R404A/R508B復(fù)疊式超低溫制冷系統(tǒng)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(shè)集團有限公司 安徽合肥 230000

相對于單機制冷系統(tǒng)或者單機復(fù)疊式制冷系統(tǒng)來說，雙機復(fù)疊式制冷系統(tǒng)能夠提供相對充足的制冷量[1]，但不足之處是其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，零部件較多，體積較大，導(dǎo)致雙機復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的實現(xiàn)較為困難。目前，雙機復(fù)疊式制冷系統(tǒng)由兩部分組成，一部分為高溫端制冷系統(tǒng)，另一部分為低溫端制冷系統(tǒng)，兩套制冷系統(tǒng)都是完整的系統(tǒng)，其中高溫端的蒸發(fā)器可以視為通過套管為低溫端的冷凝器降溫。

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

大部分學(xué)者研究的復(fù)疊式制冷系統(tǒng)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(yīng)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(huán)保制冷劑R508B。

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

1 復(fù)疊式低溫制冷系統(tǒng)搭建

1.1 低溫制冷系統(tǒng)工作原理

低溫端制冷系統(tǒng)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(fā)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(jīng)毛細管節(jié)流后進入蒸發(fā)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(tǒng)間換熱效果。

1.2 主要部件選型及參數(shù)

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(fù)疊式制冷系統(tǒng)相關(guān)部件參數(shù)。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(fēng)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(tǒng)中的節(jié)流裝置采用的是丹佛斯熱力膨脹閥，低溫端制冷系統(tǒng)中的節(jié)流裝置采用的是毛細管，長度為300mm，內(nèi)徑為1mm；為了防止雜質(zhì)堵塞毛細管，干燥過濾器為丹佛斯干燥器；恒溫槽整體結(jié)構(gòu)采用制冷機組與箱體分置式結(jié)構(gòu)。恒溫槽分為上下兩部分，上部為液體槽，下部為制冷系統(tǒng)裝置，低溫端蒸發(fā)盤管浸入液體槽中，且槽內(nèi)加入酒精工質(zhì)，本制冷系統(tǒng)的目的是使酒精工質(zhì)降溫至-80℃。液體槽內(nèi)容積為16L，采用不銹鋼板焊接而成，且中間充注聚氨酯發(fā)泡，滿足其保溫要求。

2 實驗結(jié)果

2.1 高溫端制冷系統(tǒng)運行情況

高溫端制冷系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)蒸發(fā)溫度到達-33℃時，溫度開關(guān)啟動，隨后低溫端制冷系統(tǒng)啟動，高溫端制冷系統(tǒng)的冷量需求量逐步達到最高值，相應(yīng)高溫端系統(tǒng)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(tǒng)排氣溫度變化曲線

圖3 高溫端制冷系統(tǒng)回氣溫度變化曲線

隨著低溫端制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度和恒溫槽內(nèi)溫度降低，制冷系統(tǒng)所需冷量趨于穩(wěn)定，高溫端制系統(tǒng)的排氣溫度和排氣壓力開始逐步下降，到最后低溫端制冷系統(tǒng)槽內(nèi)部溫度穩(wěn)定，制冷系統(tǒng)冷量趨于穩(wěn)定，高溫端制冷系統(tǒng)的排氣溫度和氣壓力也隨之趨于穩(wěn)定，排氣溫度維持在65℃左右，排氣壓力穩(wěn)定在12bar左右。

2.2 低溫端制冷系統(tǒng)運行情況

低溫端制冷系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)運行趨于穩(wěn)定，排氣溫度也隨后趨于平穩(wěn)，并穩(wěn)定在69℃左右。

圖4 低溫端制冷系統(tǒng)排氣溫度變化曲線

低溫端制冷系統(tǒng)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(tǒng)性能趨于穩(wěn)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(wěn)定。由低溫端制冷系統(tǒng)排氣溫度與排氣壓力變化可以看出低溫端制冷系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

圖5 低溫端制冷系統(tǒng)排氣壓力變化曲線

低溫端制冷系統(tǒng)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(tǒng)運行平穩(wěn)，吸氣壓力隨之回落并穩(wěn)定在1bar左右。

圖6 低溫端制冷系統(tǒng)吸氣壓力變化曲線

由圖7可以看出，隨著低溫端制冷系統(tǒng)的啟動，其蒸發(fā)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(wěn)定的維持在-86.5℃左右。

圖7 低溫端制冷系統(tǒng)蒸發(fā)盤管溫度變化曲線

3 結(jié)論

本文針對恒溫槽的R404A/R508B復(fù)疊式制冷系統(tǒng)進行實驗探索，通過在恒溫槽中搭建R404A/R508B復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，調(diào)整物性參數(shù)，并觀察記錄高、低溫端制冷系統(tǒng)的各項運行參數(shù)，客觀評價制冷系統(tǒng)的運行狀況并得出實驗結(jié)果：

(1)R508B環(huán)保制冷劑完全能夠?qū)崿F(xiàn)制冷目標，是R13及R23制冷劑的良好替代；

(2)本制冷系統(tǒng)實現(xiàn)了-86.9℃的蒸發(fā)溫度和-80.2℃的恒溫槽內(nèi)溫度，實驗證明，使用R404A/R508B制冷劑的復(fù)疊式制冷系統(tǒng)能夠滿足恒溫槽制冷要求；

(3)低溫端制冷系統(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。