三級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)的試驗(yàn)研究摘要：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)鍵字：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(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛對(duì)自動(dòng)復(fù)疊制冷技術(shù)展開(kāi)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(mǎn)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(guò)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(guò)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(guò)高帶來(lái)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(guò)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(rùn)滑油的分離。混合工質(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(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，這決定了其循環(huán)過(guò)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)眼工質(zhì)辯分子式放分子量鈴ODP故GWP冠標(biāo)準(zhǔn)沸桂點(diǎn)怒℃悅凝固溫捕度吳℃建臨界溫瘡度稼℃擾臨界壓程力售MPa東等熵指數(shù)柔R134鄙a搭C會(huì)2鞋H逢2決F蜓4葬102.氧00存0省0.2豆-26.箱2盜-101考.0璃101.號(hào)1樣4.06蹈1.11恨R23慰CHF固3丈70.0習(xí)1餡0晌1480福0孩-82.富1棕-160囑.0衰25.9揭4.68業(yè)1.19位R14差CF餡4革88.0頃1撓0掘N/A鏈-127趣.9煮-184泳.0刷-45.錢(qián)5寒3.75椅1.223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(kù)保存為目標(biāo)。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(guò)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(yǔ)言我們?cè)O(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件程序。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流的柜內(nèi)溫度如圖4所示。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。撤循環(huán)系統(tǒng)染中有兩個(gè)架匯合暗點(diǎn)艦P飯和沾Q況，增R134系a裹流和低溫井混合流估在炒P袍點(diǎn)匯合成向高溫混合晚流怨，壓R2闊3繭流格和唯R1睜4織流斯在瞧Q幕點(diǎn)匯合成希低溫混合遍流。兩股判流體匯合恩時(shí)，如果貼不發(fā)生化小學(xué)反應(yīng)，船得到的匯說(shuō)合流的溫豬度介于兩拖股支流的路溫度之間爪。開(kāi)機(jī)運(yùn)釀行逆約恨90mi騾n砍內(nèi)，高溫按混合流的末溫煤度功t衡24閑始終低于嶄其兩個(gè)支草流的溫羞度期t展22史和汪t異23鬼，坦90mi拌n鎖以后，才鉤介于兩者墳之間。匯廟合之后混戰(zhàn)合物流體拆的溫度決尾定于兩個(gè)痕因素：焓劣值和成分糟，相同條塊件下，焓檔值越高，顯溫度越高花；混合物私中低溫組掌分含量越糠多，溫度脆越低。通凍過(guò)妖圖汗9石來(lái)說(shuō)明這若個(gè)問(wèn)題，很低溫混合霸流題(抬t云22冶)鄙匯縱入市R134爹a飾流禍(喇t旋23胡)卡后，對(duì)其刺溫度的影紅響有兩個(gè)針?lè)矫妫阂粍蚍矫嬗捎谘碓龃罅似湄曥手担瑢?dǎo)巷致溫度有曉升高的趨頭勢(shì)，另一梅方面由于購(gòu)增大了其伏中低溫組食分恩(R23趣/R14償)給的含量，燦導(dǎo)致溫度囑有降低的騙趨勢(shì)；而扁當(dāng)后者的請(qǐng)影響大于律前者的影螺響時(shí)，綜尋合作用結(jié)恩果是降低挎其溫度。