（制冷及低温工程专业论文）精馏型自动复叠式低温箱的实验研究.pdf

浙江大学硕上学位论文 摘要 精馏型自动复叠式低温箱的实验研究 王生龙 ( 浙江大学制冷与低温研究所杭州3 1 0 0 2 7 ) 摘要 自动复叠制冷系统是一种单级压缩，采用混合工质作为制冷剂的制冷系统。 它利用汽液分离装置将不同沸点的组元分开，再经过它们之间相互换热，最终达 到较低的制冷温度。采用精馏装置作为汽液分离器，可以大大提高分离效果，使 得系统制冷效率和稳定性得到了提高。精馏型自动复叠式制冷系统造价低，效率 高，稳定性好，具有广阔的应用前景。本文从理论和实验两个角度对采用精馏柱 的自动复叠制冷循环的低温箱进行了研究，主要研究内容如下： 1 、综述了自动复叠制冷循环的演变历程、发展历史以及国内外研究现状，并在 此基础上分析了自动复叠制冷循环的研究意义和进一步研究的方向。 2 、提出了一种具有精馏装置的新型自动复叠制冷循环，并从理论角度对其机理 给予分析。 3 、比较系统的叙述了精馏型自动复叠式低温箱的系统热力计算、设备选型设计 的方法，并进行具体设计及选型计算。 4 、设计并改进了精馏型自动复叠式低温箱的实验台。对改进部件的性能进行了 测试；并通过一系列实验得出了自动复叠制冷循环中主节流阀和釜底节流阀 的开度以及混合工质中各个组元的成分配比对制冷温度、c o p 、降温速率等 性能参数的影响。 关键词： 自动复叠精馏装置混合工质设计 实验 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a ne x p e r i m e n t a ls t u d yo nu l t r al o w t e m p e r a t u r eb o x u s i n gr e c t i f i c a t i o na u t o - c a s c a d er e f r i g e r a t i o ns y s t e m w a n gs h c n g l o n g i n s t i t u t e o f r e f r i g e r a t i o n c r y o g e n i c s e n g i n e e r i n g , z h e j i a n g u n i v e r s k 嗽, h a n g z h o u 3 1 0 0 2 7 a b s t r a c t a u t o c a s c a d er e f r i g e r a t i o ns y s t e mi sak i n do fr e f r i g e r a t i o n ，i nw h i c hm i x e d r e f r i g e r a n ti se m p l o y e da n do n l ys i n g l ec o m p r e s s o ri sr e q u i r e d d i f f e r e n tb o i l i n gp o i n t r e f r i g e r a n t s a r e s e p a r a t e db yal i q u i d g a ss e p a r a t o ri nt h i ss y s t e m ，a n dt h e nt h e y e x c h a n g eh e a te a c ho t h e r , a n do b t a i nu l t r al o wt e m p e r a t u r ef i n a l l y t h er e c t i f i c a t i o n d e v i c ei sal i q u i d - g a s s e p a r a t o rw i t hh i g he f f i c i e n c y a u t o - c a s c a d er e f r i g e r a