一种四级自动复叠制冷循环的试验研究
1 前言
随着科技的发展,能源、军工、空间、生物、医疗和生命科学等高科技领域对低温、超低温的要求越来越高,自动复叠循环制冷机因其结构简单、紧凑、可靠性高、成本低,成为实现-40°C~-150°C温区的主要方式之一,国内外学者纷纷对其进行研究[1、2]。制取-50°C左右温区可以采用二级自动复叠制冷系统[3-5], -100°C左右温区可以采用三级自动复叠制冷系统[6]。其关键技术是系统制冷剂、系统流程方式和硬件三者的匹配关系[7、8]。
本文提出一种四级自动复叠制冷系统并进行试验研究,成功制取了-140°C的低温并获得100W的冷量。
2 四级自动复叠制冷系统分析
搭建的四级自动复叠制冷循环试验台的系统流程及测点的布置如图1所示,混合工质采用了R290/R23/R14/R50的非共沸混合工质。工作 过程如下:混合工质经压缩机A压缩并排入冷凝器B,在冷凝器中进行变温冷凝,其中高温工质R290基本冷凝为液体,而其余工质仍然保持为气态。从冷凝器出 来的气液混合物进入回热器D进一步冷凝,此时绝大部分的R290和少量R23被冷凝为液体。
从回热器出来的气液混合物进入第一级气液分离器E,在重力的作用下气体与液体实现自动分离。高温工质R290和少量的R23液体经气液分离器底 部送至节流阀F节流,然后在第一级蒸发冷凝器G中蒸发制冷,蒸发后的气体回到回热器中。中、低温工质气体混合物经气液分离器E的上部进入第一级换热器G进 行变温部分冷凝,其中绝大部分R23及少量R14制冷工质冷凝为液体,而大部分R14及R50仍然保持气态。从换热器G出来的气液混合物进入第二级气液分 离器H,在重力的作用下气体与液体实现自动分离。R23及少量R14冷凝液经节流阀I节流后在第二级换热器J中蒸发制冷,蒸发得到的气体回到压缩机吸气管 路。自气液分离器H上部流出的R14级R50气体制冷剂在第二级换热器J中部分冷凝后流入第三级气液分离器进行分离,其中大部分R14及少量R50液体在 重力的作用下与气体实现自动分离,而后经节流阀L节流后在第三级换热器M中蒸发制冷,而后回到压缩机吸气管路。自气液分离器K上部流出的R50气体制冷剂 进入第三级换热器M降温冷凝,而后经节流阀N节流后进入蒸发器中蒸发制冷,实现系统的制冷量。蒸发得到的气体进入吸气管路,先后经过各级换热器及回热器后 回到压缩机,完成整个循环。
3 制冷剂的选择
自动复叠制冷循环要实现各工质组分的自动分离,必须满足两个条件[9]:一是各组分的标准沸点要有一定的距离,一般为 40~80°C;另一个条件是各组分之间不能形成共沸混合物。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)、R170(乙烷)和R50(甲烷)。本文所做循环为四级自动复叠制冷循环,根据各工质蒸发温度范围,选择了四种制冷 质:R290、R23、R14、R50。其主要热物性质见表1。
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