R50对-100℃三级分凝循环中后期的影响

　　1 引言

　　1834 年 Perkins 成功将二氧化硫和乙醚组成的混合工质应用于蒸气压缩式制冷循环[1]，由于单级节流制冷机结构简单、运行可靠，成为应用最广泛的制冷形式。但是当制冷温度低于 - 60℃时，制冷效率随着制冷温度的降低而迅速下降。复叠制冷系统在通过增加级数来制取低温时，随着级数的增加，系统的复杂性和成本成倍增加，效率却降低了[2]。在低温制冷领域使用常规一次节流系统，显然已经不符合经济性要求。这时急需一种新的制冷方式来解决制冷成本和制冷温度之间的矛盾。

　　1934 年，Walter J. Podblelnlak 提出自动复叠的设想[3]，该设想使用单台压缩机进行制冷循环，利用混合工质各组分不同的气液转变温度，将混合气体逐步液化来分离混合气体。这种设想避免了单级节流制冷时压力过高的问题，降低了系统的制造和运行成本。1959 年，Klimeenko 教授首次成功实现了此设想，并将其应用于生产实践[4]，自动复叠开始逐渐进入更多学者的视野。目前自动复叠已成为 -130℃ ～ -150℃温区低温冰箱的主要形式，被广泛应用到半导体工业、低温医学中的血液、药品保存、食品的冷冻储存、气体液化等诸多领域[5，6]。

　　目前，应用于 -100℃温区自动复叠系统的混合工质通常是 R134a/R23/R14、R134a/R23/R14/R50、R290 / R170 / R50、R134a / R23 / R14 / R744 或R134a / R23 / R14 / R728 等[7 -8]。其 中 R50、R740、R728 的标准沸点均在 - 160℃ 以下，与 - 100℃ 相去甚远，且临界温度很低( R50 为 - 82. 5℃，R740与 R728 均在 -120℃以下) 。为探讨标准沸点远低于蒸温度的组分在 -100℃温区自动复叠系统中的作用，本文主要通过实验研究在混合组分R134a / R23 / R14 中添加 R50 对三级自动复叠系统的性能所产生的影响。

　　2 实验设备及原理

　　自动复叠制冷系统是一种单级压缩多级节流的混合工质制冷系统。通过分凝器和气液分离器对不同沸点组分进行分离，被分离出的高温液体组分经节流后进入分凝器蒸发后回到压缩机，低温气体组分被冷凝后进入下一级气液分离器或者节流后进入至于低温箱内的蒸发器蒸发制冷，通过重复这样一系列分凝过程实现制取低温目的[9]。

　　2. 1 实验设备与制冷剂

　　两次实验采用同一实验设备，该设备包括一个加有 10 升酒精的保温冷槽、制冷系统、制冷剂计量充注系统和恒温加热系统三个子系统组成。制冷系统使用一台涡旋压缩机，以外置的风冷式冷凝器作为一级分凝器，除压缩机和一级分凝器外，系统其他部件均密封在具有良好的保温效果的保温箱体内。制冷系统采用串并联式蒸发冷凝器，较高温级的制冷剂节流后直接与后级制冷剂混合进入蒸发器，减少了各级制冷剂混合时的换热损失和不可逆损失。在制冷系统中增加了安全阀、节流元件和膨胀容器防止系统运行压力过高和控制停机压力。在系统中充注质量比为 0.573 /0. 138 /0. 289 的 R134a / R23 / R14 和 0. 571 /0. 137 /0. 287 /0. 005 的 R134a / R23 / R14 / R50 作为混合工质分别进行试验，各制冷剂主要物性参数如表 1 所示: