三級自動復疊制冷系統混合工質運行過程分析

肖麗媛，張華，張慶慶

（上海理工大學制冷與低溫工程研究所，上海 200093）

三級自動復疊制冷系統混合工質運行過程分析

肖麗媛*，張華，張慶慶

（上海理工大學制冷與低溫工程研究所，上海 200093）

本文分析了非共沸混合工質自動復疊制冷循環（ARC循環）的特點；設計了一個單級壓縮、兩級分凝、三級自動復疊的制冷系統，該系統能在-120 ℃的制冷工況下穩定運行。文中進行了循環特性分析，結合R134a/R23/R14三級自動復疊制冷系統理論模型以及R134a/R23/R14經典配比為65/20/15時實驗的運行數據，對冷凝器、蒸發冷凝器和分凝器中的混合工質運行過程進行了詳細的分析，并對設備各點進行了熱力計算，結果表明：冷凝器中要盡量達到最佳冷凝終止溫度；選用套管式換熱器可減少混合工質的充注量；增加分凝換熱器也使得系統的熱力學效率得到提高。

自動復疊制冷；混合工質；熱力計算

0 引言

自動復疊制冷系統循環技術（Auto-cascade Refrigeration Cycle，ARC）采用一個普通低溫壓縮機制取很低的溫度，其奧妙在于“一級壓縮，多級復疊，自動分離”，即混合工質一次壓縮后，在多級復疊管路中的多個冷凝蒸發器中逐級分離，使沸點最低的制冷劑進入蒸發器，制取預定的低溫。

ARC系統具有良好的適應性，在對硬件部分不做重大改變的情況下，通過選擇合適的混合物組成，不但可以獲得從-40 ℃～-200 ℃較廣的制冷溫度區間，特別適用于小型低溫裝置[1-3]，而且可以采用對臭氧無破壞作用的綠色工質，滿足環保的需要[4-5]。

ARC系統采用單壓縮機驅動，保持了單級蒸氣壓縮制冷循環的優點，同時具有結構簡單、性能可靠、壽命長、成本低等特點，并被廣泛應用于低溫電子、低溫醫學、低溫生物、軍工、紅外線探測等方面[6-8]。由于循環本身可以實現壓縮機的高效回油，很好地克服了常規深冷制冷機在回油方面的諸多弱點，實現了可靠性方面質的提升，成為低溫深冷制冷機的重要發展方向，是近年來國內外研究的熱點之一。朱軍韜和張華[9]對單級自動復疊制冷系統混合工質進行了理論模擬，芮勝軍等[10]對于兩級自復疊，三元混合工質的組分變化規律及運行特性進行了理論研究。陳林和張信榮[11]提出了CO2兩級復疊式循環概念并進行了實驗測試，余華明和徐言生[12]也比較分析了3種常用的自然復疊制冷系統的蒸發溫度、COP、壓縮機排氣溫度等運行參數特性。吳嘯等[13]在其研究的課題中詳細分析了自復疊制冷系統中關于氣液分離器液體溫度偏低、蒸發器內換熱系數和制冷量偏小的問題。本文基于非共沸混合工質的ARC循環的特點，分模塊對多元混合工質在不同設備中的運行過程進行了分析。

1 混合工質循環過程分析

隨著蒙特利爾議定書的嚴格執行，自動復疊節流制冷系統最早使用的混合制冷工質R12、R13和R21等已經被嚴格禁止使用[14]，因此需要研究適合于自動復疊制冷系統的新型替代工質。

適用于自動復疊制冷系統的混合工質組元沸點間距以40 ℃～80 ℃為宜，現適用的混合工質組元大致分為三類。1）高沸點制冷劑：R600a（Isobutene）、R134a（CF3CH2F）、R22（CHClF2）和R290（Propane）；2）中沸點制冷劑：R23（CHF3）、R32（CH2F2）、R170（Ethane）、R744（Carbon dioxide）和R1150（Ethylene）；3）低沸點制冷劑：R14（CF4）、R50（Methane）、R728（N2，Nitrogen）和R740（Ar，Argon）。本文所選用的3種工質熱物性參數見表1所示。

表1 工質熱物性參數表

圖1為一種常見三級自動復疊制冷系統示意圖，此循環系統選用R134a/R23/R14混合工質為制冷劑，過程如下：R134a/R23/R14混合制冷工質經過壓縮機壓縮后排入到冷凝器，在冷凝器中混合制冷工質溫度不斷降低，達到其露點溫度以后有液相析出，高沸點工質在冷凝器內大部分被冷凝為液體，中低沸點工質大部分仍然保持氣態；從冷凝器出來的氣液混合物中，氣相為富含R14的R134a/R23/R14混合工質，液相為富含R134a的R134a/R23混合工質（由實驗經驗，此時液相中的R14的含量很小，可以忽略）。氣液相混合工質經干燥過濾器后進入高溫級氣液分離器D，在重力作用下氣體與液體實現自動分離；液相R134a/R23混合工質經高溫級氣液分離器D底部送至高溫級節流閥E節流，然后與中溫級返回混合工質混合然后一同在高溫級冷凝蒸發器G低壓通道中蒸發制冷，蒸發后的氣體經分凝換熱器F進一步蒸發回到壓縮機吸氣管路；氣相R134a/R23/R14混合工質經高溫級氣液分離器D的上部進入分凝換熱器F進一步提純，大中沸點工質為液體而低沸點工質仍然保持氣態；從分凝換熱器F出來的R134a/R23/R14氣相混合工質經冷凝蒸發器G高壓通道變溫部分冷凝，出來的氣液混合物進入中溫級氣液分離器H，在重力作用下氣體與液體實現自動分離；中溫級混合工質過程與高溫級混合工質變化過程同理；最后，從低溫級冷凝蒸發器K中出來的富含R14的R23/R14液相混合工質經低溫級節流閥L節流后在蒸發器M低壓通道中蒸發制冷，釋放冷量后返回到中溫級，與中溫級氣節流后的點13混合工質混合繼續參與循環。