t i o n s y s t e mu s i n g ar e c t i f i c a t i o nd e v i c ea st h el i q u i d g a ss e p a r a t o rm u s th a sab r i g h tf u t u r e w i t ha d v a n t a g e ss u c ha sl o w c o s t ，h i g he f f i c i e n c y t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w ： 1 t h er e s e a r c hh i s t o r ya n dp r e s e n ts t a t u so fa u t o c a s c a d er e f r i g e r a t i o ns y s t e ma t h o m ea n da b r o a da r cr e v i e w e d f u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o ni sa l s op o i n t e do u t 2 an e w l yr e c t i f i c a t i o na u t o c a s c a d er e f r i g e r a t i o ns y s t e mi sp r o p o s e d ，a n di t s w o r k i n gp r i n c i p l ei sa l s oa n a l y z e d 3 t h em e t h o do ft h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o no ft h es y s t e ma n dd e s i g no ft h ek e y c o m p o n e n t si sd e s c r i b e ds o u n d l y 4 a ne x p e r i m e n t a la p p a r a t u sw i t hr e c t i f i c a t i o nd e v i c ei ss e tu pa n de x p e r i m e n t sa r e s u c c e s s f u l l y c a r r i e do u t t h er e g u l a r i t yo fp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r ss u c ha s r e f r i g e r a t i o nt e m p e r a t u r e ，c o pa n dc o o l i n gv e l o c i t ya c c o r d i n gt ot h ev a r i a t i o no f t h r o t t l e s o p e n i n ga n dc o m p o s i t i o np r o p o r t i o na r eo b t a i n e d k e y w o r d a u t o c a s c a d e ；r e c t i f i c a t i o nd e v i c e ；r e f r i g e r a n tm i x t u r e ；d e s i g n ；e x p e r i m e n t 浙江大学硕士学位论文 主要符号表 拉丁字母 口 a b c c d p c p d d f ， h k ，k k i k “ 己 m m 主要符号表 p - t 方程常数 面积 p t 方程常数 p - t 方程常数 制冷系数 定压比热容 管径 精馏柱顶参数 逸度 主流率 面积， 原始p t 方程常数 总传热匿积， 精馏柱进料参数 比焓 总传热系数 汽液平衡常数 相互作用参数 可用能损失 精馏柱塔板间的液相流量 管长 质量流龟 p - t 方程常数， 精馏柱回流液的抽取率 p t 方程常数， 组元数 摩尔数 m p p p r q q q r w w x 五。 