自復(fù)疊制冷系統(tǒng)4種組分配比性能

芮勝軍，張　華，董　彬，梁坤峰

（1河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471023；2上海理工大學(xué)制冷技術(shù)研究所，上海 200093）

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自復(fù)疊制冷系統(tǒng)4種組分配比性能

芮勝軍1，2，張華2，董彬1，梁坤峰1

（1河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽 471023；2上海理工大學(xué)制冷技術(shù)研究所，上海 200093）

自動復(fù)疊制冷在小型制冷低溫裝置中有較強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢，它能制取氮?dú)庖夯瘻囟?7 K到常規(guī)單機(jī)壓縮制冷溫度230 K溫區(qū)。針對三級自動復(fù)疊制冷系統(tǒng)非共沸混合制冷工質(zhì)不同組分配比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對比分析了R600a、R23和R14混合制冷劑4種組分配比35/35/30、35/30/35、30/35/35和35/25/40，根據(jù)壓縮機(jī)的運(yùn)行工況和蒸發(fā)器的降溫特性可以得到4種配比的各項(xiàng)運(yùn)行性能參數(shù)比較接近，組分配比35/30/35的蒸發(fā)溫度較低。蒸發(fā)器設(shè)計冷負(fù)荷為60 W，設(shè)計蒸發(fā)溫度為180 K，低溫冷柜內(nèi)的蒸發(fā)溫度最低可以達(dá)到并穩(wěn)定在175 K。根據(jù)兩種組分配比35/35/30和35/30/35在不同冷負(fù)荷時的蒸發(fā)器制冷特性實(shí)驗(yàn)研究，組分配比35/30/35的最高COP為8.47%；組分配比35/35/30的最高COP為14.4%。

自復(fù)疊制冷系統(tǒng)；R600a/R23/R14；組分配比；非共沸；混合工質(zhì)

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151155

引　言

單級壓縮混合工質(zhì)節(jié)流制冷機(jī)在小型制冷裝置系統(tǒng)有較強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢，它覆蓋氮?dú)庖夯瘻囟?7 K到常規(guī)制冷溫度230 K溫區(qū)的廣闊范圍，常被應(yīng)用于氣體液化、紅外線探測、半導(dǎo)體加工、低溫醫(yī)學(xué)、低溫生物和水蒸氣捕集等方面［1-3］。根據(jù)工作原理不同，單級壓縮混合工質(zhì)節(jié)流制冷機(jī)可分為兩類：Linde-Hampson型節(jié)流制冷機(jī)（Linde-Hampson refrigeration cycle，LHR）和自動復(fù)疊節(jié)流制冷機(jī)（auto-refrigerating cascade system，ARC）［4-7］。ARC循環(huán)和LHR循環(huán)均采用單壓縮機(jī)驅(qū)動非共沸混合制冷工質(zhì)實(shí)現(xiàn)較低溫度制冷，其相同點(diǎn)主要有兩點(diǎn)：①系統(tǒng)都只有一臺壓縮機(jī)，一個冷凝器和蒸發(fā)器；②非共沸混合工質(zhì)作為制冷循環(huán)工質(zhì)。不同點(diǎn)主要是：從熱力學(xué)角度出發(fā)兩種循環(huán)存在本質(zhì)性差異，LHR循環(huán)主要是基于低溫回?zé)嵩韺?shí)現(xiàn)低溫制冷；ARC循環(huán)是基于復(fù)疊循環(huán)的原理實(shí)現(xiàn)低溫制冷，所以ARC循環(huán)也稱作內(nèi)復(fù)疊制冷循環(huán)［5，7-9］。

杜塏等［10］對350～370 K冷凝溫度和273～293 K蒸發(fā)溫度區(qū)間內(nèi)的R134a/R123自動復(fù)疊熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了濃度配比優(yōu)化計算和分析。Gong等［11-13］研究了二元非共沸混合工質(zhì)R170/R23（37.2/62.8）和R170/R116（34/66）以及三元非共沸混合工質(zhì)R170/R23/R116（26/41/33）的配比，括號內(nèi)的數(shù)字表示質(zhì)量比。Venkatarathnam等［14-16］也對混合工質(zhì)的組分配比進(jìn)行了很多研究，當(dāng)蒸發(fā)溫度為200 K時，可以選擇的工質(zhì)配比有R23/R142b（7.9/92.1）、R22/R142b（57.7/42.3）、R23/R134a（18/82）和R23/R125/R134a（15/25/60）。Wang等［17-19］研究了組分變化時混合制冷劑R600a/R290/R1150/R50/R728、R23/R134a和R170/R290對自動復(fù)疊制冷系統(tǒng)性能的影響。Kim等［20］采用混合工質(zhì)R744/R134a和R744/R290與純二氧化碳相比較，混合工質(zhì)具有較好的熱力學(xué)性能。

