一種五級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)的初步試驗(yàn)研究

(上海理工大學(xué)制冷技術(shù)研究所 上海 200093)

自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)采用非共沸混合工質(zhì)，通過(guò)單臺(tái)壓縮機(jī)可以制取-60℃以下的低溫，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高可靠性、長(zhǎng)壽命等一系列的優(yōu)勢(shì)，并廣泛應(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[1,2]。一般-40～-80℃采用雙級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)； -80～-120℃采用三級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)；-100～-160℃采用四級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)[3]。而制取的溫度越低，系統(tǒng)運(yùn)行的壓力越高，對(duì)工質(zhì)選擇要求也越高，不僅要考慮其蒸發(fā)溫度、凝固點(diǎn)溫度、化學(xué)穩(wěn)定性、毒性等，而且要考慮到系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；本文針對(duì)為了獲得液氮溫區(qū)的制冷溫度，選擇單級(jí)壓縮、四級(jí)分凝、五級(jí)復(fù)疊制冷循環(huán)作為本課題的方案，如圖1所示，在進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)研究前的首要問(wèn)題就是確定混合工質(zhì)的組分與配比的計(jì)算。

1 混合工質(zhì)組分的選擇與配比的初步模擬計(jì)算

目前，有關(guān)ARC循環(huán)的混和工質(zhì)的理論方面仍處于探索階段，其組分選擇和最佳配比大多依靠試驗(yàn)來(lái)確定，操作成本較高。根據(jù)前期的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合ARC循環(huán)的特點(diǎn)，嘗試適合本課題制冷溫區(qū)的混和工質(zhì)的確定方法。

1.1 混合工質(zhì)組分的選擇

用于ARC循環(huán)的非共沸混合工質(zhì)在循環(huán)過(guò)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(guò)程。

在選取制冷工質(zhì)要結(jié)合其特點(diǎn)進(jìn)行選擇的同時(shí)考慮到碳?xì)浠衔锏目扇夹砸约斑\(yùn)行壓力高等因素，結(jié)合液氮溫區(qū)的制冷溫度，選擇了符合上述要求的六種工質(zhì):R134a、R22、R23、R14、R740、R728，其中不含有碳?xì)浠衔镆约氨唤玫姆褐评鋭饕獰嵛镄再|(zhì)通過(guò)NIST模擬以及coolpack軟件查得如表1所示。

適用于系統(tǒng)的混合工質(zhì)存在兩種組合:R134a/R23/R14/R740/R728，R22/R23/R14/R740/R728。這兩種配比區(qū)別在于高沸點(diǎn)工質(zhì)分別選用的是R134a和R22。我們通過(guò)NIST軟件，我們可以擬出兩種組合R134a/R23，R22/R23，分別以三種配比3:7、1:1、7:3混合，在不同的壓力條件下，所能達(dá)到的最低蒸發(fā)溫度，如下圖2、3。

圖1 實(shí)驗(yàn)循環(huán)系統(tǒng)圖Fig.1 The cycle system of experimentation

表1 實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的主要熱物性參數(shù)Tab.1 The main thermal physical parameters of the refrigerants in the experiment

圖2 三種配比，R134a-R23不同壓力條件下的最低蒸發(fā)溫度Fig.2 Variation of the lowest evaporation temperature with pressure of R134a-R23 in three different ratio

圖3 三種配比，R22-R23不同壓力條件下的最低蒸發(fā)溫度Fig.3 Variation of the lowest evaporation temperature with pressure of R22-R23 in three different ratio

將圖5與圖6進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn):在某一壓力下，組合R22-R23相對(duì)與組合R134a-R23所獲的最低蒸發(fā)溫度更低；若從獲得最低蒸發(fā)溫度方面著想，則R22/R23/R14/R740/R728更有利但若考慮到高壓側(cè)的飽和蒸汽壓力，系統(tǒng)循環(huán)所采用的混合工質(zhì)組合R134a/R23/R14/R740/R728比較合理。因此選擇混合工質(zhì)的組分時(shí)，不僅僅考慮到各組分的物理、化學(xué)性質(zhì)，沸點(diǎn)相差，熱物性等方面的問(wèn)題，還要綜合考慮混合后的飽和蒸汽壓力和最低蒸發(fā)溫度的問(wèn)題。綜上，選擇組合R22/R23/R14/R740/R728。

1.2 混合工質(zhì)配比的初步擬定

通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)參考[4-12]以及NIST8.0可繪制出混合工質(zhì)的T-X圖，來(lái)指導(dǎo)我們預(yù)測(cè)混合工質(zhì)配比。

