三级自动复叠系统混合工质配比设计与验证

    1 引 言

    应用能源、军工、空间、生物、医疗等诸多领域的制冷设备，所需温度通常在 230—110 K［1］之间。在制取这些领域所需要的低温时，利用常规单机压缩蒸发式制冷循环将面临润滑油与制冷剂无法分离、蒸发压力过低、压缩比过大等各种问题，而多 级压缩设备又过于笨重无法广泛应用。自动复叠系统的出现为满足低温时的制冷需求提供了一条可靠的途径。以非共沸混合制冷剂做循环工质的自动复叠系统( ACR) ，采用一台压缩机进行制冷循环，混合工质各组分在系统中利用沸点间差，分离出不同沸点的液相组分在各级蒸发冷凝器中分级蒸发，逐步实现低温制冷的目的。自 动复叠制冷设备具有体积小、重量轻、可靠性高、结构紧凑、操作简便、寿命长等诸多优点，被广泛应用在低温制冷领域。本文给出了三级自动复叠系统的制冷工质 组分选取方法，根据自动复叠系统的特点，利用串联热平衡法对各组分流量进行计算并用实验进行验证。

    2 三级自动复叠系统原理

    三级自动复叠系统原理如图 1 所示，混合工质经压缩机 A 压缩后，进入冷凝器 B 冷凝，高沸点组分在冷凝器中被首先冷凝为液体。从冷凝器流出的气液两相流经回热器 C 与回压缩机的混合蒸汽进行热交换后，进入一级气液分离器 E。在气液分离器中，气液两相由于比重不同而被分离成富高沸点的液相和富中、低沸点的气相。液相经干燥过滤器干燥、节流元件节流后，与回气混合进入一级蒸 发冷凝器 F 蒸发侧蒸发吸热; 气相进入一级蒸发冷凝器的冷凝侧，被蒸发管侧制冷剂冷凝后，中温组分被冷凝液化，再次形成气液两相流，进入二级气液分离器 G，被分离成富低沸点组分的气体和富中沸点组分的液体。液相经干燥、节流，与蒸发器 I 回气混合后，进入二级蒸发冷凝器 H 蒸发侧蒸发吸热，冷却冷凝侧的富低沸点气体，得到富低沸点的液体，富低沸点的液体经干燥、节流后进入置于低温箱 I 的蒸发器中蒸发吸热，实现制冷目的。蒸发器回气与二级蒸发冷凝器的富中沸点组分、一级蒸发冷凝器的富高沸点组分混合，在回热器回热后回到压缩机被再次压 缩，完成一个制冷循环。

    3 混合组分的选择

    三级自动复叠混合工质组分的选取，和常规制冷机组的工质选取具有很多相似点，必须是环境友好型工质; 具有良好的循环性能; 较大的制冷量等［2］。由于使用自动复叠式制冷系统制取低温时，温度跨度很大，与常规制冷系统又有很大的不同，其工质选择应当注意以下几点: