賈卿晨 王雪晨

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相對(duì)于單機(jī)制冷系統(tǒng)或者單機(jī)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)來說，雙機(jī)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)能夠提供相對(duì)充足的制冷量[1]，但不足之處是其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，零部件較多，體積較大，導(dǎo)致雙機(jī)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)較為困難。目前，雙機(jī)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)由兩部分組成，一部分為高溫端制冷系統(tǒng)，另一部分為低溫端制冷系統(tǒng)，兩套制冷系統(tǒng)都是完整的系統(tǒng)，其中高溫端的蒸發(fā)器可以視為通過套管為低溫端的冷凝器降溫。

在對(duì)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行的研究與探索中，劉寒等[2]依托R404A/R23復(fù)疊式超低溫制冷試驗(yàn)臺(tái)，采用控制單一變量的方法，對(duì)復(fù)疊式制冷循環(huán)中一系列制冷系數(shù)的影響進(jìn)行了研究和探索；汪磊等[3]通過搭建R404A/R23復(fù)疊式壓縮制冷系統(tǒng)，探索了中間溫度對(duì)制冷系統(tǒng)中其他性能參數(shù)的影響；胡春霞等[4]通過搭建的復(fù)疊式制冷系統(tǒng)對(duì)多級(jí)制冷系統(tǒng)的性能進(jìn)行了深入的研究。

大部分學(xué)者研究的復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中低溫端制冷劑主要選用R13或R23，兩者均為氟化物，溫室效應(yīng)大，且R508B制冷劑標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為-87.3℃，分別低于R13制冷劑(-81.4℃)和R23制冷劑(-82℃)的沸點(diǎn)值，因此，本文低溫端選用環(huán)保制冷劑R508B。

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)恒溫槽的R404A/R508B復(fù)疊式制冷系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索，通過在恒溫槽中搭建R404A/R508B復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，調(diào)整物性參數(shù)，并觀察記錄高低溫端制冷系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，驗(yàn)證R508B制冷劑在復(fù)疊式制冷系統(tǒng)中的制冷效果。

1 復(fù)疊式低溫制冷系統(tǒng)搭建

1.1 低溫制冷系統(tǒng)工作原理

低溫端制冷系統(tǒng)由低溫端壓縮機(jī)、油液分離器、過熱冷卻器、中間換熱器(即為低溫端冷凝器)、干燥過濾器、毛細(xì)管、蒸發(fā)器組成，使用R508B制冷劑，其工作流程如下：由低溫端壓縮機(jī)出來的高溫高壓R508B過熱蒸汽，在過熱冷卻器中進(jìn)行提前降溫，隨后，高溫高壓R508B過熱蒸汽進(jìn)入中間換熱器被高溫端制冷劑進(jìn)一步冷凝為高壓過冷液體，高壓過冷液體經(jīng)毛細(xì)管節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱汽化為低溫低壓氣體，最后被吸入低溫端壓縮機(jī)壓縮為高溫高壓過熱蒸汽。

本實(shí)驗(yàn)中的中間換熱器采用套管同軸換熱器，以增強(qiáng)高、低溫端制冷系統(tǒng)間換熱效果。

1.2 主要部件選型及參數(shù)

通過計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以確保恒溫槽制冷性能達(dá)到要求為目標(biāo)，確定本復(fù)疊式制冷系統(tǒng)相關(guān)部件參數(shù)。其中，高溫端壓縮機(jī)、低溫端壓縮機(jī)均為思科普SC21CL壓縮機(jī)，功率1600W；高溫端冷凝器是翅片式風(fēng)冷冷凝器，換熱面積為9m2；中間換熱器為套管同軸換熱器，換熱面積為1.3m2；高溫端制冷系統(tǒng)中的節(jié)流裝置采用的是丹佛斯熱力膨脹閥，低溫端制冷系統(tǒng)中的節(jié)流裝置采用的是毛細(xì)管，長度為300mm，內(nèi)徑為1mm；為了防止雜質(zhì)堵塞毛細(xì)管，干燥過濾器為丹佛斯干燥器；恒溫槽整體結(jié)構(gòu)采用制冷機(jī)組與箱體分置式結(jié)構(gòu)。恒溫槽分為上下兩部分，上部為液體槽，下部為制冷系統(tǒng)裝置，低溫端蒸發(fā)盤管浸入液體槽中，且槽內(nèi)加入酒精工質(zhì)，本制冷系統(tǒng)的目的是使酒精工質(zhì)降溫至-80℃。液體槽內(nèi)容積為16L，采用不銹鋼板焊接而成，且中間充注聚氨酯發(fā)泡，滿足其保溫要求。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 高溫端制冷系統(tǒng)運(yùn)行情況

