導(dǎo)語：自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)管理論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：搭建了一種三級(jí)自動(dòng)復(fù)疊的制冷系統(tǒng)的研究裝置，采用R134a/R23/R14混合制冷劑，兩級(jí)分凝的制冷系統(tǒng)。對(duì)試驗(yàn)裝置和混合制冷劑組分進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置達(dá)到-100℃，制冷量達(dá)到38W。

關(guān)鍵詞：混合工質(zhì)自動(dòng)復(fù)疊循環(huán)

0引言

自動(dòng)復(fù)疊循環(huán)制冷機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，操作簡(jiǎn)便，在能源、軍工、空間、生物、醫(yī)療和生命科學(xué)等高科技領(lǐng)域內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者紛紛對(duì)自動(dòng)復(fù)疊制冷技術(shù)展開了新的研究。目前，自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)呈現(xiàn)出新的發(fā)展特點(diǎn)[2-3]，對(duì)其研究主要集中在兩個(gè)方面：一方面是對(duì)原有的制冷循環(huán)流程的改進(jìn)，包括采用新型換熱器和高效氣液分離器；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。

1三級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)

針對(duì)本課題-100℃的制冷溫度，選擇單級(jí)壓縮、兩級(jí)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(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)實(shí)際系統(tǒng)示意圖

A-壓縮機(jī);B-冷凝器;C-干燥過濾器;D-高溫級(jí)氣液分離器;E-高溫級(jí)節(jié)流閥;F-分凝換熱器;G-高溫級(jí)蒸發(fā)冷凝器;

H-中溫級(jí)氣液分離器;I-中溫級(jí)節(jié)流閥;J-分凝換熱器;K-低溫級(jí)蒸發(fā)冷凝器;L-低溫級(jí)節(jié)流閥;M-蒸發(fā)器;N-膨脹容器;P-匯合點(diǎn);Q-匯合點(diǎn);1~30-測(cè)點(diǎn)

膨脹容器的作用在于降低機(jī)組停機(jī)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(huì)導(dǎo)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(jī)啟動(dòng)時(shí)“油擊”的幾率增大。啟動(dòng)壓力過高。分凝換熱器的主要作用兩個(gè)：一是進(jìn)一步提純低溫組分的純度，另一個(gè)是實(shí)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(dòng)復(fù)疊循環(huán)的非共沸混合工質(zhì)在循環(huán)過程中有其獨(dú)特性的一面：自動(dòng)實(shí)現(xiàn)各組分的分凝、分離和混合的過程，這決定了其循環(huán)過程完全不同于用于節(jié)能和環(huán)保目的的一般混合工質(zhì)。

復(fù)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(duì)于復(fù)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(duì)臭氧層有破壞作用的Cl原子，R134a和R23的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)相差55.9℃，R23和R14的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)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ODPGWP標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)℃凝固溫度℃臨界溫度℃臨界壓力MPa等熵指數(shù)

R134aC2H2F4102.0000.2-26.2-101.0101.14.061.11

R23CHF370.01014800-82.1-160.025.94.681.19

R14CF488.010N/A-127.9-184.0-45.53.751.22

3實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建

主要部件的設(shè)計(jì)選型，選用了Danfoss114H5534冷凝機(jī)組，在常規(guī)冷柜箱體的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)制作了內(nèi)膽用于保溫改造，制作了符合實(shí)驗(yàn)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(jì)算是本章的兩大難點(diǎn)，在理論計(jì)算指導(dǎo)與前期兩級(jí)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的基礎(chǔ)上完成了毛細(xì)管和套管式換熱器的選型。制冷循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)期間需要實(shí)時(shí)記錄30路溫度數(shù)據(jù)和2路壓力數(shù)據(jù)，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)這32個(gè)參數(shù)的自動(dòng)記錄、數(shù)據(jù)圖像顯示和數(shù)據(jù)庫保存為目標(biāo)（圖2）。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含電量參數(shù)測(cè)量部分。AN7931A本身內(nèi)置微控制器，可以實(shí)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(jì)算機(jī)的串行口連接。同樣的，基于VisualBasic6.0語言我們?cè)O(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件程序。

