徐琳嬌，張 華，肖麗媛，王國棟

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

自復疊制冷系統(tǒng)是采用一臺壓縮機，工質(zhì)采用兩種及以上的非共沸制冷工質(zhì)的制冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以用于制取?40 ℃至?160 ℃的低溫［1-2］。傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)在制取低溫時面臨壓縮機壓比過大，潤滑油在低溫區(qū)凝固等一系列問題，因此自復疊系統(tǒng)在低溫區(qū)的應用具有廣泛的前景。目前對自復疊制冷系統(tǒng)的研究主要集中在：①對原有流程的改進，如采用新型換熱器；② 采用新型的制冷工質(zhì)，如采用多元工質(zhì)，自然工質(zhì)替代等［3］。為了達到?150 ℃的柜溫，本文采用一種四級自復疊制冷系統(tǒng)，將由R600a、R134a、R23、R14、R50 和R740 等6 種工質(zhì)組成的非共沸混合制冷劑，并分析低溫箱體的降溫特性、壓縮機的運行特性和混合工質(zhì)的節(jié)流特性。

1 四級自復疊制冷系統(tǒng)

圖1 為設(shè)有一個回熱器和四個逆流換熱器的單級壓縮四級自復疊制冷系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)理想工作流程為：混合工質(zhì)經(jīng)壓縮機A 壓縮為高溫高壓氣體，經(jīng)過油分離器B 后進入冷凝器C 冷凝，其中高沸點工質(zhì)大部分被冷凝為液體，中、低沸點工質(zhì)混合物仍為氣體，氣液混合物進入第一級換熱器E1（也為回熱器）與從蒸發(fā)器內(nèi)出來的低溫工質(zhì)和每級回氣的混合工質(zhì)氣體進行換熱并被進一步冷卻，然后進入氣液分離器F1，在重力的作用下氣液分離，中、低沸點氣態(tài)混合物經(jīng)F1的頂部進入下一級換熱器E2，高溫液態(tài)工質(zhì)自F1的底部經(jīng)過毛細管G1節(jié)流降壓降溫后也進入E2與中、低沸點氣態(tài)混合物進行換熱。在E2中，高溫液態(tài)工質(zhì)吸熱汽化，并經(jīng)E2回流到吸氣管路中與從蒸發(fā)器內(nèi)出來的低溫工質(zhì)匯合后一起經(jīng)E1進入壓縮機，而中、低沸點氣態(tài)混合物中的中沸點工質(zhì)大部分被冷凝為液體，低沸點工質(zhì)仍保持氣態(tài)。氣液混合物繼續(xù)進入下一級氣液分離器F2。之后，制冷劑混合物在E3、F3、E4、F4經(jīng)過與上述類似的換熱和高、低沸點制冷劑分離，最終液態(tài)最低沸點制冷劑經(jīng)G4節(jié)流降溫降壓后進入蒸發(fā)器I 蒸發(fā)制冷。蒸發(fā)后的氣態(tài)最低沸點制冷劑經(jīng)E5回到吸氣管路，完成整個循環(huán)。

圖1 四級自復疊制冷系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of four-stage auto-cascade refrigeration system

圖1 顯示在自復疊制冷系統(tǒng)中設(shè)置了回熱器及逆流換熱器，這使得循環(huán)中的熱交換更加充分，并保證了壓縮機吸入蒸汽的過熱度，提高了系統(tǒng)循環(huán)性能和安全性。該系統(tǒng)中每級中間換熱器的回氣均通過一根管路回到壓縮機，減小了沿程阻力，也使得每級回氣口的壓力相同，降低了壓縮機的排氣溫度和吸氣溫度。

2 混合工質(zhì)選取

混合工質(zhì)的選取主要需要滿足以下條件：①各組分標準沸點的差距需較大，高、低沸點制冷劑沸點間距的適宜范圍是40～80 ℃；② 混合工質(zhì)應具有一定的溫度滑移區(qū)間；③各組分應相溶且不發(fā)生化學反應；④ 所選工質(zhì)符合環(huán)保要求［4-7］。

表1 為通過REFPROP 8.0 生成的本文所采用的6 種工質(zhì)的主要熱物性參數(shù)，其中：ODP為臭氧消耗潛能；GWP 為全球變暖潛能。圖2為6 種工質(zhì)的飽和蒸氣壓力和溫度的關(guān)系。

圖2 飽和蒸氣壓力和溫度的關(guān)系Fig.2 Relationship between pressure and temperature of saturated vapor

表1 工質(zhì)主要熱物性參數(shù)Tab.1 Thermal properties of the working fluids

本文綜合考慮各種工質(zhì)的物性參數(shù)，并結(jié)合?150 ℃的低溫，選擇了R600a、R134a、R23、R14、R50 和R740 等6 種工質(zhì)作為制冷工質(zhì)。根據(jù)前期的實驗經(jīng)驗數(shù)據(jù)，初步擬定混合工質(zhì)質(zhì)量比為30∶25∶17∶15∶5∶8，吸氣壓力為0.16 MPa，排氣壓力為1.4 MPa，環(huán)境溫度為30 ℃，蒸發(fā)溫度為?150 ℃，系統(tǒng)制冷量為30 W。

