鄭大宇，陳秋燕

( 哈爾濱商業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150028 )

自動(dòng)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中制冷劑的組分分離研究

鄭大宇，陳秋燕

( 哈爾濱商業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150028 )

[摘要]以單一工質(zhì)為制冷劑的單級(jí)蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)因受外界環(huán)境溫度所決定的冷凝壓力及壓縮比的制約，一般只能應(yīng)用于200K以上的溫區(qū)。而采用單一制冷劑的兩極循環(huán)將受到蒸發(fā)壓力過(guò)低，或制冷劑凝固的限制。多元非共沸混合工質(zhì)自動(dòng)復(fù)疊可達(dá)到-100K以下的溫區(qū)，但由于工質(zhì)氣液兩相分離不完全，使系統(tǒng)能效較低，制冷量小，從而使其應(yīng)用有較大局限。因此研究該制冷工藝的相變規(guī)律，制冷裝置，提高該系統(tǒng)的分離效果，具有重要的理論價(jià)值和應(yīng)用意義。

[關(guān)鍵詞]自動(dòng)復(fù)疊系統(tǒng);混合制冷劑;組分分離;氣液分離器；分離效率

1非共沸混合制冷劑介紹

1.1　非共沸混合制冷劑的特性[1]

非共沸混合制冷劑沒(méi)有共沸點(diǎn)，氣相和液相組分在相變過(guò)程中不斷發(fā)生變化，定壓下混合物的泡點(diǎn)線和露點(diǎn)線呈魚(yú)形曲線。在定壓凝結(jié)和定壓蒸發(fā)時(shí)，有一定的溫度變化，溫度滑移為露點(diǎn)與泡點(diǎn)之差。正因?yàn)榉枪卜谢旌现评鋭┰谙嘧冞^(guò)程中存在一定的溫度滑移，所以它可以較好地控制工質(zhì)和熱源之間的溫差，減小冷凝器和蒸發(fā)器的傳熱不可逆損失，達(dá)到節(jié)能的效果。非共沸混合制冷劑與單一制冷劑相比，可以更好地提高系統(tǒng)的制冷性能，獲得更低的溫度。自動(dòng)復(fù)疊制冷循環(huán)使用的高溫區(qū)制冷劑一般為R404A,R134a,R22,R502,R600，R600a或R290(丙烷)；使用的中溫區(qū)制冷劑通常為R12,R22，R116，R1270，R290；使用的低沸點(diǎn)制冷劑通常為R23,R32,R744,R170(乙烷)或R50(甲烷)，R14,R13,R1150等。其中有些制冷劑已被限制使用。常用制冷劑特性見(jiàn)表1。

表1常用制冷劑特性

制冷劑相對(duì)分子質(zhì)量沸點(diǎn)℃凝固點(diǎn)℃臨界溫度℃臨界壓力kpa臨界比體積R2370.02-82.1-15525.648331.942R13104.47-81.4-18128.838651.729R12120.93-29.8-15811241131.792R60058.13-0.5-138.515237944.383R134a102-26.2-101101.14.061.942R2286.48-40.84-16096.134.9861.905R3252.02-51.2-78.478.115.7822.381R1488.01-128-184-45.53.751.58R5016.04-161.5-182.8-82.54.656.17R17030.06-88.6-183.232.14.9334.7R29044.1-42.17-187.196.84.2564.46R600a58.08-11.8-159.61353.654.525R115028.05-103.7-169.59.55.064.62R127042.08-47.7-18591.4464.28R74444.01-78.52-56.6317.382.456

1.2　非共沸混合制冷劑選取原則

在自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)中，對(duì)制冷工質(zhì)的選取相當(dāng)重要，它直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行效果、系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。對(duì)于本課題研究中所要達(dá)到的溫區(qū)，混合制冷工質(zhì)組分的選擇基本上是根據(jù)以下幾點(diǎn):

(1)根據(jù)所要達(dá)到的制冷溫度，再依據(jù)正常蒸發(fā)溫度、凝固點(diǎn)溫度以及臨界壓力和工作壓力來(lái)選取適當(dāng)?shù)闹评涔べ|(zhì)。

(2)混合工質(zhì)各組元之間沸點(diǎn)必須有較大的差距。

(3)對(duì)環(huán)境無(wú)害，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，無(wú)毒、安全。

(4)為了更好的對(duì)混合工質(zhì)分離，在選配混合工質(zhì)時(shí)，最好選擇密度不同的組元。因?yàn)橐后w混合工質(zhì)在冷凝蒸發(fā)器和氣液分離器內(nèi)會(huì)分層這一條件能對(duì)混合工質(zhì)進(jìn)行更高純度的分離。

