节流阀开度对自复叠制冷循环冷凝蒸发器换热性能影响的试验研究

　　0 前言

　　采用非共沸混合制冷剂的自复叠制冷循环巧妙地利用了多级复叠的制冷原理，用一个普通压缩机在一个系统内实现了–150 ℃甚至更低温度的制冷，使多级复叠制冷系统大为简化。20 世纪 80 年代末美国 REVCO 公司据此原理研制成功–150 ℃的低温冰箱，并于 20 世纪 90 年代初投放市场[1]。在基本负荷型天然气液化装置中，用得最多的液化流程是美国 APCI 公司的丙烷预冷与采用非共沸混合制冷剂的自复叠液化组合流程(C3/ MRC)[2]。采用非共沸混合制冷剂的自复叠制冷循环还应用在 X射线探测器和 γ 射线探测器的冷却以及排放气体中挥发性气体的分离等领域[3]。此外环保型混合制冷剂也是 CFCs 替代方向之一[4]。文献[5]中指出自复叠式制冷循环系统具有低压缩比和容积效率高的优点，但存在非共沸混合制冷工质和换热器复杂、制冷剂的成分和浓度对系统的性能影响显著、要求压缩机有较大的排气量等缺点。此外由于换热设备多，换热过程复杂，有关冷凝蒸发器的研究尤其缺少。非共沸混合制冷剂在冷凝蒸发器内是变温的两相流换热过程，存在一个温度匹配问题[6]。两相流体之间的换热存在换热温差窄点，而温差的变化也造成了一定程度的可用能损失[7-8]。小型自复叠制冷循环多数是周期性启停的非稳态运行，运行过程中存在制冷剂的迁移，无法进行平衡状态的循环计算，且由于制冷量小、环境的热影响对测试结果的精确度影响显著。本文拟通过合理选择工质，使自复叠制冷循环的蒸发温度接近 0 ℃并与水换热，以便较精确测量制冷量，冷凝侧温度接近 100 ℃并与水换热，以便较精确测量冷凝器放热量，通过试验研究冷凝蒸发器内冷流体和热流体相变时沿程温差变化的规律，优化其温度匹配，减小其换热 损耗，提高自复叠制冷循环效率。

　　1 自复叠制冷循环试验系统

　　自复叠制冷循环流程如图 1 所示，混合工质从压缩机排出，经冷凝器的壳侧换热，被部分冷凝后进入气液分离器。在气液分离器中，低沸点组分含量多的蒸气往上流，进入冷凝蒸发器，这股气流称之为主流流体。液体部分在重力作用下向下流，称为支流流体，经过手动支流节流阀节流后，与从蒸发器出来的主流蒸气混合进入冷凝蒸发器的管侧，和壳侧主流流体进行热交换，壳侧主流蒸气被冷凝为液体后流出，再经主流节流阀进入蒸发器部分蒸发，吸收热量。最后两股工质混合后进入压缩机，从而完成整个循环。整套试验系统还包括 17 个温度测点，5 个压力测点，2 个流量测点和 2 个浓度采集点。

　　2 稳定工况自复叠制冷系统的 分析