自動復疊制冷系統的應用研究

王新一,任紹民

(河南省漯河市雙匯實業集團有限責任公司,河南漯河462000)

1 引言

由于近年來國際上對CFC的禁用和對節能減排、能源利用效率的重視,推進了制冷劑替代方面的研究,而混合工質作為CFCs的替代具有很大的潛力和應用前景。

同時隨著教育、科研和醫療事業的不斷發展,對-40～-160℃溫區的低溫實驗設備的需求量也不斷增加。

而在制取較低的溫度時,一般的蒸發壓縮式循環已不能滿足要求。因為在蒸發溫度和冷凝溫度相對較大時,找不到一種制冷劑能夠滿足冷凝壓力較低且蒸發壓力較高的要求。因此多工質制冷技術成為人們研究的方向,復疊制冷更是引起了人們的關注。

2 應用價值

由于自動復疊制冷循環可以實現從低于80K的液氮溫區到230K的傳統蒸發壓縮制冷循環制冷溫區,因此具有比較大的實用價值。

(1)液化天然氣起初采用的是經典復疊制冷循環,循環以甲烷、乙烷、丙烷和乙烯作為制冷劑。近年來各LNG廠家趨向于應用混合工質的自動復疊制冷循環來完成天然氣液化的預冷部分,實際研究表明,采用自動復疊制冷循環后,熱力效率有明顯提高。

(2)低溫箱是一種只能用于冷凍而不能冷藏的低溫冷凍設備。原有的低溫箱品種較少,大多采用雙級壓縮或經典復疊壓縮制冷方式,20世紀80年代末,美國REVCO公司成功研制出單級壓縮分凝制冷系統的-140℃和-150℃的低溫箱,并于90年代初投放市場,我國的一些科研單位、大學和醫院陸續進口的這種低溫箱[1]。

(3)冷凍干燥裝置。冷凍干燥是將含水物質在低溫下凍結,而后使其中的水分在真空狀態下直接升華而獲得干燥物品的一種技術。文獻 [2]中研制出的采用單級壓縮分凝制冷系統的低溫冷凍干燥裝置結構簡單、性能優越,可以用于不同制品冷凍干燥過程的設計和優化。

除以上幾個主要用途以外,單級壓縮分凝制冷系統還可應用于精密工業制品、工程材料和電子元件的低溫試驗、冶金產品的調質;醫療、制藥及生物等部門保存臟器、血液和生物樣品;航空航天工業的環境試驗;化學產品的生產和冷藏以及低溫條件下材料與物品的性能測試等。

3 研究內容

目前,針對自動復疊式制冷的研究工作主要集中在兩個方面,一方面是對原有系統的改進,包括使用新型的換熱器和高效的氣液分離器,采用新的循環形式;另一方面是循環分析,找出影響循環熱力性能的因素和適用于自動復疊制冷的混合工質。中國科學院、浙江大學、上海理工大學和華中科技大學,都積極開展了-50～-200℃溫區的制冷設備的研究[3],并搭建了實驗裝置,在混合工質研究、循環改進等方面取得了一定的成果。總之,混合工質的自動復疊制冷既能滿足環保、安全要求,又能提高系統效率,對制冷領域來講是一項值得投入人力和物力開發的新技術[4]。

本文主要是針對第二個方面進行研究,找到合適的混合工質,通過不斷地試驗,使低溫箱降到我們所需要的溫度。

(1)制冷劑的選取

對于混合工質在節流制冷循環中的應用,主要有兩個方面:一是作為新型的制冷工質,替代傳統氟利昂中的CFC類工質,起到保護環境和節約能源的作用;另一方面是通過特定的配比,在單級壓縮的情況下,產生深低溫環境。

在自動復疊制冷系統中,要實現系統的自動復疊,混合工質各組分之間應能互溶,但不能形成共沸混合物;其次,各組分必須有較大的沸點間距,基本上在40～80℃,因為在低溫技術中,只有對沸點間距較大的混合物才能進行分凝;第三,為使低沸點工質在高沸點的蒸發溫度下冷凝,低沸點工質的臨界溫度要高于與它相鄰的高沸點工質的沸點。

本研究內容是要獲得-120℃的低溫,考慮到各組元的熱力性質、凝固點溫度,同時也要考慮各組元的化學穩定性、毒性、對大氣臭氧層的破壞性、各組元之間有無化學反應,以及來源的可靠性和經濟性等問題,本文所做的四級自動復疊制冷循環,選擇了混合工質:R134a、R23、R14、R50。所選工質主要物理性質見表1,能很好地滿足上面所述的三個要求。

表1 工質主要物理性質Tab1 Thermal property and environmental parameters of refrigerants

(2)四級自動復疊循環流程

本文主要研究四級復疊制冷循環,由圖1說明其工作流程。

混合工質采用非共沸混合工質R134a/R23/R14/R50作為制冷劑。

理論循環工作流程如下:混合工質經壓縮機A壓縮,進入冷凝器B中進行冷凝,其中高沸點組分R134a大部分被冷凝成為液體,僅有溶于R134a的少部分R23冷凝,其余工質仍然保持為氣態。冷凝后的混合工質進入氣液分離器I,在重力的作用下實現氣液自動分離,其中R134a和少量R23的液體經氣液分離器送至毛細管K節流,然后在第一級冷凝蒸發器H中蒸發制冷,蒸發后的氣體回到回熱器中。中、低溫工質氣體混合物在氣液分離器I上部經管路進入第一級冷凝蒸發器H后冷凝,同樣進入氣液分離器進行分離,依次循環。最后,從蒸發器出來的R50蒸汽和冷凝蒸發器出來的R134a、R23、R14、R50蒸汽混合后進入吸氣管管路和各級換熱器回到壓縮機,完成整個循環。經過每一級蒸發冷凝器的溫度逐漸降低,直至最后一級蒸發器,蒸發溫度降到設計溫度。

圖1 四級復疊制冷的系統原理圖Fig1 The schematic diagram of four-stage auto-cascade refrigeration sysytem

(3)搭建實驗臺

通過熱力計算,對系統的各個部件進行選型和計算,包括主要部件壓縮機、冷凝器、蒸發器、蒸發冷凝器和回熱器,確定毛細管的長度、保溫層厚度,并對氣液分離器、干燥過濾器和膨脹容器等輔助部件進行設計,搭建實驗臺,進行實驗研究。

4 結論

(1)自動復疊制冷系統只用一臺壓縮機,結構簡單,運行可靠,費用較低,這對自動復疊制冷機的商業化非常有利。

(2)自動復疊循環可以獲得多個不同的蒸發溫度,用做多種不同的用途;對系統不做大的改動時,采用不同的混合工質也能得到不同的制冷溫度。

(3)選用非共沸混合工質R134a/R23/R14/R50作為制冷劑,經過不斷試驗,能夠達到我們所需要的溫度。但是對制冷劑的最佳配比是通過試驗得出的,因此對配比的優化有待進一步探討。

[1]韓潤虎.自然復疊制冷系統與低溫制冷[J].制冷學報,1999,04:59-61

[2]翁宇,周新麗,陳光明等.低溫冷凍干燥裝置的研制[J].深冷技術,2004,03:12-16

[3]陳國邦.新型低溫技術[M].上海:上海交通大學出版社,2003

[4]王雁.混合工質R134aR23物性及其自然復疊循環特性的理論研究[D].東南大學碩士論文,2005