本文以三級自動復(fù)疊制冷系統(tǒng)為研究對象，非共沸混合制冷劑均為R600a、R23和R14的混合物，根據(jù)不同組分配比的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，通過壓縮機(jī)和蒸發(fā)器運(yùn)行工況選擇了4組有代表性的組分配比進(jìn)行比較研究。

1　自動復(fù)疊制冷裝置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

自動復(fù)疊制冷系統(tǒng)采用較環(huán)保的三元非共沸混合制冷劑R600a、R23和R14?；旌现评涔べ|(zhì)經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后排入冷凝器，在冷凝器中混合制冷工質(zhì)溫度不斷降低，達(dá)到其露點(diǎn)溫度以后有液相析出，高沸點(diǎn)工質(zhì)在冷凝器內(nèi)大部分被冷凝為液體，中低沸點(diǎn)工質(zhì)大部分仍然保持氣態(tài)；從冷凝器出來的氣液混合物經(jīng)干燥過濾器后進(jìn)入相分離器Ⅰ，在重力作用下氣體與液體實(shí)現(xiàn)自動分離；高沸點(diǎn)工質(zhì)液體經(jīng)相分離器Ⅰ底部送至毛細(xì)管Ⅰ節(jié)流，然后在冷凝蒸發(fā)器Ⅰ低壓通道中蒸發(fā)制冷，蒸發(fā)后的氣體回到壓縮機(jī)吸氣管路；中低沸點(diǎn)工質(zhì)氣體混合物經(jīng)相分離器Ⅰ的上部進(jìn)入冷凝蒸發(fā)器Ⅰ高壓通道變溫部分冷凝，大部分中沸點(diǎn)工質(zhì)冷凝為液體，而低沸點(diǎn)工質(zhì)仍然保持氣態(tài)；從冷凝蒸發(fā)器Ⅰ出來的氣液混合物進(jìn)入相分離器Ⅱ，在重力作用下氣體與液體實(shí)現(xiàn)自動分離；中沸點(diǎn)工質(zhì)冷凝液經(jīng)毛細(xì)管Ⅱ節(jié)流后在冷凝蒸發(fā)器Ⅱ低壓通道中蒸發(fā)制冷，釋放冷量后回到壓縮機(jī)吸氣管路；從相分離器Ⅱ上部流出的低沸點(diǎn)工質(zhì)氣體在冷凝蒸發(fā)器Ⅱ高壓通道中冷凝為過冷液體，冷凝液經(jīng)低溫級毛細(xì)管Ⅲ節(jié)流降溫進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)制冷，蒸發(fā)后氣體進(jìn)入吸氣管路與中高沸點(diǎn)工質(zhì)氣體匯合回到壓縮機(jī)。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要進(jìn)行溫度和壓力測量，通過制冷工質(zhì)溫度和壓力的耦合關(guān)系分析系統(tǒng)的運(yùn)行工況。有兩個壓力測點(diǎn)，分別是系統(tǒng)高壓和系統(tǒng)低壓。有28個溫度測點(diǎn)，監(jiān)控各主要關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的溫度變化。采用日本千野公司生產(chǎn)的銅-康銅T形熱電偶絲采集溫度，該熱電偶絲直徑為0.3 mm，測量精度為±0.5 K。用直流電容焊接法自制，并經(jīng)二級標(biāo)準(zhǔn)溫度計在恒溫槽上標(biāo)定，熱電偶直接接入Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀讀出溫度值。實(shí)驗(yàn)采用的銅-康銅熱電偶的測量范圍為70～600 K，其正極為純銅，負(fù)極為60%銅和40%鎳合金。T形熱電偶的熱電勢穩(wěn)定，有較好的復(fù)現(xiàn)性，已成為測量室溫至液氮溫區(qū)最常用的熱電偶。為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定工作，組成熱電偶兩個熱電極的焊接必須牢固；兩個熱電極彼此之間應(yīng)絕緣良好，以防短路。壓力測量主要是壓縮機(jī)吸氣壓力和排氣壓力，采用上海天沐自動化儀表有限公司生產(chǎn)的NS-I1電流輸出型壓力傳感器，根據(jù)輸出信號的電流值和壓力傳感器的量程可確定實(shí)際的壓力值。

