R404A/R1150復疊式制冷系統(tǒng)實驗研究

劉松竹，江 斌，程 亮，劉 學，梁曉會

（軍事醫(yī)學研究院科研保障中心，北京 100850）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，低溫制冷機組得到廣泛應用，與此相關的制冷機組系統(tǒng)結構及制冷劑對系統(tǒng)性能影響的研究也日益廣泛。目前小型制冷機組結構主要采用單機制冷系統(tǒng)、單機自動復疊制冷系統(tǒng)、雙機復疊制冷系統(tǒng)幾種形式，對于-80℃以下低溫產(chǎn)品，基本采用雙機復疊式制冷系統(tǒng)結構，其制冷量大，系統(tǒng)結構復雜。雙機復疊式制冷系統(tǒng)主要由高溫級制冷系統(tǒng)和低溫級制冷系統(tǒng)2個部分組成，高溫級制冷系統(tǒng)為低溫級制冷系統(tǒng)提供冷量，每一部分都是一個完整的制冷系統(tǒng)，高溫級制冷系統(tǒng)與低溫級制冷系統(tǒng)之間通過蒸發(fā)冷凝器相互聯(lián)系（高溫級蒸發(fā)器作為低溫級冷凝器，故稱為蒸發(fā)冷凝器）。系統(tǒng)中高溫級制冷系統(tǒng)單級蒸發(fā)溫度一般不高于-40℃，低溫級制冷系統(tǒng)單級蒸發(fā)溫度一般在-60～-100℃。大量學者[1-5]對復疊式制冷系統(tǒng)的運行機理進行了深入的研究與探索，并已將成果成功應用于相關設備和產(chǎn)品中：卞荷潔等[6]利用制冷劑R22/R14自動復疊系統(tǒng)設計了-80℃低溫冰柜；胡春霞等[7]利用一種全串聯(lián)三級冷凝自動復疊制冷系統(tǒng)在低溫設備中達到了-100℃的制冷效果。同時部分學者[8-9]也對多元非共沸混合工質(zhì)自動復疊制冷系統(tǒng)進行了大量的理論與實驗研究，然而自復疊系統(tǒng)復雜的分離與混合特性決定了其整套系統(tǒng)制冷過程的復雜性。如何利用成熟可靠的復疊式制冷系統(tǒng)達到更低的制冷溫度是目前研究的一個熱點和難點。

目前，復疊式制冷系統(tǒng)高溫級制冷劑主要選用R134a和R404A，兩者均為常用的中低溫環(huán)保制冷劑；低溫級制冷劑主要選用R23和R508B，兩者均為氟化物，溫室效應大，全球變暖潛能值（GWP）高，其中R23為12 400，R508B為11 700。而R1150作為環(huán)保制冷劑，其全球變暖潛能值為20，遠遠低于常用氟化物制冷劑指標；R1150制冷劑標準沸點為-104℃，分別低于R23制冷劑（-82℃）和R508B制冷劑（-87.3℃）沸點值，在相同回氣壓力下能達到更低的蒸發(fā)溫度；R1150價格與R23相當，市場價格約100元/kg，R508B的價格約1 200元/kg。因此本文設計的復疊式制冷系統(tǒng)高溫級制冷劑充注常規(guī)使用的R404A，而低溫級選用環(huán)保制冷劑R1150，取代目前低溫級廣泛使用的R508B和R23氟化物制冷劑。

本實驗通過搭建小型復疊式低溫冷藏箱制冷系統(tǒng)，對R404A/R1150復疊制冷系統(tǒng)進行了實驗研究，驗證了所用環(huán)保制冷劑對低溫冷藏箱的制冷效果，為利用該復疊式制冷系統(tǒng)開展小型低溫制冷設備，如低溫冷凍干燥機、低溫冷阱、低溫冷藏箱[10-11]等的研究生產(chǎn)提供了一種技術路徑。