止表現(xiàn)在圖布上就是高蘋(píng)溫混合流醋的溫伐度吸(夸t罩24別)福始終低槳于笑R134厚a編流的溫俗度鐮(總t岔23撲)聚，并且在室前家90mi殘n叨內(nèi)，低于惜其兩個(gè)支煤流的溫哭度壞t坊22標(biāo)、伏t掠23蘆。柳R1胡4役流匯另入悶R2談3排流后對(duì)其座溫度的影多響經(jīng)歷了因不同的過(guò)勇程，在啟歲動(dòng)后嶄約荒150m辮i醬n千時(shí)間內(nèi)，展綜合作用面效果表現(xiàn)滲為溫度升拐高鑼(艷t稱(chēng)17嶺>t截16仙)北；之后的瞞運(yùn)行過(guò)程李中，綜合頸作用效果尸表現(xiàn)為溫沉度降嘉低形(崖t城17限<t絮16優(yōu))堤。肌5小潮結(jié)論與討牲論默自動(dòng)復(fù)疊賓循環(huán)能夠個(gè)實(shí)現(xiàn)低溫親制冷，并傳不是單純識(shí)地依靠降微低蒸發(fā)壓斬力，而是奪利用了非逼共沸混合漠工質(zhì)在各膛組分沸點(diǎn)俗相差很大柳的條件下蔥所表現(xiàn)出善來(lái)的特性屆，采用相永分離器來(lái)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)混合況工質(zhì)的分翁流，通過(guò)該特殊布置變的流程來(lái)抹實(shí)現(xiàn)復(fù)疊孔循環(huán)。常秤規(guī)壓縮機(jī)查完全勝任邪驅(qū)動(dòng)自動(dòng)如復(fù)疊循環(huán)禍，其運(yùn)行假時(shí)的啟動(dòng)誘工況、排話(huà)氣壓力、沖排氣溫度械均在常規(guī)豐壓縮機(jī)的愛(ài)允許范圍海之內(nèi)，運(yùn)鞭行相當(dāng)可伶靠，這對(duì)伯自動(dòng)復(fù)疊羅制冷機(jī)的規(guī)商業(yè)化生戲產(chǎn)具有十蹲分重要的幣意義。俱自動(dòng)復(fù)疊端循環(huán)本身烘可以實(shí)現(xiàn)榮壓縮機(jī)的難高效回油豆。合理布旱置的中間跌換熱器流蘇程可以保鑼證潤(rùn)滑油境的分離效懶果，混合康工質(zhì)的多煎次分流可鋒以保證分桑離出來(lái)的壁潤(rùn)滑油隨絨高溫級(jí)組墾分回到壓羨縮機(jī)，避宏免了可能常的在低溫減下脫蠟、悠凝固堵塞被系統(tǒng)的問(wèn)禮題。頭非共沸混朋合工質(zhì)在莫自動(dòng)復(fù)疊垮循環(huán)中的只應(yīng)用中有喊其獨(dú)特性節(jié)的一面：批根據(jù)沸點(diǎn)組的高低不粘同而自動(dòng)詳實(shí)現(xiàn)各組壇分的分流完，這種特迎性就決定乳了不同的障成分組成秩和配比組殲成會(huì)表現(xiàn)磨出不同的抖循環(huán)特性激。非共沸賽混合工質(zhì)璃的節(jié)流溫蕉度不僅與津組成成分偷、蒸發(fā)溫迫度有關(guān)，胸而且與過(guò)造冷度有關(guān)姿：相同條挑件下，節(jié)湊流前冷凝雞液的過(guò)冷津度越大，藥節(jié)流后混傷合物的蒸聽(tīng)發(fā)溫度越魂低。衣常規(guī)壓縮葬機(jī)完全勝礦任驅(qū)動(dòng)自勵(lì)動(dòng)復(fù)疊循徑環(huán)，其運(yùn)踢行時(shí)的啟降動(dòng)工況、削排氣壓力庸、排氣溫?cái)r度均在常宋規(guī)壓縮機(jī)伯的允許范獨(dú)圍之內(nèi)，律運(yùn)行相當(dāng)閑可靠，這侍對(duì)自動(dòng)復(fù)扯疊制冷機(jī)茶的商業(yè)化東生產(chǎn)具有刮十分重要墊的意義。參考文獻(xiàn)婆1.K1斑eeme猶nkoA階P蜘.氧One麗flow羽cas匙cade窩cyc旅le獸.檢The憐proc權(quán)eedi蔬ngo蔥fth喜ein饑tern洽atio刻nalc廚onfe灘renc摸eof渾ref溉rige聞rati和on,犯195高9蓮，絨1-a-郊6仗：睜3紙4匆—郵39迎2.Mi仁sssi夾mer莫DJ述.境Ref境rige百rant意con敲vers望ion蔑Auto潤(rùn)-Ref飼r(shí)ige快rati妄onC團(tuán)asca鴉de(A瀉RC)s桑yste銳m愧.逐Int方JR損efr辣i滿(mǎn)，帽199弊7仿，暗20(3鍬)船：餐201-掃207郵3.Sh統(tǒng)anka險(xiǎn)rV