y z z 压力 压力 压比 精馏柱进料状态参数 热量 热负荷 气体常数， 回流比 最小回流比 比熵 过程熵产 温度 温度 对数平均温差 热力学平均温度差 速度 比容 体积流量 容积 精馏柱塔板间的气相流最 压缩机单位功耗 精馏柱釜底参数 液相摩尔成分 干度 汽相摩尔成分 总摩尔成分 压缩因子 j心，丁虬峨。，也y 浙江大学硕士学位论文 主要符号 希脂字母 a 芦 6 y 叩s a j d “ o f 上角标 0 f p s a t 下角标 0 6 c p - t 方程温度函数 相对挥发度 对流换热系数 肋化系数 壁厚 活度系数 翅片管的表面效率 表面效率 导热系数，输气系数 密度 化学势 临界压缩因子 时间 逸度系数 标准态 液相 汽相 饱和态 液相 气相 基准点参数 泡点参数 临界参数 d e x l 、e x 2 e l d ， h h j f ，打 m o r r s 5 丁 w 压缩机参数 露点参数 回热器参数 电机参数 精馏过程参数， 耩馏柱柱顶参数 精馏柱进料参数 精馏柱进料参数 幸青馏柱内重关键组分 冷凝过程参数 组元号 管内侧 组元号 塔板号 精馏柱内轻关键组分 蒸发过程参数 混合工质参数 混合过程参数 理论值 管外侧 临界参数， 余函数 精馏循环参数 实际状态 等熵过程参数 节流过程参数 精馏柱柱底参数 堑坚盔兰堡主兰堡堡苎笠：堡! i 塑堕茎 第一章绪论综述 自动复叠制冷循环的是伴随着节流制冷的不断发展而应运而生的一种新颖 的制冷循环。该循环结构简单，运行可靠，采用单级压缩能实现一4 0 c 一一1 5 0 乃至更低的制冷温度。自动复叠制冷循环的出现为该温区的应用提供了一个崭 新的方向随着该技术的不断成熟，其在各个领域的运用将会越来越广泛 本章从自动复叠制冷循环的研究背景和意义出发，回顾了该制冷循环的演变 历程和发展历史，综述了其发展现状，并概括了本文的主要研究工作。 1 1 研究背景和意义 追溯历史记载，制冷技术早在远古人类开始将冬季自然界的天然冰雪保存到 夏季使用的时候就开始出现了。现代制冷技术起源于1 8 世纪中叶。人工制冷技 术的发展应该从1 8 3 4 年英国人p e r k i n s ，j 采用乙醚作制冷荆制成第一台蒸气压 缩节流制冷循环制冷机算起【”。在这以后的一百七十年里，制冷技术不断飞速发 展，为工业的进步、人民生活水平的提高和社会的进步作出了不可磨灭的贡献。 随着社会的发展，工业的进步，一8 0 一1 2 0 c 的温区在开始在化学化工、 制造业、低温电子、低温生物、低温外科、低温测量、冷冻干燥、军工、计算机 芯片冷却、红外探测及热像冷却系统等方面获得了越来越广泛的应用，这对制冷 技术提出了新的要求。 自动复叠制冷循i s ( a u t oc a s c a d er e f r i g e r a t i o nc y d e ，缩写为a c r l “，文献3 也称之为a u t or e f r i g e r a t i o nc a s c a d e ，缩写为a r c 【3 l ，另外还有文献分别称之为 内复叠制冷循环1 4 】、自行复叠制冷循环【5 1 以及分凝制冷循环【6 】1 通过选择适当的多 元混合工质作为制冷剂可以获得8 0 一1 2 0 温区甚至更低的制冷温度。与 其他可以实现该温区制冷温度的制冷循环相比，自动复叠制冷循环系统有着许多 优势。例如，该系统中仅采用单级油润滑压缩机，造价较低；而且其冷端无运动 部件，运行更加可靠：并且可以实现变浓度容量调节，效率较高等。 自动复叠制冷循环的种种优点决定了其必定具有广阔的应用前景。但由于该 技术发展起步较晚，技术含量较高，控制复杂，且一些内在机理仍不完善，所以 目前其实际应用并不广泛。