張漢青，張 華，張書春，吳銀龍，邱金友

（上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院 上海 200093）

對非共沸混合工質(zhì)制冷循環(huán)的深入研究推動了單級壓縮節(jié)流制冷機(jī)在深冷領(lǐng)域的應(yīng)用，而自動復(fù)疊制冷循環(huán)（auto-cascade refrigeration cycle，ARC）制冷機(jī)在這類制冷機(jī)中具有明顯優(yōu)勢。ARC系統(tǒng)采用的都是混合工質(zhì)，它可以在-220～-40 ℃的廣闊溫度區(qū)域內(nèi)靈活應(yīng)用。自動復(fù)疊制冷循環(huán)結(jié)構(gòu)簡便、性能可靠的特點(diǎn)使其具有很強(qiáng)的實(shí)用性［1］。

由于ARC系統(tǒng)中工質(zhì)成分復(fù)雜，導(dǎo)致工作中工質(zhì)的運(yùn)行成分不可控性變大。系統(tǒng)中工質(zhì)的充注比例往往不是運(yùn)行比例。同時，在充注氣體時，工質(zhì)在系統(tǒng)中的滯流是必須要考慮的重要因素，這種特性是非共沸工質(zhì)自身特性和循環(huán)硬件回路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)綜合作用的結(jié)果。國內(nèi)有學(xué)者對混合工質(zhì)組元的選擇、配比的優(yōu)化、熱物性計算及預(yù)測、工作壓力的優(yōu)化等做了大量的研究［2-4］，為后續(xù)研究打下了良好的基礎(chǔ)。一些研究者以相分離器中兩處氣體成分分析采樣點(diǎn)為例分析了多級自動復(fù)疊制冷系統(tǒng)在非共沸混合工質(zhì)運(yùn)行過程中由于相分離、積液和工質(zhì)積存等原因引起的混合工質(zhì)組分發(fā)生變化的問題［5-7］。

本文基于五級自動復(fù)疊系統(tǒng)，對其運(yùn)行成分進(jìn)行采樣、測試和分析，并將系統(tǒng)的運(yùn)行工況、各溫度測點(diǎn)以及壓力測點(diǎn)等采集到的數(shù)據(jù)與氣象色譜儀分析得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，全面了解循環(huán)過程中的狀態(tài)，為混合工質(zhì)的運(yùn)行成分分析提供指導(dǎo)與建議。

1 實(shí)驗原理及裝置

本文對五級自動復(fù)疊制冷循環(huán)展開研究。選擇的是1HP的常規(guī)制冷壓縮機(jī)，所設(shè)計的制冷循環(huán)如圖1所示。對該系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，并對其部分系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計，增設(shè)了一個真空筒，對低溫部分采用真空筒并進(jìn)行保溫處理，同時更進(jìn)一步優(yōu)化了設(shè)計，精簡了結(jié)構(gòu)。本文針對系統(tǒng)中氣體運(yùn)行成分以及制冷劑充注配比進(jìn)行研究。

本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的區(qū)別在于其壓縮機(jī)吸入口與最后一級氣液分離器之間增加了一個膨脹容器和緩沖器，增加的這一回路由電磁閥控制。由于系統(tǒng)開機(jī)時溫度還未達(dá)到要求，中低溫工質(zhì)仍以氣態(tài)存在，導(dǎo)致吸入氣體的壓力過高，此時，電磁閥會打開，以便迅速降低吸入口壓力，從而保證壓縮機(jī)的正常工作。而膨脹容器和緩沖器會降低電磁閥通斷時對系統(tǒng)的沖擊，保證系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行［8］。膨脹容器的主要作用在于降低機(jī)組停機(jī)后的平衡壓力，從而保護(hù)系統(tǒng)。

圖1 五級自動復(fù)疊制冷循環(huán)系統(tǒng)Fig.1 Five-stage automatic cascade refrigeration cycle system