1 小型復疊式低溫冷藏箱制冷系統(tǒng)搭建

1.1 低溫冷藏箱制冷系統(tǒng)工作原理

低溫冷藏箱制冷系統(tǒng)為復疊制冷結構，高溫級制冷系統(tǒng)與低溫級制冷系統(tǒng)通過蒸發(fā)冷凝器串接。其中，高溫級制冷系統(tǒng)由高溫級壓縮機、冷凝器、過濾器、毛細管、蒸發(fā)冷凝器蒸發(fā)側組成，內(nèi)充R404A制冷劑，其工作流程如下：由高溫級壓縮機出來的高溫高壓制冷劑R404A蒸汽經(jīng)冷凝器冷凝后進入毛細管節(jié)流，節(jié)流后的汽液混合物在蒸發(fā)冷凝器中被冷凝側的高溫物質(zhì)汽化進入高溫級壓縮機吸氣側繼續(xù)被壓縮，完成高溫級制冷系統(tǒng)的制冷循環(huán)。低溫級制冷系統(tǒng)由低溫級壓縮機、油分離器、過熱冷卻器、蒸發(fā)冷凝器冷凝側、蒸發(fā)器、過濾器、膨脹容器組成，內(nèi)充R1150制冷劑，其工作流程如下：由低溫級壓縮機出來的高溫高壓R1150制冷劑經(jīng)油分離器分油后在過熱冷卻器中被預冷卻，然后進入蒸發(fā)冷凝器冷凝側被高溫級制冷劑進一步冷卻，經(jīng)毛細管節(jié)流后進入蒸發(fā)器吸熱，再進入低溫級壓縮機吸氣側被進一步壓縮，完成低溫級制冷系統(tǒng)的制冷循環(huán)。蒸發(fā)冷凝器采用板式換熱器，以增強高低溫級制冷系統(tǒng)間換熱效果。

小型復疊式低溫冷藏箱制冷系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 小型復疊式低溫冷藏箱制冷系統(tǒng)工作原理圖

1.2 低溫冷藏箱制冷系統(tǒng)主要部件選型參數(shù)

通過理論分析及大量預實驗驗證，在滿足小型冷藏箱制冷要求前提下，確定復疊式制冷系統(tǒng)相關部件選型參數(shù)如下：

（1）高溫級壓縮機、低溫級壓縮機均為恩布拉克2140E壓縮機，功率560 W。

（2）高溫級蒸發(fā)器是翅片式風冷蒸發(fā)器，換熱面積為3 m2。

（3）蒸發(fā)冷凝器為板式換熱器LM014，30片型，換熱面積為0.42 m2。

（4）節(jié)流裝置采用毛細管，高溫級毛細管內(nèi)徑1.05 mm，低溫級毛細管內(nèi)徑0.65 mm。

（5）油分離器為亞冠S4000油分離器，能夠保證壓縮機高壓端制冷劑中的冷凍機油返回到壓縮機，保護壓縮機不流失機油，防止冷凍油流向系統(tǒng)中影響冷凝器散熱功能。

（6）過濾器為丹佛斯DCL032型過濾器，防止雜質(zhì)堵塞毛細管。

（7）低溫冷藏箱整體結構采用制冷機組與箱體分置式結構。箱體采用內(nèi)外帶夾層結構，箱體內(nèi)部容積為 80 L（400 mm×400 mm×500 mm），內(nèi)外層板材選用厚度為1 mm不銹鋼板；夾層采用聚氨酯發(fā)泡填充，填充厚度為100 mm，保溫效果滿足要求。箱體部分包含低溫級蒸發(fā)器，其采用長度為10 m、直徑為Φ8 mm的紫銅管以蛇形盤管形式繞制于箱體內(nèi)腔鋼板外側，用于給箱體內(nèi)部降溫，通過銅管與低溫級毛細管和壓縮機回氣口相連接。復疊式制冷機組單獨置于冷藏箱外部。

2 實驗

2.1 實驗方法

2.1.1 實驗參數(shù)優(yōu)化

在搭建復疊式制冷系統(tǒng)后，需進一步通過實驗確定制冷劑充注量及毛細管長度，兩者是直接影響制冷效果的關鍵參數(shù)。參數(shù)確定過程如下：實驗初始階段在高溫級制冷系統(tǒng)加入R404A制冷劑350 g、低溫級制冷系統(tǒng)加入R1150制冷劑120 g后，啟動系統(tǒng)運行并實時記錄高溫級制冷系統(tǒng)排氣壓力、吸排氣溫度和回氣溫度，低溫級制冷系統(tǒng)吸排氣壓力、吸排氣溫度、蒸發(fā)盤管溫度，冷藏箱內(nèi)溫度等過程參數(shù)，確定系統(tǒng)運行性能。在未達到目標要求情況下，多次改進優(yōu)化制冷劑充注量與毛細管長度匹配關系，并最終實現(xiàn)低溫冷藏箱最佳制冷效果，達到預期制冷目標，且系統(tǒng)運行穩(wěn)定。最終確定參數(shù)：高溫級制冷系統(tǒng)加注R404制冷劑285 g，低溫級制冷系統(tǒng)加注R1150制冷劑93 g；高溫級制冷系統(tǒng)毛細管內(nèi)徑10.5 mm、毛細管長度150 mm，低溫級制冷系統(tǒng)毛細管內(nèi)徑0.65 mm、毛細管長度110 mm。停機待系統(tǒng)穩(wěn)定恢復常溫狀態(tài)后重啟機器進行數(shù)據(jù)記錄。

