三級自動復疊制冷系統(tǒng)
自動復疊循環(huán)制冷機結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，操作簡便，在能源、、空間、生物、醫(yī)療和生命科學等高科技領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應用。國內(nèi)外學者紛紛對自動復疊制冷技術(shù)展開了新的研究。目前，自動復疊制冷循環(huán)呈現(xiàn)出新的發(fā)展特點[2-3]，對其研究主要集中在兩個方面：一方面是對原有的制冷循環(huán)流程的改進，包括采用新型換熱器和氣液分離器；另一方面則是采用新型的制冷工質(zhì)，包括二元工質(zhì)和多元工質(zhì)，以滿足環(huán)保和制取低溫的要求。
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針對本課題-100℃的制冷溫度，選擇單級壓縮、兩級分凝的制冷循環(huán)作為本課題的方案，原理性方案如1所示。
圖1 三級自動復疊制冷循環(huán)實際系統(tǒng)示意圖
A- 壓縮機; B-冷凝器; C-干燥過濾器; D-高溫級氣液分離器; E-高溫級節(jié)流閥; F-分凝換熱器; G-高溫級蒸發(fā)冷凝器;
H-中溫級氣液分離器; I-中溫級節(jié)流閥; J-分凝換熱器; K-低溫級蒸發(fā)冷凝器; L-低溫級節(jié)流閥; M-蒸發(fā)器; N-膨脹容器; P-匯合點; Q-匯合點; 1~30-測點
膨脹容器的作用在于降低機組停機后的平衡壓力。低溫、中溫工質(zhì)(如R14/R23)在常溫下已經(jīng)超過其臨界溫度，全部以氣態(tài)形式存在，這會導致
管道內(nèi)平衡壓力非常高，平衡壓力過高帶來如下后果：制冷管路破裂的可能性增大。壓縮機啟動時“油擊"的幾率增大。啟動壓力過高。分凝換熱器的主要作用兩個：一是進一步提純低溫組分的純度，另一個是實現(xiàn)潤滑油的分離?；旌瞎べ|(zhì)飽和氣體的組分和溫度的高低密切相關(guān)，溫度越低其低溫工質(zhì)組分含量越高。
2 制冷劑的選擇
用于自動復疊循環(huán)的非共沸混合工質(zhì)在循環(huán)過程中有其*性的一面：自動實現(xiàn)各組分的分凝、分離和混合的過程，這決定了其循環(huán)過程*不同于用于節(jié)能和環(huán)保目的的一般混合工質(zhì)。
復疊式制冷循環(huán)的高溫部分使用的制冷劑，一般為R134a、R22、R502，也可使用R1270(丙烯)或R290(丙烷)。低溫部分使用的制冷劑有：R23、R14、R1150(乙烯)和R170(乙烷)。對于復疊式制冷循環(huán)，R23適用的蒸發(fā)溫度范圍是-70～-110℃,R14適用的蒸發(fā)溫度范圍是-110～-140℃。綜合考慮結(jié)合本文課題-100℃的制冷溫度，選擇了三種工質(zhì)：R134a、R23、R14，其主要熱物性質(zhì)如表1所示[4]。這三種工質(zhì)中均不含對臭氧層有破壞作用的Cl原子，R134a和R23的標準沸點相差55.9℃，R23和R14的標準沸點相差45.8℃。
表1 三種工質(zhì)的主要熱物性參數(shù) 工質(zhì) 分子式 分子量 ODP GWP 標準沸點℃ 凝固溫度℃ 臨界溫度℃ 臨界壓力MPa 等熵指數(shù)
R134a C2H2F4 102.00 0 0.2 -26.2 -101.0 101.1 4.06 1.11
R23 CHF3 70.01 0 14800 -82.1 -160.0 25.9 4.68 1.19
R14 CF4 88.01 0 N/A -127.9 -184.0 -45.5 3.75 1.22
3 實驗臺的搭建
主要部件的設(shè)計選型，選用了Danfoss 114H5534冷凝機組，在常規(guī)冷柜箱體的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計制作了內(nèi)膽用于保溫改造，制作了符合實驗條件的低溫箱體。節(jié)流設(shè)備的選擇與匹配和混合工質(zhì)的換熱計算是本章的兩大難點，在理論計算指導與前期兩級系統(tǒng)的經(jīng)驗相結(jié)合的基礎(chǔ)上完成了毛細管和套管式換熱器的選型。制冷循環(huán)運轉(zhuǎn)期間需要實時記錄30路溫度數(shù)據(jù)和2路壓力數(shù)據(jù)，整個測量系統(tǒng)的設(shè)計以實現(xiàn)這32個參數(shù)的自動記錄、數(shù)據(jù)圖像顯示和數(shù)據(jù)庫保存為目標（圖2）。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含電量參數(shù)測量部分。AN7931A本身內(nèi)置微控制器，可以實現(xiàn)與上位PC的基于RS-232協(xié)議的串行通訊。AN7931A儀表通過一根RS-232通訊電纜與主計算機的串行口連接。同樣的，基于Visual Basic6.0語言我們設(shè)計了相應的軟件程序。
