三级自动复叠制冷系统的试验研究.doc

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1、三级自动复叠制冷系统的试验研究荆磊张华卢峰陆向阳摘要：搭建了一种三级自动复叠的制冷系统的研究装置，采用R134a/R23/R14混合制冷剂，两级分凝的制冷系统。对试验装置和混合制冷剂组分进行了优化试验。试验装置达到-100℃，制冷量达到38W。关键词：混合工质自动复叠循环0引言自动复叠循环制冷机结构紧凑，可靠性高，操作简便，在能源、军工、空间、生物、医疗和生命科学等高科技领域内有着广泛的应用。国内外学者纷纷对自动复叠制冷技术展开了新的研究。目前，自动复叠制冷循环呈现出新的发展特点[2-3]，对其研究主要集中在两个方面：一方面是对原有的制冷循环流程的改进，包

2、括采用新型换热器和高效气液分离器；另一方面则是采用新型的制冷工质，包括二元工质和多元工质，以满足环保和制取低温的要求。1三级自动复叠制冷系统针对本课题-100℃的制冷温度，选择单级压缩、两级分凝的制冷循环作为本课题的方案，原理性方案如1所示。图1三级自动复叠制冷循环实际系统示意图A-压缩机;B-冷凝器;C-干燥过滤器;D-高温级气液分离器;E-高温级节流阀;F-分凝换热器;G-高温级蒸发冷凝器;H-中温级气液分离器;I-中温级节流阀;J-分凝换热器;K-低温级蒸发冷凝器;L-低温级节流阀;M-蒸发器;N-膨胀容器;P-汇合点;Q-汇合点;1~30-测点膨胀

3、容器的作用在于降低机组停机后的平衡压力。低温、中温工质(如R14/R23)在常温下已经超过其临界温度，全部以气态形式存在，这会导致管道内平衡压力非常高，平衡压力过高带来如下后果：制冷管路破裂的可能性增大。压缩机启动时“油击”的几率增大。启动压力过高。分凝换热器的主要作用两个：一是进一步提纯低温组分的纯度，另一个是实现润滑油的分离。混合工质饱和气体的组分和温度的高低密切相关，温度越低其低温工质组分含量越高。2制冷剂的选择用于自动复叠循环的非共沸混合工质在循环过程中有其独特性的一面：自动实现各组分的分凝、分离和混合的过程，这决定了其循环过程完全不同于用于节能和

4、环保目的的一般混合工质。5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)和R170(乙烷)。对于复叠式制冷循环，R23适用的蒸发温度范围是-70～-110℃,R14适用的蒸发温度范围是-110～-140℃。综合考虑结合本文课题-100℃的制冷温度，选择了三种工质：R134a、R23、R14，其主要热物性质如表1所示[4]。这三种工质中均不含对臭氧层有破坏作用的Cl原子，R134a和R23的标准沸点相差55.9℃，R23和R14

5、的标准沸点相差45.8℃。表1三种工质的主要热物性参数工质分子式分子量ODPGWP标准沸点℃凝固温度℃临界温度℃临界压力MPa等熵指数R134aC2H2F4102.0000.2-26.2-101.05101.14.061.11R23CHF370.01014800-82.1-160.025.94.681.19R14CF488.010N/A-127.9-184.0-45.553.751.223实验台的搭建主要部件的设计选型，选用了Danfoss114H5534冷凝机组，在常规冷柜箱体的基础上，重新设计制作了内胆用于保温改造，制作了符合实验条件的低温箱体。节流设

6、备的选择与匹配和混合工质的换热计算是本章的两大难点，在理论计算指导与前期两级系统的经验相结合的基础上完成了毛细管和套管式换热器的选型。制冷循环运转期间需要实时记录30路温度数据和2路压力数据，整个测量系统的设计以实现这32个参数的自动记录、数据图像显示和数据库保存为目标（图2）。数据采集系统包含电量参数测量部分。AN7931A本身内置微控制器，可以实现与上位PC的基于RS-232协议的串行通讯。AN7931A仪表通过一根RS-232通讯电缆与主计算机的串行口连接。同样的，基于VisualBasic6.0语言我们设计了相应的软件程序。图2温度压力采集系统硬件

7、图4实验与实验结果分析循环系统启动后，R134a流、R23流、R14流的节流温度变化如图3所示和柜内温度如图4所示。图3R134a流、R23流、R14流的节流温度变化图4低温箱体的降温曲线实验台的性能测试在30℃环境温度下进行，系统启动4.5h后，柜温降至-100℃，制冷量为38W，运行COP=0.056。循环系统中有两个汇合点P和Q，R134a流和低温混合流在P点汇合成高温混合流，R23流和R14流在Q点汇合成低温混合流，其运行状态如图5所示。两股流体汇合时，如果不发生化学反应，得到的汇合流的温度介于两股支流的温度之间。但是从图5可以看到，开机运行约90

8、min内，高温混合流的温度t24始终低于其两个支流的温度t22和t