(5)組成混合物的各組元之間應(yīng)該相容，但不形成共沸混合物。

因R134a,R23,R14三種工質(zhì)中都不含對(duì)臭氧層有破壞作用的Cl和Br,并且R134a和R23的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)相差55.9℃,R23和R14的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)相差45.9℃。所以本文選取R134a，R23，R14作為混合制冷劑達(dá)到-100℃以下的溫區(qū)對(duì)制冷劑分離進(jìn)行優(yōu)化。2000年上海理工大學(xué)陸朝云，陳建波等采用R134a/R23/R14的三元混合工質(zhì)，通過(guò)一級(jí)壓縮、兩級(jí)分凝循環(huán)，在高壓2.2 MPa、低壓0.15 MPa的實(shí)驗(yàn)條件下得到了-100℃的最低蒸發(fā)溫度【2】。王生軟，時(shí)陽(yáng)湯，長(zhǎng)征，丁瑞華等人做實(shí)驗(yàn)研究了非共沸混合制冷劑不同配比對(duì)自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)的影響，混合制冷劑的配比對(duì)系統(tǒng)的制冷速度影響比較大【3】，組分配比不同降溫速度也不一樣，組分配比不同，壓縮機(jī)的功耗也不同。在制冷劑方面，非共沸混合制冷劑的選擇和配比還須進(jìn)行進(jìn)一步的研究，同時(shí)新型制冷劑替代的相關(guān)研究也在不斷發(fā)展。在自動(dòng)復(fù)疊系統(tǒng)中，混合工質(zhì)的分離效果直接影響到系統(tǒng)的COP值*。

2自復(fù)疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)原理

2.1　自復(fù)疊式制冷循環(huán)系統(tǒng)原理

圖(1)是制冷循環(huán)原理圖。該系統(tǒng)利用了每一級(jí)換器反流的低溫混合物進(jìn)行冷卻，改善了整個(gè)系統(tǒng)的換熱效果，提高了系統(tǒng)的效率。此系統(tǒng)工作流程如下：

R134a，R23和R14三種工質(zhì)組成的低溫低壓的混合氣體進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮后經(jīng)油分離器進(jìn)入冷凝器。在冷凝器中，具有較高沸點(diǎn)的制冷劑R134a大部分冷凝為液態(tài)，R23，R14大部分仍為氣態(tài)。氣液兩相制冷劑經(jīng)過(guò)第一級(jí)氣液分離器后，液體由下邊流出，氣體從上邊溢出。流出的液體進(jìn)入節(jié)流裝置，節(jié)流后成為壓力和溫度都較低的兩相流體，與下一級(jí)換熱器反流的制冷劑混合，冷凝來(lái)自氣液分離器的氣相制冷劑。在第一級(jí)冷凝蒸發(fā)器中，一部分中溫制冷劑R23冷凝下來(lái)。氣液兩相制冷劑進(jìn)入第二級(jí)氣液分離器，分離出液體后的R14仍為氣體。氣液兩相制冷劑經(jīng)二級(jí)節(jié)流后溫度更低，與反流制冷劑混合又進(jìn)入二級(jí)冷凝蒸發(fā)器，冷卻尚未冷卻的低溫制冷劑R14,。被冷卻的R14與從蒸發(fā)器出來(lái)的制冷劑通過(guò)回?zé)崞鬟M(jìn)行熱交換，R14被更進(jìn)一步冷卻，經(jīng)最后的一級(jí)節(jié)流后，進(jìn)入蒸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的低溫要求。氣液兩相的R14低溫制冷劑在蒸發(fā)吸熱后，逐級(jí)反流，與R23，R134a混合后，被壓縮機(jī)吸入，再進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。

圖1　自復(fù)疊式制冷循環(huán)原理圖

在自動(dòng)復(fù)疊制冷系統(tǒng)中，如果高沸點(diǎn)和低沸點(diǎn)制冷劑可以很好地被分離，低沸點(diǎn)制冷劑越純就可以得到越低的蒸發(fā)溫度。

對(duì)于復(fù)疊式制冷循環(huán)制冷劑的分離越徹底系統(tǒng)的效率就越高。本文將從反應(yīng)循環(huán)，和對(duì)復(fù)疊式制冷循環(huán)有較大影響的反應(yīng)裝置兩方面進(jìn)行理論性的研究。

2.2　復(fù)疊式制冷循環(huán)的改進(jìn)

