自动复叠制冷系统的应用研究

　　1 引言

　　由于近年来国际上对CFC的禁用和对节能减排、能源利用效率的重视,推进了制冷剂替代方面的研究,而混合工质作为CFCs的替代具有很大的潜力和应用前景。

　　同时随着教育、科研和医疗事业的不断发展,对-40~-160°C温区的低温实验设备的需求量也不断增加。

　　而在制取较低的温度时,一般的蒸发压缩式循环已不能满足要求。因为在蒸发温度和冷凝温度相对较大时,找不到一种制冷剂能够满足冷凝压力较低且蒸发压力较高的要求。因此多工质制冷技术成为人们研究的方向,复叠制冷更是引起了人们的关注。

　　2 应用价值

　　由于自动复叠制冷循环可以实现从低于80K的液氮温区到230K的传统蒸发压缩制冷循环制冷温区,因此具有比较大的实用价值。

　　(1)液化天然气起初采用的是经典复叠制冷循环,循环以甲烷、乙烷、丙烷和乙烯作为制冷剂。近年来各LNG厂家趋向于应用混合工质的自动复叠制冷循环来完成天然气液化的预冷部分,实际研究表明,采用自动复叠制冷循环后,热力效率有明显提高。

　　(2)低温箱是一种只能用于冷冻而不能冷藏的低温冷冻设备。原有的低温箱品种较少,大多采用双级压缩或经典复叠压缩制冷方式, 20世纪80年代末,美国REVCO公司成功研制出单级压缩分凝制冷系统的-140°C和-150°C的低温箱,并于90年代初投放市场,我国的一些科研单位、大学和医院陆续进口的这种低温箱^[1]。

　　(3)冷冻干燥装置。冷冻干燥是将含水物质在低温下冻结,而后使其中的水分在真空状态下直接升华而获得干燥物品的一种技术。文献^[2]中研制出的采用单级压缩分凝制冷系统的低温冷冻干燥装置结构简单、性能优越,可以用于不同制品冷冻干燥过程的设计和优化。

　　除以上几个主要用途以外,单级压缩分凝制冷系统还可应用于精密工业制品、工程材料和电子元件的低温试验、冶金产品的调质;医疗、制药及生物等部门保存脏器、血液和生物样品;航空航天工业的环境试验;化学产品的生产和冷藏以及低温条件下材料与物品的性能测试等。

　　3 研究内容

　　目前,针对自动复叠式制冷的研究工作主要集中在两个方面,一方面是对原有系统的改进,包括使用新型的换热器和高效的气液分离器,采用新的循环形式;另一方面是循环分析,找出影响循环热力性能的因素和适用于自动复叠制冷的混合工质。中国科学院、浙江大学、上海理工大学和华中科技大学,都积极开展了-50~-200°C温区的制冷设备的研究^[3],并搭建了实验装置,在混合工质研究、循环改进等方面取得了一定的成果。总之,混合工质的自动复叠制冷既能满足环保、安全要求,又能提高系统效率,对制冷领域来讲是一项值得投入人力和物力开发的新技术^[4]。