2　不同組分配比系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)研究

2.1不同組分配比的壓縮工況

壓縮機(jī)是蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，制冷系統(tǒng)運(yùn)行時，其排氣壓力與冷凝溫度有對應(yīng)關(guān)系，而冷凝溫度與冷卻水的流量和溫度、制冷工質(zhì)流量、冷負(fù)荷等有關(guān)。冷卻水流量為80 L·h-1，由于剛開機(jī)時排氣溫度較低，冷凝負(fù)荷比較小，冷卻水進(jìn)出口溫差不大。隨著壓縮機(jī)排氣溫度逐漸升高，冷卻水進(jìn)出口溫差逐漸增大，經(jīng)過20 min后溫差達(dá)到最大值6 K左右，穩(wěn)定運(yùn)行時進(jìn)口溫度為286 K，出口溫度為292 K。由于冷卻水流量較小，為了得到較穩(wěn)定的冷凝溫度變化情況，冷卻水采用直流一次性冷卻。圖1是不同配比壓縮機(jī)排氣壓力曲線，壓縮機(jī)剛開機(jī)以后，排氣壓力迅速升高，由于采取了熱氣旁通壓力保護(hù)和調(diào)節(jié)方法，排氣壓力不超過2.2 MPa。如果壓力超過2.2 MPa則相分離器氣體出口旁通閥門開啟度增大使系統(tǒng)高壓降低；當(dāng)系統(tǒng)高壓降低到2.0 MPa時則相分離器氣體出口旁通閥門開啟度減小使系統(tǒng)高壓升高，這樣就人為控制了系統(tǒng)的高壓使其穩(wěn)定在2.0～2.2 MPa之間。系統(tǒng)開機(jī)初期30 min內(nèi)排氣壓力波動較大，30 min后壓力很平穩(wěn)，不需要調(diào)節(jié)相分離器氣體出口旁通閥門，排氣壓力穩(wěn)定在2.1 MPa左右。不同配比的排氣壓力沒有可比性，因?yàn)椴煌浔鹊南喾蛛x器氣體出口旁通閥門的開啟度不同。實(shí)驗(yàn)的目的是通過閥門調(diào)節(jié)使各種配比的排氣壓力保持在相同的范圍2.0～2.2 MPa之間。

圖1　4種組分配比的排氣壓力Fig.1　Discharge pressure of four kinds of compositions

不同配比的吸氣壓力曲線如圖2所示。系統(tǒng)開機(jī)后吸氣壓力由停機(jī)時的壓力1.0 MPa迅速降低至0.15～0.17 MPa，吸氣壓力穩(wěn)定約20 min后迅速升高至0.25～0.28 MPa。開機(jī)初期吸氣壓力較低說明毛細(xì)管單位時間內(nèi)流過的制冷工質(zhì)量較少，吸氣壓力升高的原因是剛開機(jī)時毛細(xì)管內(nèi)流過的制冷工質(zhì)大多都是氣相，低壓系統(tǒng)制冷工質(zhì)的供應(yīng)量不足，主要靠膨脹容器里面貯存的工質(zhì)維持系統(tǒng)運(yùn)行。當(dāng)開機(jī)20 min后，系統(tǒng)降溫過程結(jié)束，通過毛細(xì)管的工質(zhì)主要是液相，其質(zhì)量流量明顯增大，此時膨脹容器內(nèi)工質(zhì)壓力和系統(tǒng)低壓建立了新的平衡，系統(tǒng)處于動態(tài)穩(wěn)定工作狀況。制冷系統(tǒng)運(yùn)行時吸氣壓力與蒸發(fā)溫度和制冷工質(zhì)流量密切相關(guān)，對于毛細(xì)管節(jié)流系統(tǒng)，吸氣壓力與冷凝壓力、制冷量、壓縮機(jī)效率和冷負(fù)荷大小有關(guān)。吸氣壓力低于正常值的主要原因是制冷工質(zhì)流量不足、冷負(fù)荷小、冷凝壓力低以及過濾器不暢通等；吸氣壓力高于正常值的主要原因是制冷工質(zhì)過多、制冷負(fù)荷大、冷凝壓力高及壓縮機(jī)效率差等。

