一种两级复叠式低温冰柜的实验研究

　　1 引言

　　随着科学技术的不断发展，-80 ℃低温冰柜在生物、医学研究等领域，用于保存血液、药品、疫苗等生物材料等领域的需求日益增长，医疗卫生条件的改善以及生物医学研究的发展，对低温冰箱的性能提出了很高的要求。据统计，全球年增长速度为10～15%，其中，发达国家6 ～8%，发展中国家15 ～20%，而国内年增长速度为15 ～20% 。随着疫情防控发展和卫生等级提高，低温冰柜有着巨大的市场发展潜力。国外这方面发展比较早，产品比较成熟，全球有日本SANYO 和美国FORMA、REVCO 三家公司能够生产-80℃～-150℃ 低温冰箱，目前我国国内有 Haier 生产-80℃～-150℃ 温区低温冰箱[1]，因此研制该温区的低温冰箱，显得急迫且极具价值。

　　获得这一温区通常采用自然复叠制冷循环或两级复叠制冷循环。自然复叠制冷系统使用混合工质通过单台压缩机实现了多级复叠，可以制-60℃ 以下的低温，极大地简化了制冷系统。自然复叠制冷早在1936 年就由Podbielniak 提出[2]。1959 年，前苏联气体研究所的A.P.Klimeenko 教授采用碳氢化合物作制冷剂，用该系统来液化天然气。到了本世纪七八十年代，由于能源、环保等问题日益受到重视，并随着对混合工质研究的深入，各国科学工作者开展了对自然复叠循环的研究[3，4]，在美国有多项有关自然复叠制冷系统的专利，美国REVCO 公司利用自然复叠循环的原理研制出了-150℃的低温冰箱[5]。

　　与两级复叠制冷循环比较，自复叠制冷循环具有单台压缩机驱动，机构简单、热效率较高等许多优点，但仍然存在着工质组分配比以及充灌量最优值难确定，工质泄露后不能直接补充制冷剂等问题[6]; 两级复叠制冷循环采用两种不同温区的制冷工质复叠运行，能很好地克服单级压缩式制冷循环压比过大的缺陷以及单一制冷剂两级蒸气压缩制冷循环低温级压缩机吸气压力低、输气系数低等缺点[7，8]。考虑到两级压缩可使各级压力比适中，由于经过中间冷却，又可使压缩机耗功减少，可靠性、经济性均有提高，而且它能获得较低的温度，故本低温冰箱最终采用了两级复叠制冷循环。

　　2 实验系统分析

　　2. 1 实验原理

　　本文搭建的两级复叠制冷循环试验台系统流程及测点的布置如图1 所示。系统由高温级回路1-2-3-4 -5-6-7-8-1( 红色) 和低温级回路1-2-3-4 -5-6-7-8-1 组成( 蓝色) 。高温级工质采用了R404A，低温级工质采用了R23。

　　本实验装置的高、低温级可独立完成循环，其制冷循环如下: 低温级制冷剂被低温级压缩机吸收并压缩到中间压力，进入中间冷却器，在其中被高温级制冷剂蒸发冷却到中间压力相对应的饱和温度，中间冷却器出来的气液混合物进入低温级节流元件节流，然后在低温级蒸发器中蒸发制冷，蒸发得到的气体进入吸气管路，最后回到低温级压缩机，完成低温级制冷循环; 对于高温级，制冷剂在中间冷却器中完成蒸发制冷后，到高温级压缩机中，进一步压缩到冷凝压力，然后进入冷凝器被冷凝成液体，然后进入高温级节流元件节流，然后在中间冷却器中蒸发制冷，完成高温级制冷循环。系统运行稳定后，可提供-80℃左右的低温。