圖4 R740-R728汽液相平衡圖Fig.4 The vapor-liquid phase equilibrium of R740-R728

根據(jù)設(shè)計(jì)達(dá)到的溫度要求，預(yù)測(cè)汽液分離器D4的溫度為-143℃。如圖4 R740-R728在高壓2.2MPa和低壓0.35MPa下的汽液相平衡圖，2.2MPa下氣液相飽和線與-143℃等溫線相交與A，B兩點(diǎn)，A點(diǎn)的質(zhì)量濃度為46.2%，B點(diǎn)的質(zhì)量濃度為54.5%，顯然R740/R728的合理質(zhì)量比是在兩者之間。同時(shí)考慮到在0.35MPa的條件下達(dá)到液氮溫區(qū)的低溫(設(shè)定所需要的最低溫度為-180℃，圖中-180℃等溫線與0.35MPa等飽和液相線相交，得到交點(diǎn)C，對(duì)應(yīng)的濃度為51.8%，此濃度在合理質(zhì)量比之間，結(jié)合實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)暫且設(shè)定配比為1:1，綜合擬定出配比R22/R23/R14/R740/R728=40/20/20/10/10。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)中，采用的壓縮機(jī)為泰康TFH2480Z-T低溫壓縮機(jī)，能適應(yīng)高溫高壓縮比等惡劣環(huán)境，為試驗(yàn)的順利進(jìn)行提供了良好的條件，設(shè)計(jì)壓力高壓為2.2MPa，低壓為0.35MPa，在環(huán)境溫度30℃左右條件下，分別充注制冷劑R22、R23、R14、R740、R728，并結(jié)合上述擬定的配比，控制組分和配比的情況下進(jìn)行不斷的反復(fù)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，得到如下的測(cè)試結(jié)果:

從圖5中可以看到壓縮機(jī)從啟動(dòng)到運(yùn)行穩(wěn)定的整個(gè)過(guò)程中吸排氣壓力及溫度的變化情況。壓縮機(jī)開(kāi)機(jī)瞬間排氣壓力迅速升高至最高壓力，達(dá)到3.1MPa，之后逐漸降低，直至穩(wěn)定。主要原因是:壓縮機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，停機(jī)階段滯留在系統(tǒng)內(nèi)的工質(zhì)已全部氣化，而剛開(kāi)機(jī)時(shí)制冷劑不能迅速冷凝，流經(jīng)毛細(xì)管的制冷劑主要為氣體，制冷劑的流量較小，因此大部分制冷劑迅速集中到冷凝器內(nèi)，使系統(tǒng)排氣壓力較高。

隨著流經(jīng)冷凝器及各換熱器的制冷劑被部分冷凝，系統(tǒng)中制冷劑的流量逐漸增大，排氣壓力逐漸降低，制冷循環(huán)逐漸趨于平衡，最終穩(wěn)定在2.0MPa。

而吸氣壓力在開(kāi)機(jī)狀態(tài)下迅速下降，這是因?yàn)槲鼩馇粴怏w排出，高壓通道中的氣體通過(guò)毛細(xì)管節(jié)流，進(jìn)入低壓通道有一定的時(shí)間延遲，導(dǎo)致吸氣腔氣體減少，壓力下降，甚至負(fù)壓狀態(tài)。隨著系統(tǒng)降溫過(guò)程的進(jìn)行，不斷的有氣體回到壓縮機(jī)，壓力回升，最后穩(wěn)定在0.21MPa。

圖5 壓縮機(jī)吸排氣溫度及壓力曲線(圖中橫坐標(biāo)每掃描一次時(shí)間間隔為30秒)Fig.5 The temperature and pressure curves of the compressor suction and exhaust along with scanning times(scanning interval is30 seconds)

通過(guò)這樣一個(gè)過(guò)程分析我們發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)的吸排氣壓力均與設(shè)定值存在一定誤差，其中排氣壓力誤差較小，比較合理，吸氣壓力相對(duì)誤差較大，勉強(qiáng)接受，實(shí)驗(yàn)中還有待改進(jìn)；同時(shí)還注意到:吸排氣溫度與壓力密切相關(guān)，并最終分別穩(wěn)定在122℃、7℃，同樣為自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)領(lǐng)域的相關(guān)研究提供了依據(jù)和參考。