本文从理论出发，并通过搭建一个自动复叠制冷循环 审b 浙江大学硕士学位论文第一章绪论综述 的超低温冰箱实验台，从实验角度深入研究自动复叠制冷循环，并从中总总结得 出了些有用的结论和规律，为该制冷循环的实用化，产业化进程推进了一步。 1 。2 自动复叠制冷循环研究进展 1 2 1 演变历程 纵观制冷低温技术的发展史，我们可以看出，自动复叠制冷循环存在着一条 清晰的演变历程。从简单蒸气压缩节流制冷循环，到传统外复叠式制冷循环以及 混合工质林德制冷循环，最后在前面两者基础上衍生出了自动复叠式制冷循环。 蒸气压缩节流制冷循环 蒸气压缩节流制冷循环，也就是所谓的j t 制冷循环，工作原理是利用常4 冷 工质在有摩擦的流动中所发生的j o u l e - t h o m s o n t t l 效应进行制冷。该制冷循环发 展较早，技术最为成熟。因其有结构简单，制冷侧无运动部件，运行可靠，制冷 温区广，制冷量大，制冷效率较高等特点，至今仍然是应用范围最广的制冷循环。 单级蒸气压缩制冷机所能达到的蒸发温度主要是取决于它的冷凝压力及压 缩比，制冷剂的冷凝压力由环境介质( 如空气或水) 的温度决定。当冷凝压力一定 时，要想达到较低的蒸发温度，其蒸发压力也就随之降低，因而压比也就随之变 大。但是以纯净物为工质的单级蒸汽压缩制冷机因制约于外界环境温度所决定的 冷凝压力，一般只能用于- 4 0 。c 以上的温区。当其运用于一4 0 。c 以下温区时，为达 到所需的制冷温度，必须以降低中温制冷剂的蒸发压力为代价。这将导致以下三 种后果： 1 、吸气比容将会急剧下降，压缩机的输气系数大为减少，压缩机偏离等熵过 程很远，功耗增大， 2 、节流过程的损失大为增加，制冷机的单位制冷量将趋于零。 3 、取决于冷凝压力和蒸发压力之比的压缩机排气温度将急剧上升，使润滑 油变稀，甚至于炭化，使压缩机不能正常工作。 为了获得较低的蒸发温度( 一4 0 c 一7 0 4 c ) ，就要应用多级压缩循环，使每一 级的压比减少，效率提高但实际上由于压缩机不能保持很低的蒸发压力，在应用 中压制冷剂时，三级压缩循环的蒸发温度范围与两级压缩循环相差不大。 为了获得更低的温度( 一8 0 一1 2 0 。c ) ，采用单一制冷剂的多级压缩循环 将受到蒸发压力过低，或制冷剂凝固的限制。蒸发压力过低，一方面使空气渗漏 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论综述 入制冷系统内的机会增加，另一方面由于蒸汽比容的增大和输气系数的降低，使 压缩机气缸尺寸急剧增大。如果采用低温制冷工质，虽然在蒸发压力方面得到改 进和提高，但冷凝压力也随之提高。当接近临界状态时循环的节流损失大大增加， 而实现超临界循环时经济性更差。而采用其它低温技术来满足这一要求，也还存 在很多问题，其最大问题就是制冷密度过小，由于采用气体膨胀方式，会使得设 备过于庞大、复杂，而难以满足某些应用场合的要求。进一步分析可发现主要是 制冷机在可靠性、运行效率、制作成本等方面存在问题，制约了低温制冷技术在 较高温区的广泛应用。 由以上分析可以看到，为了满足各个领域对- - 8 0 一1 2 0 温区越来越广 泛越来越高的要求，必须寻求新的制冷途径。 传统外复叠式制冷循环【8 】 传统外复叠式制冷循环可以在和普通蒸气压缩制冷循环相当的冷凝蒸发压 力下以相当大的制冷密度达到较低的制冷温度( 一8 0 一1 2 0 ) 。图1 1 所示 的是传统外复叠式制冷循环的系统原理图。该制冷循环通常由两个( 或多个) 采 用不同制冷剂的单级( 或多级) 制冷系统组合而成。通常在高温系统里使用沸点 较高的制冷剂，在低温系统里使用沸点较低的制冷剂，各自成为一个使用单一制 冷剂的制冷系统。高温系统中制冷剂在冷凝蒸发器中蒸发，用来冷凝其中的低温 系统的制冷剂。只有低温系统中的制冷剂蒸发吸热，实现较低温度的制冷。 