根據(jù)實(shí)驗要求選擇合適的制冷劑，分別為R600a、R23、R14、R740、R728。各制冷劑相關(guān)物性參數(shù)如表1所示，表中：ODP為臭氧衰減指數(shù)，表示對臭氧層的危害程度；GWP為溫室指數(shù)，表示對造成溫室效應(yīng)危害程度。通過氣液相平衡圖計算出制冷劑的初步配比，再經(jīng)過多次的驗算和對比［9］，最終選定混合制冷劑R600a、R23、R14、R740、R728初始充注質(zhì)量比為45∶25∶20∶5∶5。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析對系統(tǒng)中的制冷劑配比進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整。然后再進(jìn)行氣體分析，重新改變比例，最終獲得的系統(tǒng)穩(wěn)定工況為：充注氣體壓力為 1.2 MPa；排氣壓力為 1.9 MPa；壓縮比為9；最終蒸發(fā)器進(jìn)口溫度為-126 ℃；開機(jī)后系統(tǒng)需要7.3 h達(dá)到穩(wěn)定。系統(tǒng)中最終混合工質(zhì)R600a、R23、R14、R740、R728 的充注質(zhì)量比為 50∶21.8∶24.7∶2.5∶1，工質(zhì)總質(zhì)量為 465 g。

表1 所選工質(zhì)的主要物性參數(shù)Tab.1 Main physical parameters of the selected working fluids

2 氣體運(yùn)行組分的確定與分析

2.1 氣體標(biāo)況圖譜的確定

為了對氣體組分進(jìn)行更直觀的分析，采用GC112A 氣相色譜儀［10-11］與 N（VI）2000 色譜數(shù)據(jù)工作站聯(lián)合分析氣體組分。由于設(shè)備精度原因未能檢測出R23氣體，因此主要對系統(tǒng)中的工質(zhì)R600a、R14、R740、R728進(jìn)行分析。

氣相色譜儀圖譜的清晰度與準(zhǔn)確度對實(shí)驗過程有很大的影響，且均依靠其出峰的時間和出峰的穩(wěn)定程度來保證。所以實(shí)驗必須將圖譜調(diào)整到合適的狀態(tài)。在樣品氣體R600a、R14、R740、R728 質(zhì)量比為 32∶15.5∶20.5∶32 時進(jìn)行實(shí)驗，通過控制變量法依次控制載氣流量，再利用恒定電流法，通過對比譜圖中氣體峰值的先后順序來確定工質(zhì)的成分和比例［12］。圖2為樣品氣體標(biāo)況下的圖譜。表2為樣品氣體的分析結(jié)果。當(dāng)選取圖2和表2的實(shí)驗方案為氣體圖譜的標(biāo)況時，得到的結(jié)果最貼近樣品氣體的比例，而且峰值時間也合適。進(jìn)行氣體采樣時，需注意：①系統(tǒng)必須處于運(yùn)行狀態(tài)且達(dá)到穩(wěn)定；②必須控制好時間差，因為一旦對某個測點(diǎn)采樣后，系統(tǒng)的穩(wěn)定性就會遭到破壞，所以必須快速采樣；③采樣時要注意樣品的量，不能太少，否則檢測不出。

圖2 樣品氣體標(biāo)況下的圖譜Fig.2 Sample gas spectrum under the standard condition

表2 樣品氣體的分析結(jié)果Tab.2 Analysis results of the sample gas

2.2 氣體運(yùn)行組分分析

將本實(shí)驗中系統(tǒng)穩(wěn)定工況下采集到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，在G1～G5穩(wěn)定工況下溫度分 別 為 -20、-40、-76、-105、-126 ℃ 時 對K1～K6運(yùn)行成分進(jìn)行采樣分析。

2.2.1 測試點(diǎn) K1 工質(zhì)組分分析

氣體樣品測試點(diǎn)K1測試的是壓縮機(jī)吸入口中工質(zhì)的組分，圖3和表3分別為K1對應(yīng)的氣體圖譜和分析結(jié)果。從表3中可以看出，吸入口有三種工質(zhì)，經(jīng)過對比，按照出現(xiàn)的時間順序各波峰對應(yīng)的工質(zhì)分別為R14、R740和R600a，混合工質(zhì)R600a、R14、R740的質(zhì)量比約為 38∶20∶42。經(jīng)分析，吸入口應(yīng)有R23和R728，但是R23和R728未被檢出。分析其原因有：①開機(jī)時系統(tǒng)由于壓力過高保護(hù)后，氣體進(jìn)入膨脹容器后大量滯留在其內(nèi)，使R23和R728無法進(jìn)行正常循環(huán)；②R23和R728在系統(tǒng)中的量太少，沒有參與循環(huán)；③在采樣時未采集到R23和R728前就關(guān)閉了采樣閥。另外，從表3中可以看到，只有少量R600a和R14進(jìn)入回氣管路，其原因是由于系統(tǒng)中R600a和R14大部分都以液體存在，參與循環(huán)的量很少，而系統(tǒng)中大部分R740是不凝性氣體，所以氣體比例會與充注時的相差很大。

