R134a/R23自动复叠制冷循环的试验研究

    1 混合工质与节流制冷机

    20世纪70年代以来的全球性能源危机以及80代兴起的氟利昂替代运动都极大地推动了混合工质的发展。综合来讲,混合工质在节流制冷循环中的应用主要基于两个方面:一是作为新型制冷工质,替代传统氟利昂家族中的CFC类工质,起到保护环境和节约能源的作用;另一方面是通过特定的配比,在单级压缩的情况下,产生深低温环境。

    混合工质深冷节流制冷循环按照其节流方式可以分为两类[1]:一类是Linde-Hampson循环,其源于1895年发明的开式Linde-Hampson空气液化机[2、3],循环特点是混合工质在冷凝后一次通过节流装置节流,整个循环中沿程各点的工质组分及流量都是相同的。另一类是自动复叠制冷循环或称为Kleemenko循环,其源于1959年发明的Kleemenko天然气液化机[4],其最大特点是在循环中设置了相分离器,混合工质各组分按照沸点的高低经分凝、分离后依次通过不同的节流装置节流,整个循环中工质组分及流量随沿程变化有变化。

    2 自动复叠制冷循环分析

    多年来,深低温制冷机在可靠性方面没有实质性的突破,受制于两个根本性的因素:一是可靠的低温压缩机,另一是润滑油的正常工作。自动复叠制冷循环很好地解决了以上两个问题,可以采用常规空调或冷柜适用的压缩机来驱动循环[5、6],在循环过程中的分级节流可以确保润滑油随高温工质一同回到压缩机。由于采用单压缩机驱动,整个系统保持了单级蒸汽压缩制冷循环的所有优点:结构简单、可靠性高、寿命长、成本低。

    本文搭建了单级压缩、单级分凝的自动复叠制冷循环试验台,流程如图2所示,混合工质采用R23a/R23的非共沸混合物。工作过程如下:混合工质经压缩机A压缩并排入冷凝器B,在其中进行变温部分冷凝,其中R134a基本上冷凝为液体,而R23大部分仍然保持气态。从冷凝器出来的汽液混合物进入汽液分离器C,在重力的作用下实现自动分离,富含R134a的液体经汽液分离器底部送至节流装置D节流;富含R23的饱和气体混合物经汽液分离器的上部进入分凝器E进一步降温,在降温过程中R23气体的纯度进一步得到提高,分凝器E底部得到的冷凝液回流到汽液分离器C中。纯度较高的R23气体经蒸发冷凝器F冷凝,得到的冷凝液体经节流装置G节流后在蒸发器H中蒸发制取预定的低温。自蒸发器中流出的R23气体和自节流装置D流出的R134a汽液混合物在J点汇合,依次经过蒸发冷凝器F、分凝器E、汽液分离器I回到压缩机,完成整个循环。

    为了便于进一步分析,可以把工质沿循环流程分为3类:混合流、高温流、低温流。混合流是自汇合点J开始依次经蒸发冷凝器F、分凝器E、汽液分离器I、压缩机A、冷凝器B到达汽液分离器C的入口,其质量流量记为G1。高温流是自汽液分离器C底部经过节流装置D到达汇合点J,其质量流量记为G2。低温流是自分凝器E的出口依次流经蒸发冷凝器F、节流装置G、蒸发器H到达汇合点J,其质量流量记为G3。