a 、b 低高温部分压缩机c 冷凝器d 冷凝蒸发器e 蒸发器f _ 节流阀 图1 1 传统外复叠式制冷循环系统原理图 为了使传统外复叠式制冷系统的低温系统在停机时压力不至于过度升高，且 在运行时不至于有工质不足之感，所以常在其低温系统中设有膨胀容器。此外， 由于在超低温区域，润滑油容易从制冷剂中分离并凝结脱蜡，堵塞节流装置，造 3 浙江大学硕士学位论文第一章绪论综述 成制冷效率低下，甚至不制冷。因此在低温系统压缩机的排气口安装一个油分离 器就十分必要了，同时还应在系统中填加适当的类似脱水戊烷等物质，以防止脱 蜡。有条件的可以更换成不含蜡的压缩机冷冻油。 可以看出，采用传统外复叠式制冷循环时，使用了多个压缩机，并且往往需 要一些辅助部件，制冷系统的复杂性及系统运行的维护要求都比单级制冷系统增 大，从设计制造到生产维护，都需要更多的投入。从理论上讲，可以通过三级或 多级的复叠来实现更低的制冷温度。但随着级数的增加，系统的可靠性以及效率 将大幅下降，且其复杂性以及成本也随之增加。 传统外复叠制冷循环的发展也相对较早，技术也比较成熟。目前国内外的超 低温冷冻装置特别是超低温箱大多采用的是该制冷循环。但昂贵的造价和较低的 效率注定其必将被更先进的制冷技术所代替。 林德制冷循环( l i n d e h a m p s o n ) 9 1 蒸气压缩制冷循环应用于深冷温区的另一发展方向就是混合工质。采用混合 物工质可以使节流运行压力大大降低，增大最小等温节流效应。另外，由于采用 合理选配的混合物工质可以有效地改善循环高低压气流的水当量匹配，减少回热 损失，从而也降低节流损失，最终提高系统效率。特别是非共沸混合制冷剂可以 实现洛伦兹循环，在实际变温热源中运行可以大大提高系统效率。在液氮温区， 经过优化混合物工质节流制冷循环的卡诺系数可以达到3 0 4 j 0 左右。 采用多元混合物节流工质一次节流加回热的林德循环的示意图见图1 2 所 示。该循环主要的特点就是利用混合制冷剂作为工作介质，并且在单级蒸气压缩 制冷循环的基础上在蒸发器和冷凝器出口设置了一个回热器，使节流前的制冷剂 液体与压缩机吸入前的制冷剂蒸气进行热交换，使液体过冷、蒸气过热。 f 哥! 鬻 a - n 缩杌b - 冷却器c 回热器d ，节流阀e - 蒸发器 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论综述 图1 2 林德制冷循环系统原理图 多元混合物工质一次节流制冷循环效率已经非常接近传统外复叠时制冷循 环的效率。由于采用单台油润滑的空调压缩机驱动的多元混合物工质制冷系统， 其系统构成简单，其关键的组成硬件只有三部分： l 、空调压缩机根据制冷温度要求，需适当增加润滑油过滤系统。 2 、冷却器由于多元混合物工质在从压缩机出口温度到被冷却到环境温度 的这一温区内基本处在气相区，几乎没有相变潜热，因此冷却器负荷较少，相应 的冷却器的尺寸很小。 3 1 回热器根据不同需求场合，可以采用相应的成熟的间壁式逆流热交换器 来实现。 上述器部件都是比较成熟的产品，因此该制冷系统可以很容易地实现。另外， 用于组成混合物工质的各组元( 氟里昂类或轻烃类) 也都是比较容易得到的化工 产品，而且对环境无破坏作用。总的来说，多元混合物工质节流制冷系统与复叠 式制冷系统相比简单可靠。因此，在很多场合采用空调压缩机驱动的混合物工质 节流制冷系统都较传统外复叠式制冷系统更优越。 林德制冷循环中仍然要靠高效油分离器来解决类似传统外复叠制冷循环中 存在的油堵问题，所以运行的可靠性仍然不太理想。 自动复叠制冷循环i ”i 除了林德制冷循环外，混合工质还应用于自动复叠制冷循环。自动复叠制冷 循环由传统外复叠式制冷循环发展而来。并综合吸收混合工质一次节流制冷循环 的优点，采用了不同沸点制冷剂互相换热的原理达到较低的温度( 一8 0 一 1 2 0 c ) 。这种系统中充灌了两种或两种以上不同沸点的制冷刹，它们在相同的冷 凝压力和蒸发压力下工作，因此只要一台压缩机。