R23/R134a自然复叠制冷系统研究

　　1 前言

　　非共沸混合工质自复叠制冷技术是当前制冷领域研究的热点课题之一，自然复叠制冷系统( ACR) 是实现 -40 ～ - 150℃温区制冷的一种方式[1 ～3]。它仅采用单台压缩机进行一次压缩，利用混合工质中不同组元沸点不同的特性，使混合工质自然分离、分别节流，达到复叠制冷的效果。根据所需的蒸发温度以及混合工质中组元数和物理性质的不同，有一级分凝、二级分凝和多级分凝自然复叠制冷系统。

　　图 1 是基本的单级压缩一级分凝自然复叠制冷系统。其工作原理为: 混合工质从压缩机排出，进入冷凝器，在冷凝器中，高沸点工质大部分被冷凝为液体，而低沸点工质和少部分未冷凝的高沸点工质仍然为气体，它们进入气液分离器后，在重力的作用下液体同蒸气分离。液体从气液分离器底部流出，通过节流阀节流降压，与蒸发器出来的气体混合一同进入蒸发冷凝器，在其中蒸发吸热冷却从气液分离器上部出来的低沸点制冷剂气体; 低沸点气体冷凝后成为液体，经低温级节流阀节流降压，进入蒸发器蒸发制冷，达到所需要的低温。可以看出低沸点组分和高沸点组分分别形成一个循环，这两个循环通过蒸发冷凝器联系起来，冷凝蒸发器既是高沸点组分循环的蒸发器，也是低沸点组分循环的冷凝器，从而实现了自然复叠。与传统复叠制冷系统相比，减少了一台压缩机，降低了成本。

　　一般 -80℃左右的低温需要一至二级分凝自然复叠，-150℃左右的低温需要三至四级分凝自然复叠。在多级分凝自然复叠系统中，高沸点组分和低沸点组分在各级气液分离器中逐级分离，通过多级复叠实现了多个蒸发温度，直到沸点最低的组分进入蒸发器，得到所需的低温。图 2 所示为单级压缩多级( n 级) 分凝自然复叠制冷循环流程图。

　　2 制冷剂的选择

　　自然复叠制冷系统制冷工质的选取的合理性对系统可靠运行非常重要，它直接影响系统的制冷效果和运行经济性。常规制冷空调系统对制冷剂的要求和选用制冷剂的基本原则也适用于自然复叠制冷系统，也是选择混合工质各组元时最先要考虑的条件和原则。在自然复叠制冷系统中，要实现系统的自然复叠，混合工质的有效分离至关重要。两种混合工质沸点的间距越大，越容易通过冷凝和蒸发过程来进行分离。因此，用于自然复叠制冷系统的混合工质各组分之间必须有较大的沸点间距。但如果沸点间距太小，为了覆盖整个温度区间，需要的制冷工质的种类数量增多，增加了复杂性; 而沸点间距太大，制冷剂种类数量减少，将会导致压缩机的压比过高，使压缩机的工作条件恶化。通常依据各组分工质沸点间距大致等分的原则来考虑，例如: 若高低温跨越范围 100～200℃ ，可以选择 3 ～ 5 种工质。