一種多級(jí)自復(fù)疊制冷循環(huán)系統(tǒng)中制冷劑的成分分析

張書春，張華，趙巍

（上海理工大學(xué)，上海 200093）

0 引言

高新技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)了低溫、超低溫實(shí)驗(yàn)以及冷凍冷藏的技術(shù)的廣泛應(yīng)用，例如某些醫(yī)療藥品保存的樣品，航空航天工業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)，精密儀器的加工，天然氣液化等都需要在230 K～110 K 溫度范圍內(nèi)[1]，這些溫度用通常意義的單級(jí)制冷方式就很難達(dá)到。從上世紀(jì)50 年代開始，人們掀起了一股對(duì)新型混合工質(zhì)特別是非共沸混合工質(zhì)的研究的熱潮，這極大的推動(dòng)了單級(jí)壓縮節(jié)流制冷機(jī)在深冷領(lǐng)域的應(yīng)用從可能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。而在這種類型的制冷機(jī)中，ARC 制冷循環(huán)制冷機(jī)有著與眾不同的地位，從上世紀(jì)70 年代中期開始，基于ARC 循環(huán)的制冷機(jī)開始在美國首先進(jìn)入商用領(lǐng)域[2]。而在國內(nèi)，對(duì)于ARC 循環(huán)的研究起步較晚，很大部分研究仍然是集中在理論上[3-5]，而且取得一系列的研究成果。

1 多級(jí)自動(dòng)復(fù)疊系統(tǒng)

自動(dòng)復(fù)疊循環(huán)系統(tǒng)是在經(jīng)典復(fù)疊制冷的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)和優(yōu)化，它利用的仍然是復(fù)疊制冷的原理，不同的是將所有的壓縮過程通過一個(gè)壓縮機(jī)得以實(shí)現(xiàn)，沒有多個(gè)系統(tǒng)，這不僅簡化了結(jié)構(gòu)，也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

1.1 自動(dòng)復(fù)疊系統(tǒng)

自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)的精髓就是“單級(jí)壓縮，多級(jí)分凝，自動(dòng)復(fù)疊”，混合工質(zhì)在經(jīng)過一次壓縮后，實(shí)現(xiàn)了工質(zhì)的從高溫到低溫逐漸分離，并且利用高溫工質(zhì)冷卻低溫工質(zhì)，逐級(jí)降溫，最終由最低溫工質(zhì)進(jìn)行目標(biāo)溫度的制取。

自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)有兩種名稱，一種是用經(jīng)典復(fù)疊制冷循環(huán)的命名法來稱呼，另一種是根據(jù)循環(huán)中分凝級(jí)數(shù)來稱呼。

1.2 兩級(jí)與多級(jí)自動(dòng)復(fù)疊系統(tǒng)

如圖1 所示的就是一個(gè)兩級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)，這種循環(huán)的過程比較簡單，混合工質(zhì)首先被吸入壓縮機(jī)A，壓縮后進(jìn)入冷凝器B，在冷凝器中進(jìn)行部分冷凝后高溫工質(zhì)被冷凝為液體，而低溫工質(zhì)仍為氣態(tài)。從冷凝器出來的氣液混合物進(jìn)入氣液分離器C，在重力的作用下實(shí)現(xiàn)氣體與液體的自動(dòng)分離。液態(tài)的高溫工質(zhì)從氣液分離器底部流出，經(jīng)圖中左邊的節(jié)流閥D 節(jié)流，然后在蒸發(fā)冷凝器E 中蒸發(fā)吸熱，變成氣體后回到壓縮機(jī)吸氣管路。同時(shí)氣態(tài)的低溫工質(zhì)從氣液分離器的上部流出，經(jīng)過蒸發(fā)冷凝器時(shí)放熱，被冷凝成液體后經(jīng)節(jié)流裝置F 節(jié)流，進(jìn)入蒸發(fā)器E 中蒸發(fā)吸熱，變成氣體再和高溫工質(zhì)氣體混合，然后再次被吸入壓縮機(jī)，從而完成整個(gè)循環(huán)。