自动复叠制冷循环利用各制冷 剂沸点不同的特性，通过气液分离器或其他特定的分离装置将其分开，再经过它 们之间相互换热( 较高沸点的制冷剂蒸发吸热，而较低沸点的制冷剂放热冷却1 ， 最终达到较低的制冷温度。 图1 3 是单级分凝自动复叠制冷循环的原理图，通过该图我们可以看到当制 冷剂从压缩机a 排出后，进入冷凝器b ，由于制冷剂的二元或多元组分的沸点不 同，在冷凝器中制冷剂中的大部分高沸点组分和进入系统中的压缩机润滑油被冷 5 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论综述 凝成液体，制冷剂中大部分低沸点组分却仍然为蒸气。制冷剂从冷凝器出来后进 a - 压缩机b 冷凝器c 一气液分离器d 一回热器e 、g - 节流阀f - 蒸发器 图1 3 单级分凝自动复叠制冷循环系统原理图 入气液分离器c ，在气液分离器中制冷剂分离为富含高沸点组分的液体和富含低 沸点组分的蒸气，其中液体部分从气液分离器底部引出经过节流阀g 节流后，汇 同从蒸发器f 出来的低温流体，在回热器d 中蒸发吸热，用以冷却从气液分离器顶 部引出的富含低沸点的组分的制冷剂蒸气。被冷却蒸气部分在回热器d 中放热被 冷凝为液体后，经过节流阀e 节流后，进入蒸发器f 进行蒸发制冷。最后，从回热 器出来的制冷剂蒸气再进入压缩机a ，从而完成整个循环。 从该循环的工作原理可以看出，制冷剂的高沸点组分成为循环的高温制冷 剂，制冷剂的低沸点组分成为循环的低温制冷剂，二者在回热器中实现了内复叠。 在冷凝器中冷凝液化的只是制冷剂的高沸点组分，其低沸点组分在回热器中冷 凝，最后进入蒸发器蒸发制冷。这就是自动复叠循环中的自动复叠与自动分离。 另外，实际的发展应用中还出现了两级分凝甚至多级分凝的自动复叠制冷循 环( 如图1 4 所示) 。这种多级分凝自动复叠制冷循环的制冷原理与单级分凝相似 只是在其基础上多增加了几级汽液分离装置和回热器。随着分凝级数的增加，自 动复叠制冷循环可以获得越来越低的温度，但其制冷效率也会随之大幅下降，所 以一般自动复叠制冷循环的分凝级数不会超过三级。 a - 压缩机b - 冷凝器c 1 ，c 2 - 气液分离器d 1 ，d 2 回热器e ，g i 。g 2 节流阀f 蒸发器 6 捧帚蹲黑 浙江大学硕士学位论文第一章绪论综述 图1 4 多级分凝自动复叠制冷循环系统原理图 自动复叠制冷循环充分利用了传统外复叠制冷循环以及混合工质制冷循环 的优点，并弥补了它们的一些不足，综合起来有以下优点： 一、能实现- 8 0 6 c 一1 2 0 乃至更低的制冷温度，且制冷量较大，应用范围广。 二、当冷凝蒸发器中的冷量不完全用来冷却低沸点的制冷剂是，剩余的一部分冷 量可以用来制冷，这样就可以同时实现不同的蒸发温度，扩大了应用范围。 三、润滑油不会进入低温系统堵塞节流装置，雨且制冷侧无运动部件，运行可靠。 四、采用单级油润滑制冷压缩机，且不需要油分离器，结构简单紧凑，造价较低。 五、具有混合工质制冷循环的优点，易实现变浓度容量调节，有效改善了高低压 流体的水当量匹配，减少了回热损失，使得系统具有较高的制冷效率。 但由于自动复叠制冷循环技术含量较高，控制复杂，设计加工要求较高，部 分机理仍不完善。这就限制了其大范围的推广应用。这就为科技工作者的进一步 研究提出了新的挑战。 1 2 2 发展历史 早在1 9 3 6 年，美国人w j p o d b i e l n i a k 就提f l a c r 循环的设想，并申请了专利 ，其后，m r u h e m a n n 提出了以r 1 3 和r 2 2 为工质的一次分凝a c r 循环，如图 1 5 所示。制冷温度为一6 5 c ，但是它们都没有得到实际应用1 1 2 j 。 a 一压缩机b 一冷凝器c 、f 一节流元件d 一冷凝蒸发器g 蒸发器 图1 5 一次分凝a c r 循环 1 9 5 9 年，当时前苏联气体研究所的教授a p - k l e e m e n k o 采用碳氢化合物作制 冷剂，利用自动复叠制冷系统来液化天然气1 1 3 , 1 4 】，见图1 6 。