圖3 壓縮機(jī)吸入口氣體圖譜Fig.3 Gas spectrum of the compressor suction port

2.2.2 測試點(diǎn) K2 工質(zhì)組分分析

氣體樣品測試點(diǎn)K2測試的是氣液分離器D1中工質(zhì)的組分。圖4和表4分別為K2對應(yīng)的氣體圖譜和分析結(jié)果。圖4中有三個波峰，可以確定檢測出三種工質(zhì)。對照波峰出現(xiàn)的時間順序可以看出，對應(yīng)的三種物質(zhì)分別為R14、R740和R600a，混合工質(zhì)R600a、R14、R740的質(zhì)量比為6∶31∶63。理論上，經(jīng)過第一級氣液分離器后，樣品中僅有少量R600a，這與所測結(jié)果相差不大。而這三種物質(zhì)中，R14和R740的質(zhì)量比為1∶2，這與充注配比相差較大，同時可以看到，與吸氣口相比，R14和R740比例相差不大。在該測試點(diǎn)，氣體中仍有R23存在，但是儀器未能檢出。

表3 壓縮機(jī)吸入口氣體的分析結(jié)果Tab.3 Gas analysis results of the compressor suction port

圖4 氣液分離器 D1 氣體圖譜Fig.4 Gas spectrum of the gas-liquid separator D1

表4 氣液分離器 D1 氣體的分析結(jié)果Tab.4 Gas analysis results of the gas-liquid separator D1

2.2.3 測試點(diǎn) K3 工質(zhì)組分分析

氣體樣品測試點(diǎn)K3測試的是氣液分離器D2中工質(zhì)的組分。圖5和表5分別為K3對應(yīng)的氣體圖譜和分析結(jié)果。圖5中只有兩個波峰，經(jīng)過對比，可以得到按照出現(xiàn)的時間順序兩個波峰對應(yīng)的工質(zhì)分別為R14和R740。結(jié)果顯示，混合工質(zhì)中R14、R740的質(zhì)量比為42∶58。首先，第二級分離器內(nèi)不存在氣態(tài)制冷劑R600a，都變成了液體。而R14和R740這兩種制冷劑的質(zhì)量比與上級氣液分離器D1的質(zhì)量比變化不大，約為1∶1.5，R14的含量有所上升?？梢钥吹?，第二級中間換熱器運(yùn)行方向出口溫度為-25 ℃，R14和R740不可能發(fā)生冷凝。這種變化是由氣體在系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生了滯留或工質(zhì)流動的不均勻造成的。

圖5 氣液分離器 D2 氣體圖譜Fig.5 Gas spectrum of the gas-liquid separator D2

表5 氣液分離器 D2 氣體的分析結(jié)果Tab.5 Gas analysis results of the gas-liquid separator D2

2.2.4 測試點(diǎn) K4 工質(zhì)組分分析

氣體樣品測試點(diǎn)K4測試的是氣液分離器D3中工質(zhì)的組分，圖6和表6分別為K4對應(yīng)的氣體圖譜和分析結(jié)果。圖6中只有兩個波峰，經(jīng)過對比，可以得到按照出現(xiàn)的時間順序的兩個波峰對應(yīng)的工質(zhì)是R14和R740，結(jié)果顯示混合工質(zhì)R14、R740質(zhì)量比為48∶52。注意到此級并沒有R600a，且R14的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。分析原因為：①R14在該級的滯留量相對較大，該級存在大量的R14氣體；②對樣品進(jìn)行采集時，流動工質(zhì)具有不穩(wěn)定性，使得結(jié)果偏差變大，導(dǎo)致R14檢測值變大。

圖6 氣液分離器 D3 氣體圖譜Fig.6 Gas spectrum of the gas-liquid separator D3

表6 氣液分離器 D3 氣體的分析結(jié)果Tab.6 Gas analysis results of the gas-liquid separator D3