這種逐步冷凝和分離有許多優點：首先使工質有效的分離可以降低蒸發器的溫度滑移，減少蒸發器的能量損失；其次能使換熱器高低壓的水當量更好的匹配，減少換熱器的能量損失；再次潤滑油也可以被更好地分離，防止低溫端節流元件阻塞[15]。混合工質在系統中運行，初始充注混合工質組分摩爾比一般不等于系統運行過程中的混合工質摩爾比。本文若不做特別說明，混合工質摩爾比為系統運行時的摩爾比。

2 主要部件中混合工質運行過程分析

根據上面對冷凝器的分析過程，可以得到圖4變溫熱源時逆卡諾循環原理圖，其中蒸發器恒壓變溫過程與冷凝器恒壓變溫過程類似。冷凝時冷凝器中混合工質溫度分布變化趨勢，由Tk降到Tk’，而與之逆流的冷卻水蒸發是由To逐漸升高至To’，冷卻水與混合工質之間的溫差比經典逆卡諾循環的溫差有所減少，有利于傳熱過程，并且，由于變溫差傳熱的不可逆損失也相對于等溫相變過程有所減少，從而達到節能的目的。非共沸混合工質這種溫度滑移[18]的特殊特點，使得自動復疊制冷實際循環過程更接近勞倫茲循環，系統性能得到提高。圖5為非共沸混合制冷工質單級蒸氣壓縮制冷循環的T-s圖和lgP-h圖。

表2是根據本文模擬程序計算的混合工質隨冷凝溫度的組分表，冷凝壓力為2.3 MPa，溫度由實驗經驗從壓縮機出口380 K逐漸減小，三元混合工質R134a/R23/R14的運行組分質量配比為65/20/15。

圖4 變溫熱源時逆卡諾循環

圖5 非共沸混合工質單級壓縮循環的T-s圖和lgP-h圖

表2 混合工質在2.3 MPa時冷凝特性

2.2 冷凝蒸發器中混合工質運行過程分析

套管式冷凝蒸發器如圖6所示，且對應到三級自動復疊制冷系統圖1中的系統測量點。三元R134a/R23/R14氣相混合工質被壓縮機壓縮到冷凝壓力后，由點5進入冷凝蒸發器高壓側，在套管式換熱器中，一般把內管作為高壓側，夾層作為低壓側，這是因為低壓側蒸發時氣液混合工質的液體量較多，這樣安排有利于減少混合工質的充注量；之后經冷凝三元混合工質為氣液兩相從點6出。低壓側混合工質均為R134a/R23/R14氣液兩相從點18進入蒸發后點19出，且氣液相組分摩爾比不變，只是溫度降低。

3 結果分析

圖8 R134a/R23/R14 三級自動復疊制冷系統空間壓焓圖

4 結論

本文在三級自動復疊制冷系統實際實驗臺的基礎上，對實際系統中的冷凝器、冷凝蒸發器和分凝器中混合工質運行情況進行了詳細的分析說明，得到如下結論：

1）在冷凝器中要盡量達到最佳冷凝終止溫度，此時混合工質干度和氣液相組分摩爾比最佳，符合系統循環要求；

2）系統中選用套管式換熱器，把內管作為高壓側，夾層作為低壓側，這樣安排有利于減少混合工質的充注量；

3）系統中增加分凝換熱器，可以進一步提純低溫組分的純度，使工質在節流前充分預冷，降低節流損失而達到提高熱力學效率的目的。

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Analysis of Operating Condition about Mixed-refrigerant in Three Stage Auto-cascade Refrigeration System

XIAO Liyuan*1, ZHANG Hua, ZHANG Qingqing
(Institute of Refrigeration and Cryogenic Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The characteristics of non-azeotropic mixed-refrigerant in an auto-cascaded refrigeration cycle (ARC) are analyzed. A refrigeration system with a single stage compressor, two stage dephlegmation and three stage auto-cascaded cycle is designed, and this system can stably work under ?120oC. The characteristics and operation condition of the cycle are also analyzed based on the theoretical model and experiment date of three stage ARC system. Experiments are conducted under a composition ratio of R134a/R23/R14 of 65/20/15. Detailed information about the mixed-refrigerant in the condenser, the evaporative condenser and the dephlegmator are obtained through the model and experimental date. The result shows that the optimum condensing temperature should be achieved in the condenser; the double-tube heat exchanger is able to reduce the charge of mixed-refrigerant; the partial condensation heat exchanger improves the thermodynamic efficiency of the system.

Auto-cascade refrigeration; Mixtures; Thermodynamic calculation

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.01.202

*肖麗媛（1991-），女，在讀碩士研究生。研究方向：制冷與低溫工程。聯系地址：上海市楊浦區軍工路516號能源與動力工程動力一館，郵編：200093。聯系電話：15901792836。E-mail：593666515@qq.com。