所以现在人们通常 7 浙江大学硕士学位论文第一章绪论综述 把自动复叠制冷循环也称为i o e e m e n k o 循环。 e l a 一压缩机 b 一冷却器 e 2 c 1 一第一级气液分离器 c z 一第二级气液分离器 e 3 d 1 一第一级节流阀 d 2 一第二级节流阀 f - a a 1 ) n 一第i i 级节流阀 e 1 、e 2 、e 3 、e n 一热交换器 f 一蒸发器 图1 6 k l e e m e n k o 型的多元混合工质a c r 制冷循环 a p k l e e m e n k o 采用碳氢化合物作混合工质，并且在高压回路上设置多个汽 液分离器和节流阀，由于每级节流前均为液体，因而节流具有较高的效率。 同年，s m i t hh 和k e n n d e yp 等人提出了采用r 1 2 和r 1 1 5 0 为制冷工质，在冷 凝蒸发器前增加一个分馏冷凝器的a c r 循环【“l 。 6 0 年代末自动复叠制冷循环开始进入工业应用，并迅速成为了液化天然气工 业的最主要制冷机型式| 1 6 1 。所以该循环还被称为天然气液化的混合工质级联循 环( m r c ) 。 1 9 6 3 年，苏联的b 出l ia 兹ko b ckh ，h p 等1 1 7 1 采用单级压 缩、一次分凝a c r 循环( 如图1 7 所示) ，以r 1 3 r 1 2 为工质，当蒸发压力为0 1 m p a 、 压比为1 1 时，得到了- - 8 0 的最低蒸发温度。 g a 一压缩机b 一冷凝器 c 一气液分离器d 、h 一节流阀 e - 冷凝蒸发器f 一贮液器g 一换热器i t 一蒸发器 8 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论综述 图1 7单级压缩单级冷凝非共沸捏合工质循环的系统图 1 9 6 5 年，f u d e r e ra 提出了如图1 8 所示的一次分凝a c r 循环【1 8 】。当采用质 量成分为5 0 的r 1 4 和5 0 的r 1 2 ，蒸发压力和排气压力分别为0 2 m p a 、2 5 m p a 时，可以得到一1 1 6 。c 一1 1 2 。c 的蒸发温度。当采用质量成分为2 0 的r 5 0 和8 0 的r 1 2 ，两级压缩，冷凝温度为3 2 时，可以达到一1 5 6 c 的低温。他指出：低沸 点的工质蒸发后与已经节流的高沸点工质应该在冷凝蒸发器前混合，这样可以降 低高沸点制冷剂在冷凝蒸发器中的分压，蒸发温度因此降低，从而提供了冷凝与 蒸发的传热温差。f u d e r e r 还提出了一个改进的系统。改进的循环系统有两个显 著特点：1 冷凝器由垂直布置的管道构成，因而兼有气液分离器和油分离器的功 能。2 系统设有膨胀箱，通过两个阀门与系统其余部分相接，用于调节循环中制 冷剂成分的配比。 ii t a 一压缩机b 一冷凝器c 、i 、j 一熟交换器d 一气液分离器 b 第一级节流阀f 一第二级节流阀g 一蒸发器h 一冷凝蒸发器 图1 8 f u d e r e r 提出的自动复叠制冷循环流程图 1 9 6 7 年，t c h a i k o v s k yv f 采用双级压缩、一次分凝a c r 循环，以r 1 3 r 1 2 为工质，当环境温度为2 5 c 时，达到了一9 6 。c 的最低制冷温度f 1 9 l 。 1 9 7 2 年，美国p o l y c o l d 公司的d j m i s s i m e r 为改善f u d e r e r 循环中所存 在的启动压力高，稳定时间长，控制不便等问题，提出了具有旁通系统的a c r 循环1 2 0 1 ，如图1 9 。该制冷系统在室温下开始启动或者停车对，压缩机的排气压 力和压比可能超过一定值，这会对压缩机造成损坏。