圖2溫度壓力采集系統(tǒng)硬件圖

4實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

循環(huán)系統(tǒng)啟動(dòng)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3R134a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(shí)驗(yàn)臺(tái)的性能測(cè)試在30℃環(huán)境溫度下進(jìn)行，系統(tǒng)啟動(dòng)4.5h后，柜溫降至-100℃，制冷量為38W，運(yùn)行COP=0.056。

循環(huán)系統(tǒng)中有兩個(gè)匯合點(diǎn)P和Q，R134a流和低溫混合流在P點(diǎn)匯合成高溫混合流，R23流和R14流在Q點(diǎn)匯合成低溫混合流，其運(yùn)行狀態(tài)如圖5所示。兩股流體匯合時(shí)，如果不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(jī)運(yùn)行約90min內(nèi)，高溫混合流的溫度t24始終低于其兩個(gè)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(gè)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(gè)問題，低溫混合流(t22)匯入R134a流(t23)后，對(duì)其溫度的影響有兩個(gè)方面：一方面由于增大了其焓值，導(dǎo)致溫度有升高的趨勢(shì)，另一方面由于增大了其中低溫組分(R23/R14)的含量，導(dǎo)致溫度有降低的趨勢(shì)；而當(dāng)后者的影響大于前者的影響時(shí)，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(gè)支流的溫度t22、t23。

圖5匯合點(diǎn)P的運(yùn)行溫度變化圖

R14流匯入R23流后對(duì)其溫度的影響經(jīng)歷了不同的過程，在啟動(dòng)后約150min時(shí)間內(nèi)，綜合作用效果表現(xiàn)為溫度升高(t17>t16)；之后的運(yùn)行過程中，綜合作用效果表現(xiàn)為溫度降低(t1716)。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(diǎn)Q的運(yùn)行溫度變化圖

5結(jié)論與討論

自動(dòng)復(fù)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)混合工質(zhì)的分流，通過特殊布置的流程來實(shí)現(xiàn)復(fù)疊循環(huán)。常規(guī)壓縮機(jī)完全勝任驅(qū)動(dòng)自動(dòng)復(fù)疊循環(huán)，其運(yùn)行時(shí)的啟動(dòng)工況、排氣壓力、排氣溫度均在常規(guī)壓縮機(jī)的允許范圍之內(nèi)，運(yùn)行相當(dāng)可靠，這對(duì)自動(dòng)復(fù)疊制冷機(jī)的商業(yè)化生產(chǎn)具有十分重要的意義。

自動(dòng)復(fù)疊循環(huán)本身可以實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的高效回油。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(jí)組分回到壓縮機(jī)，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(dòng)復(fù)疊循環(huán)中的應(yīng)用中有其獨(dú)特性的一面：根據(jù)沸點(diǎn)的高低不同而自動(dòng)實(shí)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(huì)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(jī)完全勝任驅(qū)動(dòng)自動(dòng)復(fù)疊循環(huán)，其運(yùn)行時(shí)的啟動(dòng)工況、排氣壓力、排氣溫度均在常規(guī)壓縮機(jī)的允許范圍之內(nèi)，運(yùn)行相當(dāng)可靠，這對(duì)自動(dòng)復(fù)疊制冷機(jī)的商業(yè)化生產(chǎn)具有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)

1.K1eemenkoAP.Oneflowcascadecycle.Theproceedingoftheinternationalconferenceofrefrigeration,1959，1-a-6：34—39

2.MisssimerDJ.RefrigerantconversionAuto-RefrigerationCascade(ARC)system.IntJRefri，1997，20(3)：201-207

3.ShankarVaidyaraman,m，2002(189):1057-1078

4.吳業(yè)正，韓寶琦．制冷原理及設(shè)備．陜西：西安交通大學(xué)出版社,1997.