圖2 溫度壓力采集系統(tǒng)硬件圖
4 實驗與實驗結(jié)果分析
循環(huán)系統(tǒng)啟動后，R134a流、R23流、R14流的節(jié)流溫度變化如圖3所示和柜內(nèi)溫度如圖4所示。
圖3 R134a流、R23流、R14流的節(jié)流溫度變化
圖4 低溫箱體的降溫曲線
實驗臺的性能測試在30℃環(huán)境溫度下進行，系統(tǒng)啟動4.5h后，柜溫降至-100℃，制冷量為38W，運行COP=0.056。
循環(huán)系統(tǒng)中有兩個匯合點P和Q，R134a流和低溫混合流在P點匯合成高溫混合流，R23流和R14流在Q點匯合成低溫混合流，其運行狀態(tài)如圖5所示。兩股流體匯合時，如果不發(fā)生化學反應，得到的匯合流的溫度介于兩股支流的溫度之間。但是從圖5可以看到，開機運行約90min內(nèi)，高溫混合流的溫度t24始終低于其兩個支流的溫度t22和t23，90min以后，才介于兩者之間。匯合之后混合物流體的溫度決定于兩個因素：焓值和成分，相同條件下，焓值越高，溫度越高；混合物中低溫組分含量越多，溫度越低。通過圖9來說明這個問題，低溫混合流(t22)匯入R134a流(t23)后，對其溫度的影響有兩個方面：一方面由于增大了其焓值，導致溫度有升高的趨勢，另一方面由于增大了其中低溫組分(R23/R14)的含量，導致溫度有降低的趨勢；而當后者的影響大于前者的影響時，綜合作用結(jié)果是降低其溫度。表現(xiàn)在圖上就是高溫混合流的溫度(t24)始終低于R134a流的溫度(t23)，并且在前90min內(nèi)，低于其兩個支流的溫度t22、t23。
圖5 匯合點P的運行溫度變化圖
R14流匯入R23流后對其溫度的影響經(jīng)歷了不同的過程，在啟動后約150min時間內(nèi)，綜合作用效果表現(xiàn)為溫度升高(t17>t16)；之后的運行過程中，綜合作用效果表現(xiàn)為溫度降低(t17<t16)。因此，匯合后得到的低溫混合流的溫度(t17)始終處于兩支流溫度(t15、t16)之間，如圖6所示。
圖6 匯合點Q的運行溫度變化圖
5 結(jié)論與討論
自動復疊循環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)低溫制冷，并不是單純地依靠降低蒸發(fā)壓力，而是利用了非共沸混合工質(zhì)在各組分沸點相差很大的條件下所表現(xiàn)出來的特性，采用相分離器來實現(xiàn)混合工質(zhì)的分流，通過特殊布置的流程來實現(xiàn)復疊循環(huán)。 常規(guī)壓縮機*勝任驅(qū)動自動復疊循環(huán)，其運行時的啟動工況、排氣壓力、排氣溫度均在常規(guī)壓縮機的允許范圍之內(nèi)，運行相當可靠，這對自動復疊制冷機的商業(yè)化生產(chǎn)具有十分重要的意義。
自動復疊循環(huán)本身可以實現(xiàn)壓縮機的回油。合理布置的中間換熱器流程可以保證潤滑油的分離效果，混合工質(zhì)的多次分流可以保證分離出來的潤滑油隨高溫級組分回到壓縮機，避免了可能的在低溫下脫蠟、凝固堵塞系統(tǒng)的問題。
非共沸混合工質(zhì)在自動復疊循環(huán)中的應用中有其*性的一面：根據(jù)沸點的高低不同而自動實現(xiàn)各組分的分流，這種特性就決定了不同的成分組成和配比組成會表現(xiàn)出不同的循環(huán)特性。非共沸混合工質(zhì)的節(jié)流溫度不僅與組成成分、蒸發(fā)溫度有關(guān)，而且與過冷度有關(guān)：相同條件下，節(jié)流前冷凝液的過冷度越大，節(jié)流后混合物的蒸發(fā)溫度越低。
常規(guī)壓縮機*勝任驅(qū)動自動復疊循環(huán)，其運行時的啟動工況、排氣壓力、排氣溫度均在常規(guī)壓縮機的允許范圍之內(nèi)，運行相當可靠，這對自動復疊制冷機的商業(yè)化生產(chǎn)具有十分重要的意義。
