一种三级自动复叠制冷的模拟

　　1 引言

　　自动复叠制冷技术以其简单的结构、较高的可靠性、方便的操作和较长的寿命等优势，在低温、超低温要求的技术中得到了广泛的研究和应用，特别是在能源、空间、生物、医疗和生命科学等高科技领域中，其优势更为明显1]。但自动复叠制冷循环的实现因加入非共沸混合工质而变得较为复杂，尤其是混合工质的选择、混合工质的配比和流程的设计以及非共沸混合工质更易分离和提纯等问题。国内外有许多从事此项研究的学者，其中上海理工大学制冷研究所的两级自动复叠制冷技术已相对成熟，并与相关企业已合作并利用此项技术[2 -5]; 浙江大学采用精馏柱作为混合工质的分离提纯装置，较好的解决了混合工质分离提纯的问题[6]; 大连三洋的张芳等对自动复叠蒸发冷凝器参数变化的影响做了一系列研究[7]; 郑州轻工业学院的赵向阁对自动复叠系统中混合工质配比的设计进行了研究并验证[8]。本文主要针对一种三级自动复叠制冷系统，选取合适的制冷剂，并对该系统设置的参数点进行一系列的理论计算，确定混合制冷剂的组分比，明确各参数点的状态参数。并通过计算，分析了压缩机高、低压的设置对系统性能的影响。

　　2 三级自动复叠制冷系统

　　三级自动复叠制冷系统原理图如图1所示。系统中混合工质的流程如下: 混合工质经压缩机A压缩后，排入冷凝器B，在冷凝器中进行变温冷凝，其中大部分的高温工质、少数中温工质和极少数的低温工质冷凝为液体。从冷凝器出来的气液混合物经干燥器C干燥后，进入高温级蒸发冷凝器E1中进一步冷却，使混合工质中的高沸点组分得到充分的冷凝，此时的制冷工质中，液体质量最大，然后进入高温级气液分离器F1，在重力的作用下气体与液体实现自动分离。仍为气体的中、低沸点组分工质由气液分离器F1上部流出，通过中间蒸发换热器E2继续降温，与冷凝器中原理相同，大部分中温组分和少数低温组分冷却为液体，气态组分中大部分是低温组分，随后进入低温级气液分离器F2，在重力作用下使中、低温工质实现自动分离。此时，气态工质中绝大部分均为低温制冷工质( 实际情况为极少量中高温制冷工质与大量低温制冷工质的混合物) 。气态制冷剂由汽液分离器F2上部流出，依次经过中间蒸发冷凝器E3、低温级蒸发冷凝器E4，继续降温，使低温工质由气态转变为液态，经过毛细管I3节流降压后，最后进入蒸发器D进行相变制冷。

　　制冷剂流过蒸发器D后回流至低温级蒸发冷凝器E4，作为低温级蒸发冷凝器 E4的冷却工质。经低温级气液分离器F2分离后的液体中温制冷工质由分离器下方流出，进入毛细管I2节流后，与由低温级蒸发冷凝器 E4流出的低温制冷工质混合流入中间蒸发冷凝器E3，作为冷却低温制冷剂的冷却工质。同理，液体高温工质由高温级气液分离器F1分离后有其下部流出，经毛细管I1节流后，与由中间蒸发冷凝器E3流出的中、低温制冷工质混合流入中间蒸发冷凝器E2，冷却中低温工质，随后流入高温级蒸发冷凝器E1来冷却混合三元制冷工质，最后流回压缩机A完成整个循环。