圖2　4種組分配比的吸氣壓力Fig.2　Suction pressure of four kinds of compositions

圖3為不同配比時壓縮機(jī)壓比曲線。開機(jī)初期壓比都比較大，也很接近，最高壓比達(dá)到14左右。隨著系統(tǒng)運(yùn)行過程的進(jìn)行，不同配比的壓比總是保持13左右，其原因?yàn)槲鼩鈮毫μ?。?dāng)系統(tǒng)運(yùn)行20 min后4種配比的壓比迅速降低，最終穩(wěn)定在7.5～8.0。實(shí)驗(yàn)所用丹佛斯SC21CL壓縮機(jī)是低背壓高壓比壓縮機(jī)，這4種配比的壓比都在合理范圍內(nèi)。吸氣壓力和蒸發(fā)壓力近似相等，實(shí)際壓縮機(jī)吸氣過程中，由于管路摩擦損失和吸氣壓力損失，吸氣壓力略低于蒸發(fā)壓力，兩者均由蒸發(fā)器的工作溫度而定。制冷系統(tǒng)可以通過吸氣溫度的降低而達(dá)到降低排氣溫度的目的，因?yàn)閷τ诖_定的壓縮機(jī)其壓比基本不變，降低吸氣壓力可以使排氣壓力和排氣溫度降低，制冷工質(zhì)不足也是吸氣壓力低的一個因素。活塞式壓縮機(jī)的容積輸氣量基本固定不變，壓比是排氣壓力與吸氣壓力的比值，壓比與吸排氣溫度呈正比耦合關(guān)系，壓比增大，排氣壓力和排氣溫度上升，壓縮機(jī)殼體和油溫升高，壓縮機(jī)效率下降。不同配比的排氣溫度如圖4所示。系統(tǒng)開機(jī)初期壓縮機(jī)排氣溫度升高很快，5 min后混合制冷劑的排氣溫度由常溫升高至370 K，隨后升溫速度有所減慢。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行20 min后排氣溫度出現(xiàn)峰值395 K后緩慢下降，最終穩(wěn)定在370～380 K。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行20 min后吸氣壓力迅速升高，同時排氣溫度出現(xiàn)拐點(diǎn)，這個時刻是系統(tǒng)降溫過程結(jié)束，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行過程的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

圖3　4種組分配比的壓比Fig.3　Pressure ratio of four kinds of compositions

圖4　4種組分配比的排氣溫度Fig.4　Discharge temperature of four kinds of compositions

實(shí)驗(yàn)所用丹佛斯壓縮機(jī)SC21CL為回氣冷卻型壓縮機(jī)，制冷工質(zhì)蒸氣流經(jīng)電機(jī)腔時被電機(jī)加熱，吸氣溫度再一次被提高。圖5為不同配比壓縮機(jī)進(jìn)口吸氣管路溫度曲線，溫度曲線可以分為3個階段：快速降溫段、調(diào)整段和穩(wěn)定段。開機(jī)初期由于吸氣壓力迅速減小，吸氣溫度快速降低，壓縮機(jī)啟動10 min內(nèi)為快速降溫段。隨著壓縮機(jī)排出的高溫高壓混合氣體不斷冷卻和冷凝，系統(tǒng)啟動10 min吸氣溫度有所升高，通過系統(tǒng)自身不斷調(diào)整降溫，運(yùn)行20 min后吸氣溫度隨著最低蒸發(fā)溫度的降低達(dá)到穩(wěn)定，10～20 min是調(diào)整段。20 min后系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，壓縮機(jī)吸氣溫度穩(wěn)定在255～258 K。

