R404A/R508B復疊式超低溫制冷系統試驗研究

賈卿晨 王雪晨

1.合肥智測電子有限公司 安徽合肥 230000；2.安徽水安建設集團有限公司 安徽合肥 230000

相對于單機制冷系統或者單機復疊式制冷系統來說，雙機復疊式制冷系統能夠提供相對充足的制冷量[1]，但不足之處是其結構較為復雜，零部件較多，體積較大，導致雙機復疊式制冷系統的實現較為困難。目前，雙機復疊式制冷系統由兩部分組成，一部分為高溫端制冷系統，另一部分為低溫端制冷系統，兩套制冷系統都是完整的系統，其中高溫端的蒸發器可以視為通過套管為低溫端的冷凝器降溫。

在對復疊式制冷系統的運行機理進行的研究與探索中，劉寒等[2]依托R404A/R23復疊式超低溫制冷試驗臺，采用控制單一變量的方法，對復疊式制冷循環中一系列制冷系數的影響進行了研究和探索；汪磊等[3]通過搭建R404A/R23復疊式壓縮制冷系統，探索了中間溫度對制冷系統中其他性能參數的影響；胡春霞等[4]通過搭建的復疊式制冷系統對多級制冷系統的性能進行了深入的研究。

大部分學者研究的復疊式制冷系統中低溫端制冷劑主要選用R13或R23，兩者均為氟化物，溫室效應大，且R508B制冷劑標準沸點為-87.3℃，分別低于R13制冷劑(-81.4℃)和R23制冷劑(-82℃)的沸點值，因此，本文低溫端選用環保制冷劑R508B。

本實驗針對恒溫槽的R404A/R508B復疊式制冷系統進行實驗探索，通過在恒溫槽中搭建R404A/R508B復疊式制冷系統，調整物性參數，并觀察記錄高低溫端制冷系統的各項運行參數，驗證R508B制冷劑在復疊式制冷系統中的制冷效果。

1 復疊式低溫制冷系統搭建

1.1 低溫制冷系統工作原理

低溫端制冷系統由低溫端壓縮機、油液分離器、過熱冷卻器、中間換熱器(即為低溫端冷凝器)、干燥過濾器、毛細管、蒸發器組成，使用R508B制冷劑，其工作流程如下：由低溫端壓縮機出來的高溫高壓R508B過熱蒸汽，在過熱冷卻器中進行提前降溫，隨后，高溫高壓R508B過熱蒸汽進入中間換熱器被高溫端制冷劑進一步冷凝為高壓過冷液體，高壓過冷液體經毛細管節流后進入蒸發器吸熱汽化為低溫低壓氣體，最后被吸入低溫端壓縮機壓縮為高溫高壓過熱蒸汽。

本實驗中的中間換熱器采用套管同軸換熱器，以增強高、低溫端制冷系統間換熱效果。

1.2 主要部件選型及參數

通過計算以及實驗驗證，以確保恒溫槽制冷性能達到要求為目標，確定本復疊式制冷系統相關部件參數。其中，高溫端壓縮機、低溫端壓縮機均為思科普SC21CL壓縮機，功率1600W；高溫端冷凝器是翅片式風冷冷凝器，換熱面積為9m2；中間換熱器為套管同軸換熱器，換熱面積為1.3m2；高溫端制冷系統中的節流裝置采用的是丹佛斯熱力膨脹閥，低溫端制冷系統中的節流裝置采用的是毛細管，長度為300mm，內徑為1mm；為了防止雜質堵塞毛細管，干燥過濾器為丹佛斯干燥器；恒溫槽整體結構采用制冷機組與箱體分置式結構。恒溫槽分為上下兩部分，上部為液體槽，下部為制冷系統裝置，低溫端蒸發盤管浸入液體槽中，且槽內加入酒精工質，本制冷系統的目的是使酒精工質降溫至-80℃。液體槽內容積為16L，采用不銹鋼板焊接而成，且中間充注聚氨酯發泡，滿足其保溫要求。

