自复叠制冷系统工质成分分析

　　1 前言

　　工业和商业制冷系统中应用最广泛的是蒸气压缩式制冷循环，但是当制取-40℃以下的温度时，一般的蒸汽压缩式循环( 单机压缩和多级压缩) 已不能满足要求。因为在蒸发温度和冷凝温度相差较大时，找不到一种制冷工质能够满足冷凝压力较低且蒸发压力较高的要求[1]。所以复叠式制冷循环被广泛应 用于制取低温的系统。复叠式制冷循环包括经典复叠制冷循环和自动复叠制冷循环。对于经典复叠循环，随着复叠级数的增加，系统结构相对复杂，效率下降，经济 性变差[1]。自动复叠制冷系统采用非共沸混合工质，通过单台压缩机可以制取 -40℃以下的低温，具有结构简单、可靠性高、寿命长等一系列的优势，并被广泛应用于低温电子、低温医学、低温生物、军工、红外线探测等方面[2，3]。 通常-40℃～-80℃ 采用双级自动复叠制冷系统;-80℃ ～-120℃ 采用三级自动复叠制冷系统;-100℃ ~-160℃ 采用四级自动复叠制冷系统[4]。自动复叠制冷循环利用非共沸混合工质作为制冷工质，在相平衡时气、液相组分具有不同的特点，通过冷凝器和相分离器将高沸 点工质和低沸点工质分离并进入两个制冷循环进行复叠。由于系统采用一台压缩机实现复叠制冷，其结构简单，低温端无运动部件，运行简单可靠[5]。

　　2 非共沸混合制冷工质的运行特点

　　混合工质是由两种或两种以上的制冷工质通过一定的比例混合而成的。按照混合后的溶液是否具有共沸的性质，分为共沸制冷工质和非共沸制冷工质。非 共沸混合工质没有共沸点，在定压下蒸发或凝结时，气相和液相的成分不同，温度也在不断变化[6]。混合工质的节流制冷可分为: 林德-汉普森制冷循环( Linde - Hampson Refrigera-tion Cycle，简称 LHR 循环) 和自动复叠制冷循环( Auto-cascade RefrigerationCycle，简称 ARC 循环) 。LHR 循环指混合工质在循环中有内部换热过程的单组分循环。

　　当采用非共沸混合制冷工质作为循环工质，如果制冷装置中发生制冷工质泄露，剩余在系统内的混合物浓度就会改变。所以，需要向系统中补充制冷工质 使其达到原来的数量和浓度，并需要计算确定各种制冷工质的充灌量。这一特点在一定程度上限制了非共沸混合制冷工质的应用。本文为了研究非共沸混合制冷工质 在自动复叠制冷系统中各处组成成分的特点，设计了如图1所示的1匹压缩机五级ARC 循环，在实验台搭建上进行了真空保温，同时在装置结构上做了更为合理的设计。选取了相分离器作为混合工质的采样点，这些采样点能够比较准确地反映出混工质 经过各个中间换热器时的传热换热效果以及接下来的分离情况，通过对这些采样点的数据分析能够获悉真正在系统循环中起到作用的工质组分与配比，通过反复试 验，调试出稳定的制冷工况。