一个改进自行复叠制冷循环的实验研究

    1 引 言

    近年来,随着国际社会对能源利用效率的重视,复叠制冷循环呈现出新的发展特点[1],其中自行复叠制冷循环以其结构简单、性能可靠而引起广泛的重视,国内外学者纷纷对自行复叠制冷循环展开了研究[2~8]。目前对自行复叠制冷循环的研究主要集中在两个方面:一方面是对原有的循环流程的改进,包括采用新型的换热器和高效的气液分离器;另一方面则是采用新的混合工质,包括二元和多元混合工质,以满足环保和制取低温的需要。经典的自行复叠制冷循环通常采用一级或多级分凝来分离非共沸混合制冷剂中的高沸点组分和低沸点组分。采用一级分凝的自行复叠制冷循环虽有流程简单的优点,但分离高、低沸点组分的效果不理想,也导致了系统的运行效率低下;采用二级分凝的自行复叠制冷循环可以达到比单级分凝更好的效果,系统的运行效率也提高,但系统结构较单级分凝复杂、制造成本也较高。为了简化流程、降低成本又使系统拥有更高的运行效率,本文在一级分凝后加装一个有回流液垂直通道的冷凝蒸发器代替经典自行复叠制冷循环中的二级分凝装置,其流程如图1。这样从气液分离器流出的富含低沸点组分的流体在上升过程中因部分冷凝而进一步获得提纯,因而可以达到更好的分凝效果。为了研究此改进自行复叠循环的性能,本文设计了一套以R13/R12以及在R13/R12中添加乙烯为制冷工质的实验装置,用于满足-50bC~-80bC温区的制冷要求。实验结果表明,本文的改进最终达到了简化流程、降低成本又使系统有较高的运行效率的目的。

    2 实验装置

    图1所示为本文设计的实验装置流程示意图。实验台以R13/R12混合物为基本制冷工质,按吸气压力为110 kPa,压比为10,冷凝器出口温度为30bC, R13的质量分数为38%(wt),循环分流量比为0183等条件设计,实验选用功率为115匹的法国泰康牌R502压缩机,低温箱的容积为2614 L,绝热层采用聚氨酯泡沫塑料。此外,在设计的实验装置中,从冷凝蒸发器1底部安装一根旁通道,将其中的冷凝液体引到9点,当旁通管不起作用即V3打开、V4关闭时,实验进行的循环为设计循环。这里设计循环称为A循环,而有旁通管的循环为B循环(这时V3关闭、V4打开)。这样便于比较冷凝蒸发器1对系统的作用以及进入二级节流的混合制冷剂中低沸点组分含量高低对系统性能的影响。为了干燥水分、过滤杂质和保护压缩机加入干燥过滤器G1,同时为了防止从气液分离器出来的杂质堵塞管道,循环中放置了干燥过滤器G2。5个视液镜F1, F2, F3, F4, F5用来观察系统中制冷剂的流动状况,截止阀V1, V2, V3, V4用来控制制冷剂的流程。

    实验系统的工作流程为:某一配比的R12与R13混合制冷工质进入压缩机A,被压缩后高温高压气体进入到水冷式冷凝器B,此时,气体中大部分的R12被冷凝为液体,而R13处于超临界状态,绝大部分的R13还是气体。被冷凝后的混合工质经节流阀J1节流,然后喷入气液分离器C的中下部,在气液分离器中气体由下向上流动,而液体汇合了被冷凝蒸发器1冷凝的液体向下流动。流经气液分离器C的气体进入冷凝蒸发器1,并在上升过程中把其中的高沸点组分部分冷凝。这样,从冷凝蒸发器1上端逸出的是经过提纯的R13气体,而从气液分离器底部流出的是经过提纯的R12液体。从气液分离器C底部流出、富含高沸点组分R12的液体在压缩机前置热交换器D中过冷后经J2进行一级节流,与从蒸发器流出并经过蒸发器前置换热器G的富含低沸点组分的流体汇合,然后流过冷凝蒸发器2、冷凝蒸发器1和压缩机前置换热器D不断地吸收热量,最后进入压缩机的吸气端被压缩机吸收压缩;而从气液分离器C的顶部逸出、富含R13的气体则直接进入冷凝蒸发器2,与经过一级节流的冷流体进行热交换并被冷凝。从冷凝蒸发器2的底部流出的制冷剂进入蒸发器前置热交换器G与从蒸发器中出来的冷流体进行热交换,并进一步被冷却,然后经过节流阀J3进行二级节流获得需要的温度,最后制冷剂进入蒸发器H蒸发制冷。