复叠系统低温级制冷剂的循环性能对比实验

    1 引言

    随着社会和科学技术的发展,对于制冷温度在-80e左右需求越来越多。该温区的制冷系统主要应用于生物材料的活性储存、食品的低温保鲜、医学工程、低温环境模拟等领域。虽然单级蒸汽压缩制冷循环以其简单、可靠和技术上易于掌握而在普冷领域得到广泛采用,但是当制冷温度低于-40℃时,其往往无法高效地满足绝大多数需要。要实现更低的温度,除了可采用近年已取得重大进展的/深冷混合工质节流制冷技术0外,双级复叠式制冷循环仍然是-40℃~-80℃温区广泛采用的技术[1, 2]。

    传统的可以应用于-80e温区的复叠制冷系统中低温级的制冷剂有三氟一氯甲烷(CClF3即R13)、三氟甲烷(CHF3即R23)、还有二者的混合物R503。由于R13中含有氯元素导致臭氧层破坏,因而R13及R503被限制使用,并逐渐淘汰。为此由全氟乙烷(C2F6即R116)与R23组成的混合物,即R508系列工质,成为R503的替代工质,其中又因浓度差异而分为R508A和R508B两种。上述R508系列工质由于不含有氯元素,因此不存在臭氧层破坏问题,但是由于是氟化物,其温室效应非常大。同时,R508系列制冷工质全由氟化物组成,与润滑油的互溶性很差,尤其是在低温下容易导致出现润滑油固相析出而堵塞节流元件,使系统运行的可靠性下降。所以在实际使用中要采用高品质的聚酯类润滑油,并通常添加一定量的丙烷(C3H8即R290)或异丁烷(C4H10即R600a)来强化低温下对润滑油的溶解特性,提高系统的可靠性。但是R290或R600a与润滑油具有非常好的溶解特性,因此大量的R290及R600a会溶解于润滑油中,可能会导致压缩机润滑特性降低。另外,由于循环工质中增加了高沸点组元,会导致制冷剂的低温制冷性能下降。

    上述问题必须要通过新型替代工质的发明来彻底解决。但是在提出新工质之前,很有必要对现有工质的性能进行全面了解。本文就现有的R13、R23、R503和R508B四种复叠系统低温级制冷工质,通过实验研究进行了性能比较。

    2 各工质性质参数比较

    2. 1 基本物性参数

    R13、R23、R503和R508B都是常用的复叠系统低温级制冷工质,被广泛应用于-80℃左右温区制冷。表1给出了它们的基本物理性质。

    2. 2 饱和蒸汽压

    利用REFPROP[3]对上述4种工质的饱和蒸汽压进行计算,见图1所示。从图1中明显看到R503和R508B的饱和蒸汽压曲线几乎是完全重合的,且比R23高,而R13最低。这表明R13和R23制冷剂用于实现低于-80℃温区时,蒸发压力会很低,对于实际系统来讲,会在很大程度上影响系统效率。同时由于低蒸发压力,导致其容积制冷量减小,在获得相同的制冷效果时应该采用更大排气量的压缩机。