對(duì)于復(fù)疊式制冷，制冷裝置的特性直接影響到反應(yīng)的效率，所以研究制冷裝置對(duì)系統(tǒng)的影響是十分必要的。其中對(duì)于混合工質(zhì)制冷循環(huán)中的氣液分離器是不同于常規(guī)制冷循環(huán)，它是系統(tǒng)中的重要部件，氣液分離效果的好壞直接影響系統(tǒng)的最終蒸發(fā)溫度和制冷效率。

傳統(tǒng)的復(fù)疊式制冷系統(tǒng)用于冷卻較低溫度的制冷劑只是在回?zé)崞髦?，而本循環(huán)將其引入氣液分離器中，增加了過(guò)冷度，并且一定程度上相當(dāng)于增加了制冷劑含量。

圖(2)是新型制冷循環(huán)原理圖。本系統(tǒng)在傳統(tǒng)復(fù)疊式制冷的基礎(chǔ)上將回?zé)崞髦杏糜诶鋮s低溫制冷劑的高溫制冷劑液體再一次引入氣液分離器中，使制冷劑的充注量在一定程度上可以減少，并且增加了過(guò)冷次數(shù)使制冷效果更明顯。

圖2　新型制冷循環(huán)原理圖

具體制冷過(guò)程：制冷劑混合工質(zhì)的低溫低壓的混合氣體進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮后經(jīng)油分離器進(jìn)入冷凝器。在冷凝器中，具有較高沸點(diǎn)的制冷劑R134a大部分冷凝為液態(tài)，R23，R14大部分仍為氣態(tài)。氣液兩相制冷劑經(jīng)過(guò)第一級(jí)氣液分離器后，液體由下邊流出，一部分進(jìn)入回?zé)崞?，為未被冷卻的中溫制冷劑在回?zé)崞?中過(guò)冷，另一部分再次回到氣液分離器1中，將新進(jìn)入的混合制冷劑冷卻，使高溫制冷劑冷卻成液體并冷卻得更充分，再?gòu)牡撞苛鞒?，如此周而?fù)始。

在回?zé)崞?中的中溫制冷劑經(jīng)冷卻后進(jìn)入氣液分離器2，此時(shí)制冷劑中含有大部分的中溫制冷劑和幾乎全部的低溫制冷劑，中溫制冷劑在回?zé)崞?中大部分被冷卻成液態(tài)，從氣液分離器底部流出，一部分進(jìn)入回?zé)崞?冷卻低溫制冷劑，一部分重回氣液分離器。低溫制冷劑經(jīng)過(guò)回?zé)崞?被再度過(guò)冷后進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行冷卻，低溫制冷劑從蒸發(fā)器出來(lái)后經(jīng)過(guò)回?zé)崞?對(duì)進(jìn)入蒸發(fā)器前的制冷劑再次過(guò)冷，然后再進(jìn)入氣液分離器2再次過(guò)冷，并參與下一步的分離過(guò)程。

由圖可以看出用于冷卻制冷劑蒸汽的制冷劑液體不僅流經(jīng)回?zé)崞?，之后還會(huì)進(jìn)入氣液分離器，用來(lái)將氣液分離器里的制冷劑過(guò)冷，一定程度上相當(dāng)于增加了制冷劑的含量，一舉雙得。

本循環(huán)的創(chuàng)新點(diǎn)有：

(1)增加了制冷劑的過(guò)冷次數(shù)。使制冷劑的分離更加徹底。

(2)本循環(huán)中制冷劑被再利用，對(duì)每一次分離來(lái)說(shuō)增加了制冷劑的含量。

(3)循環(huán)中僅僅增加了管路長(zhǎng)度，并沒(méi)有引進(jìn)新的設(shè)備，對(duì)投資影響不大。

理論上本制冷系統(tǒng)可以進(jìn)一步提高過(guò)冷度使制冷劑分離更徹底，對(duì)于自動(dòng)復(fù)疊式制冷，制冷劑分離的程度直接影響整個(gè)制冷過(guò)程。

制冷劑分離越徹底制冷效果越理想，

此制冷循環(huán)滿足了我們對(duì)復(fù)疊式制冷更高制冷效率的要求。但是此應(yīng)用目前還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。

3氣液分離器的改進(jìn)

傳統(tǒng)的內(nèi)復(fù)疊循環(huán)的氣液分離方式，是等溫等壓下的平衡閃蒸方式，將已經(jīng)形成氣液兩相的流體，在流道上采取一些措施，使氣液兩相分離，但這種分離方式不能較好地分離高低沸點(diǎn)組分。

中科院理化技術(shù)研究所制冷與低溫工程研究中心提出了一種新型分凝分離式內(nèi)復(fù)疊節(jié)流制冷循環(huán)，設(shè)計(jì)了一種具有內(nèi)部傳熱和傳質(zhì)的分凝分離器，并用此來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氣液分離器。循環(huán)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

