《一种四级自动复叠制冷循环的试验研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种四级自动复叠制冷循环的试验研究（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 一种四级自动复叠制冷循环的试验研究 肖传晶1 刘红绍1 张华1 刘占杰2 白文涛2 (1 上海理工大学 制冷技术研究所,上海 200093, 2 海尔集团技术中心,青岛 233101) 摘 要 摘 要 提出了一种四级自动复叠制冷循环，搭建了相应的试验装置，选取了合理的混合工质及配比并成 功制取了140的低温。对系统各级节流特性进行分析，指出了混合工质配比对蒸发温度的影响。 关键字 关键字 自动复叠制冷循环 混合工质 低温冷柜 EXPERIMENTAL STUDY ON A FOUR - STAGE AUTO-CASCADE REFRIGERATION SYSTEM Xiao Chuanjin
2、g1 , Liu Hongshao1 , Zhang Hua1 , Liu Zhanjie2 , Bai Wentao2 (1. Institute of Refrigeration Technology ,University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China) (2. Haier Group,Qingdao 266010, China. ) Abstract In this article, a four-stage auto-cascade refrigeration cycle is devel
3、oped and the experimental system is established. Select the reasonable blend refrigerants and the proportioning of the blend refrigerants to Come to a -140 low temperatures successfully. All levels of the systems throttling characteristics have been analyzed. Also point out the effect of the proport
4、ioning of the blend refrigerants on evaporation temperature. KeyWords Auto-cascade refrigeration cycle blend Refrigerants Low-temperature freezer 0 引言 随着科技的发展，能源、军工、空间、生物、 医疗和生命科学等高科技领域对低温、超低温的要 求越来越高，自动复叠循环制冷机因其结构简单、 紧凑、可靠性高、成本低，成为实现40150 温区的主要方式之一，国内外学者纷纷对其进行 研究。美国REVCO公司利用自动复叠循环原理研制 出- 150的低温冰箱12
5、。然而REVCO公司的技术和工艺受到专利保护3,因而自行研制自动复叠低温冷柜就具有重大意义。本文提出一种四级自动复 叠制冷系统并进行试验研究，成功制取了140 作者简介：肖传晶， （1982- ） ，男，研究生 的低温并获得100W的冷量。 1 四级自动复叠制冷系统分析 本文搭建了一个四级自动复叠制冷循环试验台, 系统流程及测点的布置如图1所示, 混合工质采用 了R290/R23/R14/R50的非共沸混合工质。工作过程 如下: 混合工质经压缩机A压缩并排入冷凝器B, 在冷凝器中进行变温冷凝,其中高温工质R290基本 冷凝为液体,而其余工质仍然保持为气态。从冷凝 器出来的气液混合物进入回热器D
6、进一步冷凝，此 时绝大部分的R290和少量R23被冷凝为液体。 图 1 四级自动复叠制冷循环流程图 A压缩机；B冷凝器；C干燥过滤器；D回热器；E第一级气液分离器；F第一级节流阀；G第一级换热器；H第二级气液分离器；I第二级节流阀；J第二级换热器；K第三级气液分离器；L第三级节流阀；M第三级换热器；N蒸发器节流阀；O蒸发器；P膨胀容器 从回热器出来的气液混合物进入第一级气液分离 器E,在重力的作用下气体与液体实现自动分离。高 温工质R290和少量的R23液体经气液分离器底部送 至节流阀F节流,然后在第一级蒸发冷凝器G中蒸发 制冷,蒸发后的气体回到回热器中。中、低温工质 气体混合物经气液分离器E
7、的上部进入第一级换热 器G进行变温部分冷凝,其中绝大部分R23及少量 R14制冷工质冷凝为液体,而大部分R14及R50仍然 保持气态。从换热器G出来的气液混合物进入第二 级气液分离器H,在重力的作用下气体与液体实现 自动分离。R23及少量R14冷凝液经节流阀I节流后 在第二级换热器J中蒸发制冷,蒸发得到的气体回 到压缩机吸气管路。自气液分离器H上部流出的R14 级R50气体制冷剂在第二级换热器J中部分冷凝后 流入第三级气液分离器进行分离,其中大部分R14 及少量R50液体在重力的作用下与气体实现自动分 离，而后经节流阀L节流后在第三级换热器M中蒸发 制冷，而后回到压缩机吸气管路。自气液分离器K