由圖6可以看出整個(gè)降溫過(guò)程并不是同時(shí)進(jìn)行的，存在先后順序。開(kāi)機(jī)后，毛細(xì)管L1、L2、L3就開(kāi)始迅速降溫，而毛細(xì)管L4、L5先有一個(gè)緩慢過(guò)程，之后再進(jìn)入快速降溫過(guò)程。分析原因是隨著毛細(xì)管L1，L2，L3開(kāi)始降溫，回流溫度也隨之降低，這意味著進(jìn)入換熱器F1、F2、F3的低壓流體溫度也越來(lái)越低，從而有效的降低了各級(jí)換熱器的冷凝溫度。冷凝溫度降低，則氣液分離器中液體的組分會(huì)隨之發(fā)生一定的變化，氣液分離器E4底部液體中R740的含量有了增加，毛細(xì)管L4節(jié)流后的溫度隨之降低，同時(shí)降低了其高壓通道中的制冷工質(zhì)，隨之毛細(xì)管L5節(jié)流后的溫度下降，降溫過(guò)程存在一定的時(shí)間遞進(jìn)，因此各毛細(xì)管的節(jié)流溫度會(huì)有一個(gè)時(shí)間差。根據(jù)降溫特點(diǎn)把降溫過(guò)程分為四個(gè)階段:延遲段、快速段、慢速段、穩(wěn)定調(diào)整段。系統(tǒng)剛開(kāi)機(jī)后各級(jí)換熱器逐級(jí)冷卻，冷量傳遞到最后一級(jí)熱交換器F6需要一段時(shí)間差，在這一段時(shí)間里，毛細(xì)管L4、L5入口處工質(zhì)完全是氣態(tài)或干度較大的氣液混合物，節(jié)流之后的溫度變化很小，這一階段稱(chēng)之為延遲段，掃描儀掃描次數(shù)0～45，而此時(shí)毛細(xì)管L1、L2、L3已經(jīng)進(jìn)入快速降溫段。掃描次數(shù)45～100，由換熱器F1冷凝產(chǎn)生的R22冷凝液可以完全封住毛細(xì)管L1，換熱器F2冷凝產(chǎn)生的R23冷凝液可以全部或部分的封住毛細(xì)管L2，換熱器F3冷凝產(chǎn)生的R14冷凝液可以部分的封住毛細(xì)管L3，導(dǎo)致了節(jié)流溫度迅速下降，從而回流溫度也隨之下降，為高壓通道提供了更多的冷量，毛細(xì)管L4、L5節(jié)流后的溫度也會(huì)迅速下降。掃描次數(shù)100～300，進(jìn)入緩慢降溫段，毛細(xì)管L4、L5節(jié)流后的溫度緩慢下降。最后進(jìn)入了穩(wěn)定調(diào)整段，系統(tǒng)中各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)基本穩(wěn)定。同時(shí)發(fā)現(xiàn):隨著溫度的下降，毛細(xì)管L4、L5節(jié)流后的溫度有較大的波動(dòng)。我們認(rèn)為存在以下種可能:一種可能是溫度越低，系統(tǒng)的保溫效果越難達(dá)到要求；還有一種可能是氣液分離器中工質(zhì)流動(dòng)不穩(wěn)定，導(dǎo)致了溫度的波動(dòng)。

圖6 各級(jí)毛細(xì)管節(jié)流后溫度曲線(圖中橫坐標(biāo)每掃描一次時(shí)間間隔為30秒)Fig6.The throttling temperature curve of each capillary along with scanning times (scanning interval is30 seconds)

試驗(yàn)中，毛細(xì)管L1、L2、L3、L4、L5節(jié)流后的溫度分別穩(wěn)定在-49℃、-80℃、-99℃、-111℃、-134℃，毛細(xì)管L1、L2節(jié)流后的溫度可以達(dá)到要求，毛細(xì)管L3、L4、L5節(jié)流后的溫度與設(shè)計(jì)所要達(dá)到的溫度仍然有一定的差距。

經(jīng)分析，結(jié)合液氮溫區(qū)這樣一個(gè)溫度要求，可能是:

1)系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)行有效保溫，導(dǎo)致了漏熱比較大,節(jié)流效果變差，溫度無(wú)法下降到理想狀況；

2)系統(tǒng)中各級(jí)氣液分離器的尺寸及設(shè)計(jì)還有待斟酌，可能出現(xiàn)了尺寸偏小導(dǎo)致個(gè)別狀態(tài)點(diǎn)制冷劑分離過(guò)程不是很理想，或者通過(guò)受阻；

3)系統(tǒng)的換熱器、壓縮機(jī)等部件的匹配問(wèn)題，導(dǎo)致低溫工質(zhì)R740、R728最終不能很好的冷凝。

接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)可考慮采用真空筒技術(shù)進(jìn)行有效保溫，加強(qiáng)保溫效果，進(jìn)一步將系統(tǒng)各部件進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)優(yōu)化，以達(dá)更好的匹配，提高成效。

3 結(jié)束語(yǔ)

介紹了所搭建的五級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)，并討論了其混合工質(zhì)的組分選取，結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際情況分析了如何對(duì)混合工質(zhì)組分加以選擇，以及給出了多組分工質(zhì)配比的擬定方法，通過(guò)利用NIST8.0軟件，對(duì)混合工質(zhì)熱物性質(zhì)，配比等參數(shù)進(jìn)行了模擬計(jì)算，并得到了可以接受的一種混合工質(zhì)配比，提出了對(duì)其進(jìn)行模擬計(jì)算的思路與參考模式，在混合工質(zhì)最佳配比的探索方面提供了可行的方法。在環(huán)境溫度30℃下通過(guò)大量的試驗(yàn)調(diào)試，分析了壓縮機(jī)的運(yùn)行特性，系統(tǒng)的降溫特性，并對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，提出了存在的問(wèn)題與取得的進(jìn)展，為更進(jìn)一步研究自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考與借鑒。

(本文受上海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(No.S30503)資助。The project was suppored by Shanghai Leading Academic Discipline Project (No. S30503).)

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