與之相對(duì)應(yīng)的多級(jí)自動(dòng)復(fù)疊系統(tǒng)就是在這基礎(chǔ)之上增加了一個(gè)或者多個(gè)的分凝支路，然后再增加所需的各種配件，就是一套新的多級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)系統(tǒng)。本文就以五級(jí)自動(dòng)復(fù)疊為例對(duì)其進(jìn)行說明。

圖2 所示就是一種五級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)圖。其循環(huán)過程在圖中都有標(biāo)注，這里就不再詳細(xì)描述。

對(duì)于五級(jí)自動(dòng)復(fù)疊系統(tǒng)，其復(fù)雜性是無需多言的，尤其是系統(tǒng)中成分運(yùn)行規(guī)律是最難掌握的。根據(jù)本次試驗(yàn)的要求我們就利用氣相色譜儀對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行研究與討論。

圖1 兩級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)圖

圖2 五級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)系統(tǒng)圖

1.3 制冷工質(zhì)的選擇

選擇自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)中混合工質(zhì)的原則主要有三點(diǎn)：(1)各成分間必須能互溶，在系統(tǒng)運(yùn)行中不能起化學(xué)反應(yīng)，更不能產(chǎn)生共沸效應(yīng)；(2)各組份標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)間的距離分布在(40～80)℃范圍內(nèi)；(3)混合工質(zhì)必須具有一定的溫度滑移區(qū)間。根據(jù)這三點(diǎn)要求，參考各物質(zhì)狀態(tài)參數(shù)表（見表1），本系統(tǒng)中選擇了R600a/R23/R14/R740/R728 這種組合。

表1 部分工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)表

1.4 制冷劑配比計(jì)算

本文利用NIST 8.0 計(jì)算軟件對(duì)制冷劑的配比進(jìn)行模擬計(jì)算，設(shè)計(jì)排氣壓力2.0 MPa，吸氣壓力0.25 MPa，蒸發(fā)溫度-140℃，經(jīng)過初步計(jì)算，確定充注制冷劑比例為 R600a/R23/R14/R740/R728=45/20/25/5/5。然后我們要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行以下的假設(shè)：

1)系統(tǒng)內(nèi)部制冷工質(zhì)流動(dòng)壓力損失忽略不計(jì)；

2)壓縮過程為絕熱等熵壓縮；

3)換熱器與系統(tǒng)外沒有熱量交換；

4)氣液分離器上下出口，制冷工質(zhì)質(zhì)量流量比為7:3；

5)氣液分離器中液體是純工質(zhì)，且氣液相溫度一致。

在此基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)計(jì)比例進(jìn)行校驗(yàn)計(jì)算。校驗(yàn)計(jì)算主要是對(duì)氣液分離器中的溫度，干度，壓力等進(jìn)行驗(yàn)算，看看該溫度下，兩相的分配是否與計(jì)算值一致。如不一致，則需進(jìn)行多次的迭代計(jì)算[3]，最終確定充注比例調(diào)整為：R600a/R23/R14/R740/R728=45/25/20/5/5。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

做完系統(tǒng)的檢漏、抽真空等準(zhǔn)備工作后，按照初步計(jì)算的比例 R600a/R23/R14/R740/R728=45/25/20/5/5 向系統(tǒng)內(nèi)充注制冷劑。此時(shí)系統(tǒng)最低溫度只有-103℃。然后對(duì)配比進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過調(diào)試后，系統(tǒng)運(yùn)行約7 h 達(dá)到穩(wěn)定，最低溫度為-123℃，排氣壓力為1.9 MPa，壓縮比保持在6.7，停機(jī)時(shí)系統(tǒng)壓力為1.2 MPa。如圖3 所示是各毛細(xì)管節(jié)流后的溫度曲線。