圖5　4種組分配比的吸氣溫度Fig.5　Suction temperature of four kinds of compositions

2.2不同組分配比的蒸發(fā)性能

非共沸混合制冷工質(zhì)在定壓下蒸發(fā)時氣相和液相的成分不斷變化，溫度也不斷升高。當(dāng)蒸發(fā)壓力不變時，混合工質(zhì)溫度逐漸由泡點(diǎn)溫度升高到露點(diǎn)溫度，通常存在最低蒸發(fā)溫度和最高蒸發(fā)溫度。非共沸混合制冷工質(zhì)的壓力、溫度和濃度具有很強(qiáng)的相互制約關(guān)系，蒸發(fā)壓力越低，蒸發(fā)溫度也越低。當(dāng)制冷工質(zhì)流量一定時，蒸發(fā)溫度越低，則蒸發(fā)器管道內(nèi)外的溫差越大，制冷量越大，蒸發(fā)壓力越低，制冷量也越大。相同質(zhì)量流量和配比的制冷工質(zhì)，在不同溫度下蒸發(fā)時，其蒸發(fā)潛熱也不相同。不同組分配比蒸發(fā)器的最低蒸發(fā)溫度如圖6所示。制冷系統(tǒng)開機(jī)初期蒸發(fā)溫度迅速降低，經(jīng)過20 min后蒸發(fā)溫度就可達(dá)到180 K，隨后逐漸穩(wěn)定在175～177K。自動復(fù)疊制冷系統(tǒng)的降溫時間相對較長，制冷裝置啟動約20 min后，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，系統(tǒng)各點(diǎn)的溫度、壓力等參數(shù)基本不再變化。

圖6　4種組分配比的蒸發(fā)溫度Fig.6　Evaporating temperature of four kinds of compositions

非共沸混合工質(zhì)節(jié)流后的蒸發(fā)溫度與混合工質(zhì)的蒸發(fā)壓力和節(jié)流前過冷度等有關(guān)，混合工質(zhì)中低沸點(diǎn)組分的純度越高，含有其他組分的量及不凝性氣體的量越少越有利于蒸發(fā)器制冷。根據(jù)理論分析，純R14工質(zhì)在0.25 MPa的飽和溫度為160 K；如果進(jìn)入蒸發(fā)器混合制冷工質(zhì)R600a/R23/R14的質(zhì)量比為6.31/48.05/45.64，最低蒸發(fā)溫度可達(dá)到170 K左右，本文實(shí)驗(yàn)所得的最低蒸發(fā)溫度為175 K。實(shí)際蒸發(fā)溫度和理論值存在5 K的溫差，存在溫差的原因?yàn)檎舭l(fā)器內(nèi)為混合工質(zhì)，而且中、高沸點(diǎn)工質(zhì)的含量并不少，不凝性氣體不能通過相分離器的液封，只能隨著氣相工質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)器，所以不凝性氣體在很大程度上影響了蒸發(fā)溫度。蒸發(fā)溫度開機(jī)后迅速降低，蒸發(fā)器內(nèi)混合工質(zhì)的組分在降溫過程中不斷變化，通過不斷自身調(diào)整達(dá)到穩(wěn)定。各組配比的降溫速度和穩(wěn)定運(yùn)行時的蒸發(fā)溫度都很接近，配比35/30/35相對于配比35/35/30蒸發(fā)溫度低1.5 K；配比35/30/35相對于配比35/25/40蒸發(fā)溫度低2 K；配比35/30/35相對于配比30/35/35蒸發(fā)溫度低3 K，4組配比的蒸發(fā)溫度都在175 K附近。4組配比35/35/30、35/30/35、30/35/35和35/25/40各項(xiàng)運(yùn)行工況都很接近，這4組配比在蒸發(fā)器內(nèi)的壓力、液相工質(zhì)組分和流量等基本相同。評價組分配比優(yōu)劣的重要指標(biāo)為相同條件下制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，當(dāng)吸排氣壓力、吸排氣溫度滿足要求的情況下蒸發(fā)溫度越低越好。

