18]的特殊特點(diǎn)，使得自動(dòng)復(fù)疊制冷實(shí)際循環(huán)過程更接近勞倫茲循環(huán)，系統(tǒng)性能得到提高。圖5為非共沸混合制冷工質(zhì)單級(jí)蒸氣壓縮制冷循環(huán)的T-s圖和lgP-h圖。

表2是根據(jù)本文模擬程序計(jì)算的混合工質(zhì)隨冷凝溫度的組分表，冷凝壓力為2.3 MPa，溫度由實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)從壓縮機(jī)出口380 K逐漸減小，三元混合工質(zhì)R134a/R23/R14的運(yùn)行組分質(zhì)量配比為65/20/15。

圖4 變溫?zé)嵩磿r(shí)逆卡諾循環(huán)

圖5 非共沸混合工質(zhì)單級(jí)壓縮循環(huán)的T-s圖和lgP-h圖

表2 混合工質(zhì)在2.3 MPa時(shí)冷凝特性

2.2 冷凝蒸發(fā)器中混合工質(zhì)運(yùn)行過程分析

套管式冷凝蒸發(fā)器如圖6所示，且對(duì)應(yīng)到三級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)圖1中的系統(tǒng)測(cè)量點(diǎn)。三元R134a/R23/R14氣相混合工質(zhì)被壓縮機(jī)壓縮到冷凝壓力后，由點(diǎn)5進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器高壓側(cè)，在套管式換熱器中，一般把內(nèi)管作為高壓側(cè)，夾層作為低壓側(cè)，這是因?yàn)榈蛪簜?cè)蒸發(fā)時(shí)氣液混合工質(zhì)的液體量較多，這樣安排有利于減少混合工質(zhì)的充注量；之后經(jīng)冷凝三元混合工質(zhì)為氣液兩相從點(diǎn)6出。低壓側(cè)混合工質(zhì)均為R134a/R23/R14氣液兩相從點(diǎn)18進(jìn)入蒸發(fā)后點(diǎn)19出，且氣液相組分摩爾比不變，只是溫度降低。

3 結(jié)果分析

圖8 R134a/R23/R14 三級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)空間壓焓圖

4 結(jié)論

本文在三級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)實(shí)際實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)中的冷凝器、冷凝蒸發(fā)器和分凝器中混合工質(zhì)運(yùn)行情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析說明，得到如下結(jié)論：

1）在冷凝器中要盡量達(dá)到最佳冷凝終止溫度，此時(shí)混合工質(zhì)干度和氣液相組分摩爾比最佳，符合系統(tǒng)循環(huán)要求；

2）系統(tǒng)中選用套管式換熱器，把內(nèi)管作為高壓側(cè)，夾層作為低壓側(cè)，這樣安排有利于減少混合工質(zhì)的充注量；

3）系統(tǒng)中增加分凝換熱器，可以進(jìn)一步提純低溫組分的純度，使工質(zhì)在節(jié)流前充分預(yù)冷，降低節(jié)流損失而達(dá)到提高熱力學(xué)效率的目的。

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Analysis of Operating Condition about Mixed-refrigerant in Three Stage Auto-cascade Refrigeration System

XIAO Liyuan*1, ZHANG Hua, ZHANG Qingqing
(Institute of Refrigeration and Cryogenic Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The characteristics of non-azeotropic mixed-refrigerant in an auto-cascaded refrigeration cycle (ARC) are analyzed. A refrigeration system with a single stage compressor, two stage dephlegmation and three stage auto-cascaded cycle is designed, and this system can stably work under ?120oC. The characteristics and operation condition of the cycle are also analyzed based on the theoretical model and experiment date of three stage ARC system. Experiments are conducted under a composition ratio of R134a/R23/R14 of 65/20/15. Detailed information about the mixed-refrigerant in the condenser, the evaporative condenser and the dephlegmator are obtained through the model and experimental date. The result shows that the optimum condensing temperature should be achieved in the condenser; the double-tube heat exchanger is able to reduce the charge of mixed-refrigerant; the partial condensation heat exchanger improves the thermodynamic efficiency of the system.

Auto-cascade refrigeration; Mixtures; Thermodynamic calculation

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.01.202

*肖麗媛（1991-），女，在讀碩士研究生。研究方向：制冷與低溫工程。聯(lián)系地址：上海市楊浦區(qū)軍工路516號(hào)能源與動(dòng)力工程動(dòng)力一館，郵編：200093。聯(lián)系電話：15901792836。E-mail：593666515@qq.com。