非共沸混合工质单级压缩回热循环实验研究

    普通单级压缩回热循环采用单一纯制冷工质，由于压缩机压比和制冷工质热物理特性的限制，其制冷温度最低只能达到-40℃。而-40~-60℃则需采用 双级压缩制冷循环系统，-60℃以下采用复叠制冷系统[1-3]。自动复叠制冷循环系统是采用单台压缩机和混合制冷工质的单级压缩制冷循环，广泛应用于小 型低温制冷领域[4-5]。

    这里的实验对象为小型低温冷柜，柜内温度要求-70℃左右。通过测试压缩机各项运行指标，以使压缩机运行性能稳定，压缩机使用寿命得以保证。通过测试蒸发 盘管各段温度，从中得出混合制冷工质在蒸发器内的温度分布情况，并测试混合制冷工质在回热器中的温度变化规律，对逆流套管式回热器进行分析。

    研究的小型低温冷柜实验装置制冷量为12W，主要研究中温区单级压缩回热循环系统，在环境温度不高于25℃的工况下，蒸发温度达到-78℃，排气温度低于100℃。冷柜在冬季运行，环境温度12℃，冷却水进口温度9℃，出口温度11℃，冷凝温度15℃。

    1 混合工质单级压缩回热循环

    非共沸混合工质单级压缩回热循环通常称为Linde-Hampson refrigeration(LHR循环)[6]，如图1所示。LHR循环结构简单，采用混合工质可达到较低的制冷温度，可降低运行压力和压比。通过合理 设计回热器两端水当量，可减少回热损失，使节流前工质充分预冷，降低节流损失从而提高热力学效率。但是由于LHR循环采用混合制冷工质，所以工质的种类选 取、组分比例、气液平衡分析以及系统特性研究等都比较复杂。

    LHR循环采用二元混合工质相对于多元混合工质比较简单，所以应用较多。制冷工质的选择是单级压缩混合工质节流制冷机的首要问题，制冷工质选择的好坏直接 影响系统的可靠性。对于不同的系统，采用不同的制冷工质和不同的混合配比，可以获得不同的蒸发温度[6-7]。制冷工质R23的标准沸点为-82.1℃， 与要达到的制冷温度-70℃所需的蒸发温度-78℃比较接近。结合非共沸混合工质的特性，据制冷温度及混合工质组分选取原则，选取五种相关的制冷工质进行 研究，这些工质的常用热物理特性如表1所示[8]。选择R23分别与R134a，R600a，R290，R22四类制冷工质组合，并利用NIST Refprop 8.0软件对这四类混合工质按不同的配比进行模拟计算分析[9]。

    在混合制冷工质中使用了低沸点的组分，可得到低的泡点温度和较低的制冷温度。而使用高沸点的组分会得到高的露点温度，进而得到高临界温度和较大的单位制冷 量[9-10]。通过适当的高低沸点 制冷工质组分得到比较理想的混合工质配比，在要求较低的制冷温度下达到较大的单位制冷量。