2.3工質(zhì)R600a/R23/R14在組分配比35/30/35與35/35/30的蒸發(fā)過程

針對混合制冷工質(zhì)R600a/R23/R14在組分配比35/30/35和35/35/30兩種情況的蒸發(fā)過程進(jìn)行研究，組分配比為35/30/35時不同冷負(fù)荷的最低蒸發(fā)溫度隨時間的變化情況如圖7所示。隨著冷負(fù)荷的增加，最低蒸發(fā)溫度的變化趨勢基本一致，都由快速降溫段、調(diào)整段和穩(wěn)定段3部分組成。冷負(fù)荷不同時的區(qū)別主要有兩點(diǎn)：① 降溫速度不同，冷負(fù)荷越大降溫速度越慢，零負(fù)荷時25 min可降低到最低溫度，30 W冷負(fù)荷時需要40 min，40 W冷負(fù)荷時需要60 min，50 W冷負(fù)荷時需要70 min；② 最終的蒸發(fā)溫度不同，冷負(fù)荷越大最終的蒸發(fā)溫度越高，零負(fù)荷、30 W和40 W時蒸發(fā)溫度都是175 K左右，50 W時最低蒸發(fā)溫度為188 K，60 W冷負(fù)荷當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行90 min時還沒有達(dá)到最低蒸發(fā)溫度。蒸發(fā)器主要依靠工質(zhì)相變潛熱吸收外部熱量，冷負(fù)荷越大，需要蒸發(fā)相變的工質(zhì)量越多，所以蒸發(fā)器制冷量的大小主要與低溫液體的流量有關(guān)，低溫液體的流量越大則制冷量越大，反之亦然。

圖7　配比35/30/35的蒸發(fā)溫度Fig.7　Evaporating temperature of composition 35/30/35

蒸發(fā)器的設(shè)計冷負(fù)荷為60 W，蒸發(fā)溫度為180 K，低溫冷柜內(nèi)的溫度需達(dá)到190 K。圖8是混合制冷工質(zhì)R600a/R23/R14在組分配比35/35/30時不同冷負(fù)荷的最低蒸發(fā)溫度隨時間的變化曲線。與組分配比35/30/35的蒸發(fā)溫度相比較，相同點(diǎn)為：蒸發(fā)器的降溫速度隨冷負(fù)荷的增加而變慢，最終穩(wěn)定時的平衡溫度都是175 K。不同點(diǎn)為：冷負(fù)荷相同時蒸發(fā)器的降溫速度不同，以60 W冷負(fù)荷為例，配比35/35/30的混合工質(zhì)當(dāng)制冷系統(tǒng)運(yùn)行60 min可降低到最低溫度175 K，但配比35/30/35的混合工質(zhì)經(jīng)過90 min溫度僅降低到220 K。配比35/35/30當(dāng)蒸發(fā)器為零負(fù)荷時經(jīng)過20 min可降低到最低溫度，80 W和85 W約需要80 min可以降低到最低溫度，而90 W當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行90 min還沒有降低到最低溫度。

圖8　配比35/35/30的蒸發(fā)溫度Fig.8　Evaporating temperature of composition 35/35/30

蒸發(fā)器的冷負(fù)荷與流進(jìn)蒸發(fā)管道液相混合制冷工質(zhì)的流量呈正比，當(dāng)液相混合制冷工質(zhì)的最大汽化熱量與外部冷負(fù)荷相等時，系統(tǒng)的制冷量達(dá)到最大值。根據(jù)以上兩種組分配比的蒸發(fā)過程研究，配比35/30/35的最大制冷量在50～60 W之間；配比35/35/30的最大制冷量在85～90 W之間。

純工質(zhì)氣液混合物在蒸發(fā)器內(nèi)的蒸發(fā)過程是恒壓恒溫過程，蒸發(fā)溫度為對應(yīng)蒸發(fā)壓力的飽和溫度。混合制冷工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)的壓力基本不變，但其蒸發(fā)溫度和氣液相成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷變化。當(dāng)制冷劑流量和組分確定的情況下，冷負(fù)荷越大蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度就越高，冷負(fù)荷受蒸發(fā)溫度和制冷劑流量影響。隨著蒸發(fā)過程的不斷進(jìn)行，混合工質(zhì)溫度逐漸由泡點(diǎn)溫度升高到露點(diǎn)溫度，在相變過程中非共沸混合制冷工質(zhì)存在溫度滑移。當(dāng)氣液混合物在蒸發(fā)器內(nèi)流動時，不斷吸收外界熱量，當(dāng)某個位置的溫度高于混合工質(zhì)的泡點(diǎn)溫度時，就會逐漸形成少量氣泡，這個溫度升高過程持續(xù)到露點(diǎn)溫度后還會繼續(xù)升高。