該系統(tǒng)的具體分離方式是采用高壓流體內(nèi)部傳熱傳質(zhì)分離方式，利用低壓返流提供分離驅(qū)動(dòng)力，使高壓流體的冷凝回流將高壓流體中較高沸點(diǎn)的組分在較高溫區(qū)分離出來(lái)，同時(shí)確保分離出的氣體中包含較高沸點(diǎn)的組分遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)平衡閃蒸方式，而且分離方式只依靠重力無(wú)須外來(lái)機(jī)械部件和特殊流道設(shè)計(jì)【4】。

圖3　新型分凝分離式內(nèi)復(fù)疊節(jié)流制冷循環(huán)1.壓縮機(jī);2.冷凝器;3一級(jí)逆流熱交換器;4.分凝分離器;5.二級(jí)逆流熱交換器;6.節(jié)流裝置;7.蒸發(fā)器

本文也就氣液分離器進(jìn)行了討論。在自動(dòng)復(fù)疊式制冷循環(huán)中，氣液分離器的分離效果至關(guān)重要。近些年大家對(duì)氣液分離器的研究也層出不窮。我們對(duì)絲網(wǎng)式氣液分離器進(jìn)行討論分析，傳統(tǒng)的氣液分離器中，霧沫分離器都是圓盤(pán)樣式的，一般是由絲網(wǎng)纏繞緊壓在一起而成型的，安裝在設(shè)備里面氣體出口附近。這種分離器由于絲網(wǎng)緊壓在一起，且無(wú)導(dǎo)流裝置，碰撞到分離器的霧沫沒(méi)有匯集的渠道，霧沫很難匯集成液滴流下來(lái)，即使有部分小的液滴形成，也容易被氣體出口附近的高速氣流再次霧化不利于氣液分離。對(duì)于立式氣液分離器，筆者的基本思想是擴(kuò)大混合制冷劑的流通截面，降低流速，同時(shí)盡可能增加氣液混合工質(zhì)在分離器中的時(shí)間，依靠重力的方式使液滴沉淀下來(lái)，避免液體再次被霧化造成氣液分離效率下降。

所以對(duì)于絲網(wǎng)式氣液分離器我們可以將分離器內(nèi)部圓盤(pán)形設(shè)計(jì)為錐形，倒扣放置，絲網(wǎng)為上置絲網(wǎng)，將絲網(wǎng)設(shè)計(jì)成為橢圓形狀，在每一層中間加設(shè)導(dǎo)流筋。

(1)設(shè)計(jì)成錐形是因?yàn)殄F形比圓形固定性更強(qiáng)，接觸面積更大，使氣液混合物留在氣液分離器的時(shí)間加長(zhǎng)，倒錐型使流體一部分延壁面留下，避免了被霧化的可能。

(2)將絲網(wǎng)拉成菱形便于液體下流，并且橢圓形絲網(wǎng)能一定程度上避免堵塞現(xiàn)象。

(3)在每一層中加設(shè)導(dǎo)流筋可以增強(qiáng)導(dǎo)流效果，并且使絲網(wǎng)用量減少。

(4)該分離器制作簡(jiǎn)單，且絲網(wǎng)用量減少，無(wú)需大的投資。

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Automatic Cascade Refrigeration System of Refrigerant Components Separation Research

ZHENG Dayu，CHEN Qiuyan

(Harbin University Commerce，Harbin 150028)

Abstract：With a single agent for refrigerant single-stage vapor compression refrigeration system was limited due to condensing pressure and compression ratio determined by the environment temperature,normally only applied in the temperature range of more than 200 k.And use a single refrigerant will be limited due to low evaporation pressure on the poles of the cycle,or refrigerant solidification.Multiple nonazeotropic mixed working medium automatic cascade can achieve in temperature range of 100 k,but as a result of working medium,the separation of gas and liquid two is not completely,make the system energy efficiency is low,the capacity is small,so that its application has great limitations.So study the phase change law of refrigeration technology and refrigeration equipment,improve the separation effect of the system,has important theory value and application significance.

Key words:Automatic cascade system;Mixed refrigerant;Component separation;Gas liquid separator;Separation efficiency

[中圖分類(lèi)號(hào)]TU443[文獻(xiàn)標(biāo)示碼]A

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.01.003

文章編號(hào)：ISSN1005-9180(2015)01-014-05

作者簡(jiǎn)介：鄭大宇(1965-)，男，教授，研究方向：自動(dòng)復(fù)疊式制冷。Email：ZhengDayu2000@163.com

收稿日期：2014-10-24