3 實驗系統(tǒng)的搭建

實驗裝置原理圖如圖1 所示。壓縮機選用法國泰康FH2511Z 全封閉活塞式壓縮機，其功率為2 106 W。本系統(tǒng)選用風冷式冷凝器，采用浙江高翔公司生產(chǎn)的FNH?2.9/8 冷凝器，冷凝面積為8 m2，可滿足要求。

中間換熱器E1～E5選用螺旋盤管式換熱器，采用理論計算與實際經(jīng)驗估算相結(jié)合的方法，采用10 mm 直徑粗管和6 mm 直徑細管盤繞制得五級中間換熱器。

蒸發(fā)器采用螺旋盤管式蒸發(fā)器，與中間換熱器一同設(shè)置在一個大體積的低溫箱體中，箱內(nèi)分為兩個空間，一側(cè)放置蒸發(fā)器，并用分子泵對箱體內(nèi)進行真空處理，以減少與環(huán)境之間的換熱，另一側(cè)放置中間換熱器，并用聚氨酯發(fā)泡保溫。

節(jié)流裝置采用毛細管，這是由于在多級自復疊制冷系統(tǒng)中制冷劑的流量均較小，并且靠后的幾級工作溫度均較低，這就限制了熱力膨脹閥和電子膨脹閥的應用。選定內(nèi)徑為0.6 mm 的毛細管，通過計算獲得各段毛細管的尺寸，結(jié)果如表2 所示。

表2 毛細管的尺寸參數(shù)Tab.2 Size of the capillaries

4 實驗數(shù)據(jù)分析

實驗在環(huán)境溫度32 ℃的條件下進行，以下數(shù)據(jù)實時記錄了實驗臺從開機到穩(wěn)定運行過程中系統(tǒng)參數(shù)的變化。下面對這些結(jié)果進行分析與討論。

4.1 系統(tǒng)降溫特性

圖3 為蒸發(fā)器內(nèi)中心位置的空氣溫度（本文稱之為柜內(nèi)溫度）與蒸發(fā)器入口制冷劑溫度隨時間變化曲線。由圖可知，開機后，蒸發(fā)器入口制冷劑溫度先迅速下降，在約80 min 時開始緩慢下降。柜內(nèi)溫度變化規(guī)律與蒸發(fā)器入口制冷劑溫度變化趨勢基本一致，由于蒸發(fā)盤管與柜內(nèi)空氣之間存在傳熱熱阻，所以降溫比蒸發(fā)器入口制冷劑溫度延遲。在開機500 min 后，柜內(nèi)溫度降至?153 ℃左右并保持穩(wěn)定，與蒸發(fā)器入口制冷劑溫度保持9 ℃左右的溫差。

圖3 蒸發(fā)器降溫曲線Fig.3 Cooling curves of the evaporator

4.2 壓縮機的運行特性

圖4 為壓縮機吸、排氣壓力變化。開機后，吸氣壓力迅速下降至0.16 MPa 并基本穩(wěn)定；排氣壓力迅速升高至2.0 MPa，100 min 后逐漸穩(wěn)定在1.5 MPa，之后又隨環(huán)境溫度變化波動，6 h 后穩(wěn)定在1.4 MPa。最終吸氣壓力穩(wěn)定在0.16 MPa，排氣壓力穩(wěn)定在1.4 MPa。分析原因是：壓縮機啟動瞬間，壓縮機吸氣溫度較高，接近環(huán)境溫度，使系統(tǒng)排氣壓力較高，觸發(fā)旁通調(diào)節(jié)。隨后吸氣溫度和吸氣壓力均下降，排氣壓力隨之下降。

圖4 壓縮機吸、排氣壓力變化Fig.4 Suction and exhaust pressure of the compressor

圖5 為壓縮機吸、排氣溫度變化。由圖可以看出，吸、排氣溫度在開機后變化幅度均較大，并在運行約400 min 后開始進入穩(wěn)定階段。循環(huán)平衡后，吸氣溫度穩(wěn)定在22 ℃左右，排氣溫度穩(wěn)定在100 ℃左右。與推薦值相比，壓縮機排氣溫度仍較高。造成排氣溫度高的原因主要有：①壓比仍然較大；② R23/R14 工質(zhì)在常溫下的絕熱壓縮指數(shù)較大；③系統(tǒng)中的低溫制冷劑R740 可能沒有液化或者只有少部分液化，從而導致系統(tǒng)的排氣壓力升高。