2.1.2 實驗數(shù)據(jù)采集

實驗過程中記錄制冷系統(tǒng)壓縮機排氣溫度和排氣壓力、吸氣壓力、回氣溫度、蒸發(fā)盤管溫度、冷藏箱內(nèi)溫度，分析制冷系統(tǒng)運行情況與制冷效果。

復疊式制冷系統(tǒng)中高溫級制冷系統(tǒng)為低溫級制冷系統(tǒng)提供冷量，低溫冷藏箱制冷系統(tǒng)運行需要逐級啟動。首先啟動高溫級制冷系統(tǒng)，待運行15 min左右溫度穩(wěn)定后，再啟動低溫級制冷系統(tǒng)，此時低溫冷藏箱箱內(nèi)溫度開始下降。人工記錄制冷過程中溫度和壓力變化數(shù)據(jù)，包括高溫級制冷系統(tǒng)排氣壓力和吸排氣溫度、低溫級制冷系統(tǒng)吸排氣壓力和吸排氣溫度，用于考察系統(tǒng)運行狀態(tài)和穩(wěn)定性。記錄間隔為前3 h內(nèi)每1 min記錄一次數(shù)據(jù)，運行3 h后每1 h記錄一次數(shù)據(jù)。壓力測量點為高、低溫級制冷系統(tǒng)的高壓側和低壓側，實驗壓力采集用高、低壓油表，量程分別為-0.1～3.5和-0.1～1.8 MPa，測量精度為0.1 MPa；壓縮機排氣溫度測量點為壓縮機排氣口銅管外壁，回氣溫度測量點為壓縮機回氣口銅管外壁，低溫級制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度測量點為毛細管出口處，箱內(nèi)溫度測量點為冷藏箱內(nèi)中心點，溫度測量儀表選用FLUCK52Ⅱ溫度計，其量程為-250～400℃，測溫精度為0.1℃。

2.2 實驗結果

2.2.1 高溫級制冷系統(tǒng)運行情況

高溫級制冷系統(tǒng)排氣溫度和排氣壓力變化曲線分別如圖2、3所示。由圖中可以看出，高溫級制冷系統(tǒng)啟動后，系統(tǒng)制冷量加大，其排氣溫度和排氣壓力隨之升高。同時隨著低溫級制冷系統(tǒng)的啟動，高溫級制冷系統(tǒng)的冷量需求量逐步達到最高值，相應高溫級系統(tǒng)的排氣溫度和排氣壓力也分別達到72℃和13.0 kgf/cm2（1 kgf/cm2=9.8×104Pa）的峰值；之后，隨著低溫級制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度和冷藏箱內(nèi)溫度降低，制冷系統(tǒng)所需冷量下降，高溫級制系統(tǒng)的排氣溫度和排氣壓力開始逐步下降，到最后低溫級制冷系統(tǒng)箱體內(nèi)部溫度穩(wěn)定，制冷系統(tǒng)冷量趨于穩(wěn)定，高溫級制冷系統(tǒng)的排氣溫度和排氣壓力也隨之趨于穩(wěn)定，排氣溫度維持在67℃左右，排氣壓力穩(wěn)定在12.3 kgf/cm2。在整個工作過程中排氣溫度和排氣壓力在正常值范圍內(nèi)，確保高溫級制冷系統(tǒng)工作正常。

圖2 高溫級制冷系統(tǒng)排氣溫度變化曲線

圖3 高溫級制冷系統(tǒng)排氣壓力變化曲線

高溫級制冷系統(tǒng)回氣溫度變化曲線如圖4所示。由圖中可以看出，隨著低溫級制冷系統(tǒng)的啟動，高溫級制冷系統(tǒng)回氣溫度逐步上升，由初始的-36℃逐漸上升到最高值-32℃。之后，隨著低溫級制冷系統(tǒng)冷量需求減少，高溫級制冷系統(tǒng)的回氣溫度再次降低，最后穩(wěn)定在-34℃。在整個工作過程中，回氣溫度穩(wěn)定，制冷系統(tǒng)運行正常。

圖4 高溫級制冷系統(tǒng)回氣溫度變化曲線

2.2.2 低溫級制冷系統(tǒng)運行情況

與低溫級制冷系統(tǒng)制冷效果、運行穩(wěn)定性、可靠性相關的數(shù)據(jù)包括排氣溫度、排氣壓力和吸氣壓力。

低溫級制冷系統(tǒng)的排氣溫度變化曲線如圖5所示。由圖中可以看出，低溫級制冷系統(tǒng)的排氣溫度隨著壓縮機的啟動由初始的25℃開始升高，達到峰值88.4℃后緩慢回落，隨后趨于平穩(wěn)，并穩(wěn)定在83℃左右。