8、 上部流出的R50气体制冷剂进入第三级换热器M降温冷凝，而后经节流阀N节流后进入蒸发器中蒸发 制冷，实现系统的制冷量。蒸发得到的气体进入吸 气管路,先后经过各级换热器及回热器后回到压缩 机,完成整个循环。 2 制冷剂的选择 自动复叠制冷循环要实现各工质组分的自动分 离，必须满足两个条件4：一是各组分的标准沸点要有一定的距离, 一般为4080 。另一个条件 是各组分之间不能形成共沸混合物。复叠式制冷循 环的高温部分使用的制冷剂,一般为R134a、R22、 R502,也可使用R1270 (丙烯)或R290(丙烷) 。低温 部分使用的制冷剂有: R23、R14、R1150 (乙烯)、 R170 (乙
9、烷)和R50(甲烷)。本文所做循环为四级自 动复叠制冷循环，根据各工质蒸发温度范围，选择 了四种制冷工质：R290、R23、R14、R50。其主要 热物性质如表15。 表1 工质主要热物性参数 工质 分子式 分子量M 标准沸点 () 凝固温度 () 临界温度 () 临界压力 (MPa) 绝热指数 k R290 C3H8 44.1 -42.17 -187.1 96.8 4.256 1.13 R23 CHF3 70.01 -82.2 -160.0 25.9 4.68 1.19 R14 CF4 88.01 -128.0 -184.0 -45.5 3.75 1.22 R50 CH4 16.04 -16
10、1.5 -182.8 -82.5 4.65 1.31 3 试验结果与分析 本系统采用3HP的泰康活塞式压缩机， 制作了绝 热性能良好的箱体，容积为140L，节流元件为毛细 管。在32环温下进行性能测试，柜内降温曲线如 图2，各级节流温度及蒸发器出口温度变化如图3所 示。 -160-140-120-100-80-60-40-200204060020040060080010001200时间/min温度/环境温度柜内温度图 2 柜内降温曲线图 -160-140-120-100-80-60-40-2002040020040060080010001200时间/min温度/测点6测点7测点8测点10图 3
11、 各级节流后温度变化图 由图2可以看出， 开机约7h冷柜内部温度由室温 降至138，最终温度为142。系统高低压力 稳定在20/1.7bar。 如图3所示， 各级节流温度在短时间内迅速降至 与蒸发压力对应的蒸发温度，而后随着蒸发器出口 温度的降低有一个缓慢的降温过程。箱体温度降 低，蒸发器出口的回流温度也随之降低，这意味着 进入M、J、G换热器的冷量也越来越多，从而有效 的降低了各级换热器的冷凝温度。冷凝温度降低，则气液分离器中液体的组分发生了一定的变化：第 一级气液分离器富含R290的液体中R23的含量有了 少许的增加，根据R290/R23温度浓度关系（图4） 可知节流后的温度降低。同理第二
12、、第三级气液分 离器液体中低沸点组分也有所增加，节流后温度降 低，即7、8点温度降低。 图 4 R290/R23 温度-浓度关系图 经过数次试验，发现一个现象，当前三种制冷 剂的质量比例发生变化，比如R290质量比例偏大一 点点， 则柜内温度就会急剧上升。 分析原因： 当R290 比例变大，则R290流中所含的R23质量比例变小， 节流后在换热器G中的蒸发温度变高，G中高压流的 冷凝效果变差，导致下一级的气液分离、冷凝效果 变差。逐级放大，最终导致蒸发器中蒸发温度急剧 上升。所以在复叠制冷系统中，特别是多级分离的 复叠系统中，制冷剂的比例要严格控制，这样才能 达到最佳制冷效果。 4 结论 本文
13、搭建四级自动复叠制冷循环系统，利用普 通的单活塞式压缩机成功制取了142的超低 温。分析了各级节流温度的变化情况以及对柜内温 度的影响，得出：由于自动复叠制冷系统是依靠非 共沸混合制冷剂的沸点不同而实现冷量由高温向 低温传递，进而制取高品质的超低温冷量，因此不 同的制冷剂成分以及配比对制冷循环会表现出不 同的制冷特性。冷量传递过程中，有一级出现不合 理情况，将会逐级传递、放大，最终蒸发温度出现 严重的偏移情况。 参 考 文 献 1 Kim S. G. . Experiment and simulation on the performance of an auto-cascade refrig
14、eration system using carbon dioxide as a refrigerant J . International Journal of Refrigeration, 2002 (25) : 19031101. 2 Di Novo. Cryo2refrigeration system P . U. S. Patent 4, 850, 1999. 3 Weng C. Non2CFC auto-cascade refrigeration system P .U. S. Patent 5, 408, 888. 1998. 4 陆朝云1. 混合工质自动复叠制冷循环的理论及试验研究A 上海理工大学硕士学位论文C 120001 5 吴业正,韩宝琦. 制冷原理及设备. 西安:西安交通大学出版社, 1997.