實(shí)驗(yàn)所用丹佛斯壓縮機(jī)SC21CL的額定輸入功率為590 W，組分35/30/35的最大冷負(fù)荷為50 W，組分35/35/30的最大冷負(fù)荷為85 W，實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)際制冷量滿足制冷系統(tǒng)設(shè)計時制冷量60 W的需求。根據(jù)輸入功率和系統(tǒng)的最大制冷負(fù)荷可計算出系統(tǒng)最高的制冷系數(shù)COP為：組分35/30/35的最高COP為8.47%；組分35/35/30的最高COP為14.4%。自動復(fù)疊制冷系統(tǒng)的COP在壓縮機(jī)功率恒定的情況下取決于蒸發(fā)器的最大冷負(fù)荷，混合制冷工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)的蒸發(fā)過程受多種因素的影響。當(dāng)混合工質(zhì)組元確定的情況下，低沸點(diǎn)組分的純度越高其汽化后吸收的熱量越多，所以應(yīng)盡量提高低沸點(diǎn)組分的濃度，減小其他組元和不凝性氣體的含量；蒸發(fā)器液相工質(zhì)的流量越大則可以汽化的制冷劑量越多，所以可以通過提高低沸點(diǎn)組分的濃度和增大蒸發(fā)器液相工質(zhì)的流量提高COP。

3　結(jié)　論

非共沸混合工質(zhì)組分配比是自動復(fù)疊制冷系統(tǒng)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，分別對混合制冷劑R600a/R23/R14以4種質(zhì)量組分配比35/35/30、35/30/35、30/35/35和35/25/40進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較研究。通過對壓縮機(jī)的運(yùn)行性能參數(shù)和蒸發(fā)溫度等進(jìn)行對比分析，可得出以下結(jié)論。

（1）混合制冷工質(zhì)R600a/R23/R14在4種組分配比35/35/30、35/30/35、30/35/35和35/25/40的壓縮機(jī)運(yùn)行性能工況比較接近，組分配比35/30/35的蒸發(fā)溫度較低。

（2）蒸發(fā)器設(shè)計冷負(fù)荷為60 W，設(shè)計蒸發(fā)溫度為180 K，低溫冷柜內(nèi)的溫度可以達(dá)到并穩(wěn)定在175 K。

（3）根據(jù)兩種組分配比35/35/30和35/30/35在不同冷負(fù)荷時的蒸發(fā)器制冷特性實(shí)驗(yàn)研究，組分配比35/30/35的最高COP為8.47%；組分配比35/35/30的最高COP為14.4%。

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Effect of four components ratios on performance of auto-refrigerating cascade system

RUI Shengjun1，2， ZHANG Hua2， DONG Bin1， LIANG Kunfeng1
（1Vehicle & Transportation Engineering Institute， Henan University of Science and Technology， Luoyang 471023， Henan， China；2Institute of Refrigeration Technology， Shanghai University of Science and Technology， Shanghai 200093， China）

An auto-refrigerating cascade cycle has some unique advantages for small refrigeration units， for which it has a wide range of operation temperatures from 77 K for nitrogen liquefaction to 230 K for conventional refrigeration. For the three-level auto-refrigenerating cascade system， effect of the components ratios of non-azeotropic mixture as a medium on the performances was investigated. Through the experimental comparisons of the performance of compressor and the cooling performance of evaporator， refrigerant mixtures of R600a， R23 and R14 with four ratios of 35/35/30， 35/30/35， 30/35/35 and 35/25/40 were designed， of which all the conditions of evaporator were approximate. The evaporation temperature for the ratio of 35/30/35 was lower than others. For this auto-refrigerating cascade system， its evaporator temperature can be as stable as down to 175 K under conditions of 60 W cooling load and 180 K of designed evaporation temperature. Based on the experimental study on the performances of the two compositions under different cooling loads， the highest COP values of 8.47% and 14.4% for the ratios of 35/30/35 and 35/35/30 were achieved， respectively.

date： 2015-07-20.

RUI Shengjun， sjrui@163.com

supported by the National Natural Science Foundation of China （51176124）， the Key Projects of Henan Province （152102210279），the Outstanding Scientific Research Project of Henan Colleges and Universities （15A470001， 14A470013） and the Youth Science Foundation of Henan University of Science and Technology （2015QN014）.

auto-refrigerating cascade system； R600a/R23/R14； composition ratio； non-azeotropic； mixtures

TB 657.3

A

0438—1157（2016）05—1830—07

2015-07-20收到初稿，2016-01-22收到修改稿。

聯(lián)系人及第一作者：芮勝軍（1975—），男，博士，講師。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51176124）；河南省重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目（152102210279）；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（15A470001，14A470013）；河南科技大學(xué)青年科學(xué)基金項(xiàng)目（2015QN014）。