高溫端制冷系統(tǒng)排氣溫度和排氣壓力變化曲線分別如圖1、圖2所示。由圖中可以看出，高溫端制冷系統(tǒng)啟動(dòng)后，其制冷量逐漸增大，其排氣溫度和排氣壓力隨之升高，當(dāng)高溫端制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度到達(dá)-33℃時(shí)，溫度開關(guān)啟動(dòng)，隨后低溫端制冷系統(tǒng)啟動(dòng)，高溫端制冷系統(tǒng)的冷量需求量逐步達(dá)到最高值，相應(yīng)高溫端系統(tǒng)的排氣溫度和排氣壓力也分別達(dá)到73.4℃和15.6bar的峰值。

圖1 高溫端制冷系統(tǒng)排氣溫度變化曲線

圖3 高溫端制冷系統(tǒng)回氣溫度變化曲線

隨著低溫端制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度和恒溫槽內(nèi)溫度降低，制冷系統(tǒng)所需冷量趨于穩(wěn)定，高溫端制系統(tǒng)的排氣溫度和排氣壓力開始逐步下降，到最后低溫端制冷系統(tǒng)槽內(nèi)部溫度穩(wěn)定，制冷系統(tǒng)冷量趨于穩(wěn)定，高溫端制冷系統(tǒng)的排氣溫度和氣壓力也隨之趨于穩(wěn)定，排氣溫度維持在65℃左右，排氣壓力穩(wěn)定在12bar左右。

2.2 低溫端制冷系統(tǒng)運(yùn)行情況

低溫端制冷系統(tǒng)的排氣溫度變化曲線如圖4所示。從圖4可以得出，隨著低溫壓縮機(jī)的啟動(dòng)，低溫端制冷系統(tǒng)的排氣溫度由常溫逐漸增大，在近80分鐘后達(dá)到頂峰79.3℃，隨后由于制冷系統(tǒng)運(yùn)行趨于穩(wěn)定，排氣溫度也隨后趨于平穩(wěn)，并穩(wěn)定在69℃左右。

圖4 低溫端制冷系統(tǒng)排氣溫度變化曲線

低溫端制冷系統(tǒng)排氣壓力變化曲線如圖5所示。由圖中可以看出，排氣壓力隨著低溫端壓縮機(jī)啟動(dòng)開始變化，10min壓力達(dá)到11.3bar且逐漸上升，在75分鐘初達(dá)到峰值15.8bar，隨后，由于制冷系統(tǒng)性能趨于穩(wěn)定，制冷量的需求也隨之減少，其排氣壓力由峰值逐漸降低至12.3bar左右，且趨于穩(wěn)定。由低溫端制冷系統(tǒng)排氣溫度與排氣壓力變化可以看出低溫端制冷系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

圖5 低溫端制冷系統(tǒng)排氣壓力變化曲線

低溫端制冷系統(tǒng)吸氣壓力變化曲線如圖6所示。由圖中可以看出，隨著低溫端壓縮機(jī)的啟動(dòng)，因?yàn)橹评淞啃枨蟮牟粩嘣黾?，其吸氣壓力也隨之上升，且在1小時(shí)左右達(dá)到峰值1.5bar，隨后由于系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，吸氣壓力隨之回落并穩(wěn)定在1bar左右。

圖6 低溫端制冷系統(tǒng)吸氣壓力變化曲線

由圖7可以看出，隨著低溫端制冷系統(tǒng)的啟動(dòng)，其蒸發(fā)盤管的溫度也隨之迅速降低，運(yùn)行10min由11.2℃降到-67.9℃，溫降接近80℃，運(yùn)行40min降到-85℃，溫度較為穩(wěn)定的維持在-86.5℃左右。

圖7 低溫端制冷系統(tǒng)蒸發(fā)盤管溫度變化曲線

3 結(jié)論

本文針對(duì)恒溫槽的R404A/R508B復(fù)疊式制冷系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索，通過在恒溫槽中搭建R404A/R508B復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，調(diào)整物性參數(shù)，并觀察記錄高、低溫端制冷系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，客觀評(píng)價(jià)制冷系統(tǒng)的運(yùn)行狀況并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

(1)R508B環(huán)保制冷劑完全能夠?qū)崿F(xiàn)制冷目標(biāo)，是R13及R23制冷劑的良好替代；

(2)本制冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了-86.9℃的蒸發(fā)溫度和-80.2℃的恒溫槽內(nèi)溫度，實(shí)驗(yàn)證明，使用R404A/R508B制冷劑的復(fù)疊式制冷系統(tǒng)能夠滿足恒溫槽制冷要求；

(3)低溫端制冷系統(tǒng)回氣壓力比較大，減小了壓縮機(jī)的吸氣容積，從而降低了系統(tǒng)制冷效率。