圖5 壓縮機吸、排氣溫度變化Fig.5 Suction and exhaust temperature of the compressor

4.3 各級毛細管節(jié)流降溫特性及節(jié)流前、后溫度變化

圖6 為系統(tǒng)各級毛細管節(jié)流降溫特性。從圖可以看出，各級毛細管G1～G4節(jié)流后溫度均先迅速下降再緩慢下降，最后穩(wěn)定。毛細管G1出口溫度隨著高溫級制冷劑R600a、R134a 的充注首先迅速降低，最先到達穩(wěn)定溫度?63 ℃，緊接著毛細管G2、G3的出口溫度也分別到達穩(wěn)定溫度?82 ℃和?111 ℃，毛細管G4最后到達穩(wěn)定溫度?160 ℃。自復疊制冷系統(tǒng)工作原理是前一級液體節(jié)流蒸發(fā)冷凝后一級氣體，因此前一級工質(zhì)達到穩(wěn)定工作狀態(tài)是后一級工質(zhì)達到穩(wěn)定工作狀態(tài)的前提和基礎(chǔ)。顯然，各級毛細管節(jié)流后穩(wěn)定變化符合這一規(guī)律。最后一級毛細管節(jié)流溫度達到?160 ℃，為柜內(nèi)溫度順利降至?150 ℃奠定了基礎(chǔ)。

圖6 各級毛細管節(jié)流降溫特性Fig.6 Cooling characteristics of the capillary throttling at different stages

圖7 為第一、二、三級毛細管G1、G2、G3節(jié)流前、后溫度變化。壓縮機啟動后，制冷工質(zhì)的流量逐漸增大，毛細管G1、G2、G3的節(jié)流降溫效果也逐漸明顯。系統(tǒng)運行前30 min內(nèi)，毛細管G1、G2、G3的進、出口溫度均迅速降低，500 min 后基本達到穩(wěn)定。系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，毛細管G1的進口溫度穩(wěn)定在?51 ℃，出口溫度穩(wěn)定在?63 ℃，實際降溫僅12 ℃。這是由于第一級換熱器E1內(nèi)存在回熱利用。毛細管G2進口溫度穩(wěn)定在?61 ℃，出口溫度穩(wěn)定在?82 ℃，實際降溫達21 ℃，符合預期降溫要求。這說明毛細管G2的設(shè)計長度符合要求。毛細管G3進口溫度穩(wěn)定在?81 ℃，出口溫度穩(wěn)定在?111 ℃，實際降溫達30 ℃，同樣符合預期降溫要求。這說明毛細管G3的設(shè)計長度和通過G3的液相混合制冷工質(zhì)流量均符合要求。

圖7 毛細管G1、G2、G3 節(jié)流前、后溫度變化Fig.7 Temperature variation before and after capillary throttling of G1，G2，and G3

當系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，混合制冷工質(zhì)在毛細管G1、G2和G3的進口均處于飽和液體狀態(tài)。隨著其在毛細管道內(nèi)降壓降溫過程的進行，液相混合工質(zhì)不斷汽化。由于管道摩擦阻力損失使混合工質(zhì)的壓力逐漸減小，混合工質(zhì)中的液相工質(zhì)不斷被汽化，氣相混合工質(zhì)逐漸增多，液相混合工質(zhì)逐漸減小。由于氣相工質(zhì)的比容大于液相工質(zhì)的比容，混合工質(zhì)在毛細管內(nèi)的流速不斷增大，在毛細管的出口形成噴射狀流動。系統(tǒng)啟動初期，液相工質(zhì)較少，毛細管進口為氣液混合物，無法形成液封，毛細管出口為氣相工質(zhì)；隨著液體工質(zhì)流量逐漸增多，毛細管出口逐漸成為氣液混合物，且液相混合工質(zhì)量流量逐漸增大，直到系統(tǒng)穩(wěn)定后不再變化。

圖8 為毛細管G4節(jié)流前、后溫度變化。由圖中可見，開機后，毛細管G4的進、出口溫度迅速降低，最終穩(wěn)定時的進口溫度為?145 ℃，出口溫度為?160 ℃，降溫15 ℃，未達到預期降溫要求。這說明毛細管G4的設(shè)計長度太短，需要增加其長度，其原因是通過毛細管G4的液相混合制冷工質(zhì)流量偏少，即氣液分離器F3分離出的液相混合制冷工質(zhì)流量偏少。

圖8 毛細管G4 節(jié)流前、后溫度變化Fig.8 Temperature variation before and after the fourth stage capillary throttling

5 結(jié) 論

（1）四級自復疊制冷系統(tǒng)由于其工質(zhì)種類多、系統(tǒng)部件多等原因，在設(shè)計搭建實驗時，各部件的設(shè)計、選型和布置方式都要盡可能做到科學、合理，以確保壓縮機的順利回油和保證壓縮機吸入蒸汽的過熱度，提高冷量利用率，避免在低溫下出現(xiàn)液擊、結(jié)冰堵塞壓縮機的現(xiàn)象，盡量提高系統(tǒng)循環(huán)性能和安全性。

（2）自復疊制冷系統(tǒng)隨著制冷劑種類增加，排氣壓力和排氣溫度均增至非常高，且制冷劑充注量有限，這嚴重限制了自復疊制冷系統(tǒng)的安全運行和能效。

（3）通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，壓縮機的吸、排氣壓力和吸、排氣溫度關(guān)乎系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定的運行，每級毛細管的長度關(guān)乎系統(tǒng)的降溫特性。