2 實驗結果

2.1 高溫端制冷系統運行情況

高溫端制冷系統排氣溫度和排氣壓力變化曲線分別如圖1、圖2所示。由圖中可以看出，高溫端制冷系統啟動后，其制冷量逐漸增大，其排氣溫度和排氣壓力隨之升高，當高溫端制冷系統蒸發溫度到達-33℃時，溫度開關啟動，隨后低溫端制冷系統啟動，高溫端制冷系統的冷量需求量逐步達到最高值，相應高溫端系統的排氣溫度和排氣壓力也分別達到73.4℃和15.6bar的峰值。

圖1 高溫端制冷系統排氣溫度變化曲線

圖3 高溫端制冷系統回氣溫度變化曲線

隨著低溫端制冷系統蒸發溫度和恒溫槽內溫度降低，制冷系統所需冷量趨于穩定，高溫端制系統的排氣溫度和排氣壓力開始逐步下降，到最后低溫端制冷系統槽內部溫度穩定，制冷系統冷量趨于穩定，高溫端制冷系統的排氣溫度和氣壓力也隨之趨于穩定，排氣溫度維持在65℃左右，排氣壓力穩定在12bar左右。

2.2 低溫端制冷系統運行情況

低溫端制冷系統的排氣溫度變化曲線如圖4所示。從圖4可以得出，隨著低溫壓縮機的啟動，低溫端制冷系統的排氣溫度由常溫逐漸增大，在近80分鐘后達到頂峰79.3℃，隨后由于制冷系統運行趨于穩定，排氣溫度也隨后趨于平穩，并穩定在69℃左右。

圖4 低溫端制冷系統排氣溫度變化曲線

低溫端制冷系統排氣壓力變化曲線如圖5所示。由圖中可以看出，排氣壓力隨著低溫端壓縮機啟動開始變化，10min壓力達到11.3bar且逐漸上升，在75分鐘初達到峰值15.8bar，隨后，由于制冷系統性能趨于穩定，制冷量的需求也隨之減少，其排氣壓力由峰值逐漸降低至12.3bar左右，且趨于穩定。由低溫端制冷系統排氣溫度與排氣壓力變化可以看出低溫端制冷系統運行穩定。

圖5 低溫端制冷系統排氣壓力變化曲線

低溫端制冷系統吸氣壓力變化曲線如圖6所示。由圖中可以看出，隨著低溫端壓縮機的啟動，因為制冷量需求的不斷增加，其吸氣壓力也隨之上升，且在1小時左右達到峰值1.5bar，隨后由于系統運行平穩，吸氣壓力隨之回落并穩定在1bar左右。

圖6 低溫端制冷系統吸氣壓力變化曲線

由圖7可以看出，隨著低溫端制冷系統的啟動，其蒸發盤管的溫度也隨之迅速降低，運行10min由11.2℃降到-67.9℃，溫降接近80℃，運行40min降到-85℃，溫度較為穩定的維持在-86.5℃左右。

圖7 低溫端制冷系統蒸發盤管溫度變化曲線

3 結論

本文針對恒溫槽的R404A/R508B復疊式制冷系統進行實驗探索，通過在恒溫槽中搭建R404A/R508B復疊式制冷系統，調整物性參數，并觀察記錄高、低溫端制冷系統的各項運行參數，客觀評價制冷系統的運行狀況并得出實驗結果：

(1)R508B環保制冷劑完全能夠實現制冷目標，是R13及R23制冷劑的良好替代；

(2)本制冷系統實現了-86.9℃的蒸發溫度和-80.2℃的恒溫槽內溫度，實驗證明，使用R404A/R508B制冷劑的復疊式制冷系統能夠滿足恒溫槽制冷要求；

(3)低溫端制冷系統回氣壓力比較大，減小了壓縮機的吸氣容積，從而降低了系統制冷效率。