混合工质节流制冷循环的优化原则及其应用

    1 引言

    节流制冷机是指利用制冷工质在摩擦流动中所产生的Joule-Thomson效应进行制冷的制冷装置。使用纯工质的单级蒸气压缩节流制冷机具有结构紧凑、可靠性好、热力学效率高等优点,可以满足不同的制冷量需要,是目前技术最成熟,使用极为广泛的制冷机形式之一。

    从本质上来说,混合工质可应用于任一使用纯工质的制冷机。早在1834年, Perkins就已将二氧化硫和乙醚组成的混合工质用于蒸气压缩式制冷机[1]。20世纪70年代以来,新型混合工质的应用,使历史悠久的节流制冷机在深度制冷方面有了极大的发展,并有着广阔的应用前景。

    由于用于深度制冷的混合工质节流制冷机大多采用非共沸混合工质,混合工质物性方程的高度非线性以及诸设计变量在其中的隐函数形式,使得设计变量与诸换热过程的热负荷、压缩机的功耗及循环的热力学完善度之间的关系难以用解析法进行准确的关联。又由于该类混合工质制冷机形式的多样性和复杂性,更增加了从理论上进行模拟和优化的难度。

    虽然已有国内外许多学者在这方面进行了一些理论探讨和实验研究[2~5],但所做的优化工作或者仅限于循环的局部优化,或者局限于特定的循环形式下的循环优化。而有关循环形式对循环性能影响及循环形式优化方面的研究则十分缺乏。

    为进一步改进混合工质深度制冷机的优化设计,本文讨论了包括循环形式在内的混合工质制冷循环的优化,归纳出切实可行的优化原则,为不同循环形式之间的比较和优化提供合理简便的比较基准。

    2 循环概述

    图1和图2给出了前述两大类混合工质节流制冷机的主要循环形式。

    单成分循环的特征是工质在循环过程中始终保持同一成分,又称单流循环。其中,基本循环是指工质在循环中没有内部换热过程的单成分循环。LHR循环(Linde-Hampson Refriger-ator,简称LHR)是指工质在循环中具有内部换热过程的单成分循环。

    多成分循环的特征是混合工质在循环过程中经过一次或多次的组元分离,使得整个循环中有两种以上成分的混合工质在同时流动和传递能量,该类循环又被称之为分离循环。由于具有复叠式制冷循环的特征,这类含有混合工质分离过程的制冷机又被称为自复叠式制冷机(Auto-Cascade Refrigerator,简称ACR)。

    当循环中的组元分离过程为平衡分离过程时, ACR循环又被称为分凝循环。按照分离的次数,分凝循环可分为一次分凝循环、二次分凝循环和多次分凝循环等(依次分别用ACR-Ⅰ、ACR-Ⅱ和ACR-n表示)。