圖3 各級(jí)毛細(xì)管節(jié)流后的溫度

從圖3 中可以看出,系統(tǒng)的各級(jí)節(jié)流后降溫速度剛開始較快，達(dá)到其蒸發(fā)壓力對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)溫度后，各級(jí)降溫速度就會(huì)變緩，溫度隨著蒸發(fā)器出口溫度的降低而緩慢降低。而且可以看到，第二級(jí)毛細(xì)管后有一段明顯的波動(dòng)，其說明當(dāng)溫度達(dá)到其蒸發(fā)壓力對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)溫度后，系統(tǒng)中會(huì)有一段時(shí)間再進(jìn)行制冷劑的分配與調(diào)整，系統(tǒng)運(yùn)行情況不是確定的。

為了清楚地反映出系統(tǒng)中各級(jí)的成分狀況，我們利用氣象色譜儀對(duì)系統(tǒng)中的某些重要部位進(jìn)行成分分析與檢測(cè)?？紤]到最終級(jí)的溫度在123℃，暫且認(rèn)為R728，R740 沒有參與到蒸發(fā)過程中，所以這里選擇了壓縮機(jī)吸入口，第二級(jí)氣液分離器以及第五級(jí)毛細(xì)管出口三個(gè)采樣點(diǎn)。

由于氣象色譜儀的靈敏度太低，R23 不能在色譜儀中被正常檢驗(yàn)出來，所以，只考察R600a，R14，R740 和R728 等4 種工質(zhì)的運(yùn)行狀況。如圖4 所示就是上面所說3 個(gè)采樣點(diǎn)的分析圖譜。

圖4 三個(gè)采樣點(diǎn)的分析圖譜

經(jīng)過波峰的時(shí)間對(duì)比，圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)中的物質(zhì)分別為R14/R740/R600a，R14/R740，以及R14/ R740。從這三個(gè)圖中可以看出，系統(tǒng)中沒有檢測(cè)到R728 的蹤跡，說明氮?dú)鉀]有參與到循環(huán)中來，原因是，氮?dú)庠谙到y(tǒng)中實(shí)在太少了，它充注在系統(tǒng)中后，就滯留在系統(tǒng)中，未能參與循環(huán)。

從圖5 所示各采樣點(diǎn)的檢測(cè)報(bào)告中可以看出，系統(tǒng)中工質(zhì)在運(yùn)行過程中的量的分布。

圖5 中顯示出三個(gè)采樣點(diǎn)的工質(zhì)含量分別為：(a)R14/R740/R600a=35/60/5；(b)R14/R740=42/58；(c)R14/R740=22/78，該結(jié)果匯總于表2。從中可以看出，系統(tǒng)的循環(huán)過程中，吸入的R600a 量很少，在循環(huán)中R600a 大部分都是儲(chǔ)存在系統(tǒng)的前兩個(gè)氣液分離器中，為中溫制冷劑提供冷量。而從圖5(b)和圖5(c)的報(bào)告數(shù)據(jù)中可以看出R14 的量變化較大，蒸發(fā)器前的R14 氣體明顯少于第二級(jí)氣液分離器的量。同時(shí)察看第六級(jí)中間換熱器的出口溫度，如圖6 所示，實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)毛細(xì)管前的溫度為-116℃，可以看出最終進(jìn)入毛細(xì)管的R14 與R740 的混合物經(jīng)過節(jié)流后R14 的量比前幾級(jí)少，節(jié)流后部分的R14 液化，進(jìn)入蒸發(fā)器的是R14 與R740 的氣液兩相混合物。

圖5 各采樣點(diǎn)分析報(bào)告

表2 測(cè)試結(jié)果匯總

圖6 第六級(jí)中間換熱器進(jìn)出口溫度

3 結(jié)束語

本文通過對(duì)一種五級(jí)自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)的實(shí)驗(yàn)性研究，獲取了-123℃的低溫。對(duì)系統(tǒng)中混合工質(zhì)的運(yùn)行成分進(jìn)行了一些簡單的分析，了解了系統(tǒng)中的部分工質(zhì)運(yùn)行比例，對(duì)以后混合工質(zhì)在系統(tǒng)運(yùn)行中的成分分析提供了指導(dǎo)與建議。

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