2.2.5 測試點(diǎn) K5 工質(zhì)組分分析

氣體樣品測試點(diǎn)K5測試的是氣液分離器D4中工質(zhì)的組分。圖7和表7分別為K5對應(yīng)的氣體圖譜和分析結(jié)果。圖7中只有兩個波峰，經(jīng)過對比，可以得到按照出現(xiàn)的時間順序兩個波峰對應(yīng)的工質(zhì)分別為R14和R740。結(jié)果顯示，混合工質(zhì)中R14、R740質(zhì)量比為36∶64，接近初始的循環(huán)比例。當(dāng)不考慮上一級測試結(jié)果時，發(fā)現(xiàn)R14的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加。第四級中間換熱器出口溫度為-96 ℃，在該溫度下有少部分R14發(fā)生冷凝液化，而在系統(tǒng)中其質(zhì)量分?jǐn)?shù)在變大，說明工質(zhì)R14在流動過程中有部分滯留。R740在該級的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大幅降低有兩個原因：①R740在前幾級一直是以不凝性氣體存在，流動時有極大的不穩(wěn)定性，同時在系統(tǒng)中的滯留量較大，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)一直在波動；②工質(zhì)R740在該級已部分發(fā)生液化并參與循環(huán)。同時，未發(fā)現(xiàn)R728原因是：①其質(zhì)量分?jǐn)?shù)太少，未能參與到循環(huán)中；②由于流動時的不均勻性，采樣時未能采集到R728。

圖7 氣液分離器 D4 氣體圖譜Fig.7 Gas spectrum of the gas-liquid separator D4

表7 氣液分離器 D4 氣體的分析結(jié)果Tab.7 Gas analysis results of the gas-liquid separator D4

2.2.6 測試點(diǎn) K6 工質(zhì)組分分析

氣體樣品測試點(diǎn)K6測試的是第五級毛細(xì)管G5節(jié)流后的工質(zhì)的組分。圖8和表8分別為K6對應(yīng)的氣體圖譜和分析結(jié)果。從圖8中可以看出，第五級的測試結(jié)果與第四級測試結(jié)果相差不大，按照出現(xiàn)的時間順序兩個波峰對應(yīng)工質(zhì)分別為R14和R740。結(jié)果顯示，混合工質(zhì)中R14、R740的質(zhì)量比為22∶78。理論上該級在節(jié)流后主要工質(zhì)應(yīng)為R728，但是根據(jù)節(jié)流后溫度-126 ℃判斷，工質(zhì)不可能為R728。而第六級中間換熱器F6的出口溫度為-110 ℃，結(jié)合R14和R740的氣液相平衡圖分析，因為工質(zhì)存在形式為氣液兩相，所以R14氣體的比例減少較多，流入第五級毛細(xì)管的工質(zhì)為氣液兩相；同時可看到在該循環(huán)中最終是由R14、R740組成的混合物代替了R728進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)。

3 結(jié) 論

圖8 毛細(xì)管 G5 節(jié)流后氣體圖譜Fig.8 Gas spectrum after throttling of the capillary G5

表8 毛細(xì)管 G5 節(jié)流后氣體分析結(jié)果Tab.8 Gas analysis results after throttling of the capillary G5

本文搭建了一套五級自動復(fù)疊制冷循環(huán)系統(tǒng)，經(jīng)過調(diào)試得到了-126 ℃的低溫環(huán)境。本實(shí)驗僅初步運(yùn)用氣相色譜儀以及其工作站對五級自動復(fù)疊系統(tǒng)中的制冷劑進(jìn)行了研究。由于實(shí)驗中并未測出R23、R728這兩種工質(zhì)，所以得到的實(shí)驗結(jié)果還不夠完善，但對于進(jìn)一步的研究還是有一定的指導(dǎo)意義。本文主要結(jié)論為：

（1）自動復(fù)疊制冷循環(huán)中制冷劑的配比影響很大。運(yùn)行過程中，充入R14能有效地降低系統(tǒng)溫度，但會增加系統(tǒng)壓力。系統(tǒng)充注的低溫制冷劑越多，不凝性氣體越多，系統(tǒng)穩(wěn)定性就越差。

（2）ARC系統(tǒng)中工質(zhì)運(yùn)行狀況較復(fù)雜，存在制冷劑滯留和流動不均勻等情況，所以制冷劑在制冷循環(huán)中的循環(huán)量與充注量不相等，而且這些狀況也造成了氣體采樣的不準(zhǔn)確性，可能會使分析結(jié)果偏離原來的方向。

（3）ARC系統(tǒng)中制冷劑的實(shí)際充注量與計算結(jié)果相差較大。在確定制冷劑配比的過程中不可控制因素很多，各個制冷劑工質(zhì)之間相互制約。要想獲得更低的溫度，充入某種工質(zhì)會影響所有工質(zhì)的運(yùn)行狀況，系統(tǒng)各級溫度都會發(fā)生變化，須注意補(bǔ)充適量其他制冷劑。