自动复叠制冷循环的实验研究

自动复叠制冷循环的实验研究

摘要：本文介绍了采用精馏塔作为气液分离装置，以混合工质R13和R22为制冷剂的自动复叠制冷循环系统。对循环系统进行实验研究以及结果分析，分析混合工质不同配比时系统的降温情况、系统吸、排气压力以及中间压力的变化情况及制冷量和COP随低温箱温度变化情况。
关键词：混合工质；自动复叠循环；实验研究
RESEACH OF AUTO-REFRIGERATINGCASCADE CYCLE
JIANG Chunying
(Department of Refrigeration and Cryogenics Engineering，
Tianjin University of Commerce)
Abstract In this paper, the system uses the rectifying column as gas-liquid separator and adopts non-azeotropic mixed refrigerants R13/R22.The main purpose of this study is to research experiment of the cycle system and analyze the result. With different proportion of mixed refrigerants, the article analyzes the drops in the temperature of the system , the changes of suction, exhaust and middle pressures, the changes of refrigerating effect and coefficient of performance (COP) as the fluctuate temperature of low-temperature box .
Keywords refrigerant mixture ，cascade refrigerating system ，experiment reseach
1 前言
无论是低温领域还是普冷领域对非共沸混合工质自动复叠制冷循环都有着浓厚的兴趣。采用混合工质可以实现非常宽的制冷温区，而且采用单级油润滑商用压缩机驱动混合工质节流制冷具有很高的可靠性、效率和很强的适应性，从而广泛应用于医疗、军工、食品、生物等高科技领域内[1]。本文介绍了带精馏塔的自动复叠制冷循环系统的实验装置，针对不同混合工质配比情况，分别进行实验，通过对实验结果的分析，认识到混合工质不同配比时对系统的一系列影响情况。
2 实验装置
图1给出了实验装置图[2]。本实验装置采用R13和R22的混合物作为制冷工质，压缩机的吸气压力为150kPa，压比10，冷凝器出口温度为28℃，混合工质中R13和R22的质量比是1:3，即R13的摩尔成分为21.6%，R22的摩尔成分为78.4%。
本装置选用了德国丹佛斯SC18CM型，功率为200W的单级油润滑全封闭活塞式压缩机。适用于该压缩机的制冷剂是R22和R502，润滑油是矿物油，也适用于R13和R22混合工质的系统。

A—压缩机 B—冷凝器 C—精馏塔 D—蒸发冷凝器 E—蒸发器 F—回热器
J1、J2、J3—节流元件 V1、V2—手动截止阀 G1、G2—干燥过滤器 F1、F2--视液镜
在混合工质自动复叠制冷循环中，从压缩机出来的高温高压混合工质经冷凝器冷凝后，绝大部分高沸点组分被冷凝成液态，而低沸点组分依然保持气态。采用合适的气液分离装置将不同沸点的组分分离，利用高沸点组分的节流蒸发制冷来冷却低沸点组分。由于气液分离的效果直接影响着循环运行制冷的制冷效果，高低沸点的组分在气液分离器中分离得越彻底，循环所获得的制冷效果越好。所以本文提出采用精馏装置替代传统的气液分离方式，从而达到提高分离效果的目的。精馏塔有板式塔和填料塔两类，本实验装置选用了填料塔。由R22和R13组成的气液混合物从中部的进料口进入精馏塔，在精馏塔的上部有一个蛇型盘管冷凝器，冷凝器盘管内流动的是经过节流后的高沸点组分液体。该冷凝器一方面确保混合在低沸点组分R13中的少量高沸点组分R22能冷凝下来，另一方面也冷凝一定量的R13作为回流液。在精馏塔的塔釜，加一个蛇型盘管再沸器，再沸器中从水冷冷凝器出来的制冷剂气液混合物与塔釜的高沸点组分发生热交换，使得少量的低沸点工质挥发，通过精馏塔精馏后从塔顶流出。
3 实验结果及分析
3.1 不同配比时系统的降温情况
图2和图3分别为工质配比是R13:R22=1:3和R13:R22=1:2时系统运行的降温曲线。从图中可以看出，随着制冷系统的正常运行，蒸发器进口温度T14和低温箱内的温度T18有相同的降温趋势。在开始运行的半小时之内系统降温速度很快，随着箱内温度达到一定的低温，系统降温速度趋于缓和，并逐渐达到一个稳定的最低温度。配比为1:3时，蒸发器入口温度达到-65℃以下，低温箱能较好的保持在-58℃以下；当配比为1:2时，蒸发器入口温度更低，降到-75℃，低温箱的温度能达到-70℃。
3.2 不同配比时系统吸、排气压力以及中间压力的变化情况
如图4和5为系统的吸、排气压力以及中间压力在两种不同的工质配比情况下的变化曲线。系统内工质的组成不同影响着压力的变化情况。随着R13质量浓度的增加，在系统开启时，压缩机的吸气压力上升的速度加快，同时，所能达到的最高吸气压力也变大。当工质配比为R13:R22=1:3时，最高排气压力为2.2MPa；当工质配比为R13:R22=1:2时，最高排气压力达到2.6MPa。从图中还可以看出，R13浓度大的系统中间压力的稳定值也相对较高，当工质配比分别为R13:R22=1:3和 R13:R22=1:2时，中间压力Pm分别为0.75MPa和0.87MPa。而这两种不同的配比对压缩机的吸气压力影响并不大。为此，要确保系统的运行稳定合理，必须合理选择混合工质的配比，既能确保所要达到的制冷效果，也要确保压缩机的正常运转。
3.3 制冷量和COP随低温箱温度的变化情况
图6和图7分别表示了系统在不同的混合工质配比情况下测量得到的系统制冷量、系统COP随低温箱温度变化而变化的结果。从图中可以看出，无论制冷剂的配比如何，随着低温箱内温度的上升，系统的制冷量和COP都不同程度的呈上升趋势。
3.3.1 混合物的配比为R13:R22=1:3时
当系统中制冷剂的配比为R13:R22=1:3时，控制低温箱内的温度从-59℃变化到-49℃。从图5-15可以看出，系统的制冷量和COP都随着增加。其中制冷量从11.27W增加到19.43W，系统的COP也随着低温箱内温度的升高而从0.221上升到0.247。
3.3.2 混合物的配比为R13:R22=1:2时
当系统中制冷剂的配比为R13:R22=1:2时，控制低温箱内的温度从-71℃变化到-61℃。从图5-16可以看出，系统的制冷量和系统的COP也都随着增加。其中制冷量从6.5W增加到14.39W，系统的COP从0.172上升到0.21。
4 结论
实验表明：系统能达到的最低蒸发温度随着系统中低沸点工质含量的增加而降低，当系统中工质配比分别是R13:R22=1:3和R13:R22=1:2时，低温箱内温度分别达到-58℃和-70℃；工质的配比对压缩机的排气压力和系统中间压力影响较大，但对吸气压力的影响不大，当工质中低沸点组元R13的含量从25%增加到33.3%时，排气压力从1.23MPa增大到1.32MPa，系统中间压力从0.75MPa上升到0.87MPa；随着低温箱内温度的上升，系统的制冷量和COP都不同程度的呈上升趋势，当系统中制冷剂的配比为R13:R22=1:3时，控制低温箱内的温度从-59℃变化到-49℃，系统的制冷量从11.27W增加到19.43W，系统的COP从 0.221上升到0.247。