圖5 低溫級制冷系統(tǒng)排氣溫度變化曲線

低溫級制冷系統(tǒng)排氣壓力變化曲線如圖6所示。由圖中可以看出，排氣壓力隨著低溫級壓縮機啟動開始變化，15 min后由初始的15.5 kgf/cm2下降到15.3 kgf/cm2，運行90 min左右達到峰值16.4 kgf/cm2，之后隨制冷系統(tǒng)冷量需求減少逐漸降低，待運行5 h后，低溫級制冷系統(tǒng)排氣壓力又回到15.5 kgf/cm2。

圖6 低溫級制冷系統(tǒng)排氣壓力變化曲線

由低溫級制冷系統(tǒng)排氣溫度與排氣壓力變化可以看出低溫級制冷系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

低溫級制冷系統(tǒng)吸氣壓力變化曲線如圖7所示。由圖中可以看出，低溫級壓縮機啟動后吸氣壓力突然降低，1 min內(nèi)由停機平衡時系統(tǒng)內(nèi)部壓力迅速降低到0.6kgf/cm2，之后隨著制冷系統(tǒng)冷量需求的加大，低溫級制冷系統(tǒng)吸氣壓力開始上升，并在峰值1.4 kgf/cm2處維持近1.5 h后開始回落，直到低溫級制冷系統(tǒng)啟動5 h后回到1.0 kgf/cm2。

圖7 低溫級制冷系統(tǒng)吸氣壓力變化曲線

低溫級制冷系統(tǒng)蒸發(fā)盤管溫度隨著低溫級制冷系統(tǒng)啟動快速下降，運行10 min由19℃降到-90℃，運行20 min降到-97℃，維持35 min后緩慢下降至-98℃，運行130 min后緩慢下降到-100℃，溫度略微振蕩后最終維持在-100℃，如圖8所示。

圖8 低溫級制冷系統(tǒng)蒸發(fā)盤管溫度變化曲線

在系統(tǒng)運行過程中低溫級制冷系統(tǒng)排氣溫度、排氣壓力、吸氣壓力與蒸發(fā)盤管溫度變化符合運轉過程變化特性，均在正常值范圍以內(nèi)，表明低溫級制冷系統(tǒng)運行正常，能達到設計溫度。

2.2.3 冷藏箱箱內(nèi)溫度

冷藏箱箱內(nèi)溫度是評價本文所研究的R404A/R1150復疊式制冷系統(tǒng)制冷效果的關鍵。

冷藏箱箱內(nèi)溫度變化曲線如圖9所示。由圖中可以看出，復疊式制冷系統(tǒng)啟動1 h內(nèi)箱內(nèi)溫度即由初始溫度18.6℃快速下降到-45.3℃，之后的2 h內(nèi)又進一步下降到-90℃，直到系統(tǒng)運行5 h后箱內(nèi)溫度下降到-95℃。

圖9 低溫冷藏箱箱內(nèi)溫度變化曲線

3 結論

為研究復疊式制冷系統(tǒng)中低溫制冷系統(tǒng)的低溫工質(zhì)替代問題，本文在目前普遍使用 R508B、R23 等制冷劑情況下，采用更加環(huán)保、經(jīng)濟、制冷性能更好的R1150作為復疊式制冷系統(tǒng)低溫級制冷劑，并對R404A/R1150復疊式制冷系統(tǒng)運行過程進行了實驗研究，實驗結果表明：

（1）本文實驗用R404A/R1150復疊制冷系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

（2）當高溫級制冷系統(tǒng)的回氣溫度穩(wěn)定在-34℃時，整機制冷效果最好，系統(tǒng)達到預定蒸發(fā)溫度。

（3）系統(tǒng)在穩(wěn)定運行情況下，實現(xiàn)了-100℃的蒸發(fā)溫度和-95℃的冷藏箱箱內(nèi)溫度，表明R404A/R1150復疊式制冷系統(tǒng)達到預期制冷效果。

（4）系統(tǒng)采用碳氫制冷劑R1150作為低溫級制冷劑，不僅滿足環(huán)保要求，還能達到更低的蒸發(fā)溫度。

（5）低溫級制冷系統(tǒng)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(tǒng)制冷效率。后續(xù)將針對非共沸混合制冷劑作為低溫級制冷系統(tǒng)制冷劑開展系統(tǒng)性能的分析評價。

綜上所述，以環(huán)保制冷劑R1150為低溫制冷劑的復疊式制冷系統(tǒng)制冷效果良好、運行穩(wěn)定可靠，可應用于中小型低溫制冷設備中。