f u d e r e r 循环中的膨胀箱虽 然可以解决这个难题，但膨胀箱的使用减小了系统中的工质流率，从而增加了到 达制冷温度的时间。增加一个旁通管路可以保证在压缩机安全使用范围内系统快 速达到低温，从而使该系统在商业上更其实用性。旁通管路中的旁通阀可以采用 温度或压力控制阀，当然，采用温度或者压力控制的电磁阀更为理想。将该循环 用于冷却容积为1 2 7 升的低温贮藏箱，采用由r 5 0 3 和r 1 1 4 组成的混合工质，当 9 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论综述 最终蒸发温度为一7 3 5 1 2 时，则无旁通管路的循环系统启动压力2 4 m p a ，达到蒸 发终温需要9 0 分钟；采用温度控制的旁通循环系统启动压力为1 9 m p a ，只需4 5 分钟可达到蒸发终温；采用压力控制的旁通循环系统启动压力为2 0 7 m p a ，需要 经过6 0 分钟达到蒸发终温。 次年，m i s s i m e r 又对该a c r 循环进行了改进【2 1 】，在每级汽液分离后，只将 其中的一部分高压冷凝液节流，参与前一级的低压回流，可以得到4 0 c 1 0 0 的低温。 a - 压缩机b 一冷凝器c 风机d 热交换器e 气液分离器f - 干燥过滤器g 冷凝蒸发器 h 干燥过滤器i 、m 、n 三通阁j 截止娴k - 旁通阁l 蒸发器o - 检修阀p 毛纽管 图1 9m i s s i m e r 提出的设置旁通管路的自动复叠制冷循环流程图 1 9 7 8 年，法国的c a r d i n n ep 等提出了溶解一分离混合工质制冷循环闻。即 利用制冷荆在溶剂中的溶解度随温度变化的特性，在离析器中分离成分不同的液 体，从而达到较低的制冷温度。他们以甲烷一丙酮为溶剂，乙烷为溶质，在高压 为3 6 i d p a 下，得到了- 8 0 的低温箱温度。 从1 9 8 2 年起，w a l i t t l e 等对k l e e m e n k o 制冷循环进行了一系列研究，申请 了多项专利 2 = ；1 。他们的灵感来源于荷兰专利f 2 4 1 ，这项专利揭示了一个有趣的现 象：氮气和某些烃类的混合物在8 0 k 时的j t 节流效率是纯氮气的1 0 。1 2 倍。 l i t t l e 等重复了这项实验，并在k l e e m e n k o 的论文中找到了导致这一现象的原因。 随后，l i t t l e 等致力于研究基于k l e e m e n k o 循环的低成本、高效率制冷机。他们 通过对循环流程进行了简化，如减少分离级数、在气液分离器中加入分馏装置， 使得成本大大降低。最终，他们将k l e e m e n k o 循环的分离级数减少为一级。应 用这种制冷系统的部分产品已经生产出来了，用于获得低于1 2 0 k 的制冷温度。 与1 i i a l i t t l e 同步进行研究的还有a p dc r y o g e n i c s ，l n c 2 5 1 。他们将制冷循环 进一步简化，通过一个高效的油分离器取代了气液分离器，该油分离器不仅使润 1 0 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论综述 滑油得以分离，而且使系统得以净化。这个简化的循环系统，通过合理选取混合 制冷剂，可以达到7 0 k 的低温。在9 0 k 、输入功率为4 5 0 w 时，可以提供1 4 w 的 制冷量。 1 9 8 5 年，k r u s eh 等对采用r 1 3 r 1 2 、r 1 3 r 2 2 和r 1 3 b i r 1 2 的单级压缩、 一次分凝a c r 循环进行了数值模拟计算，并与r 5 0 2 循环进行了比较【2 6 1 。结果显 示，当被冷却空气的温度高于一4 8 。c 时，a c r 循环没有优势。同时，混合工质的 两组元的沸点相差越大，循环的c o p 越高。 1 9 8 7 年，我国国内华中理工大学的李文林和华小龙采用单级压缩、两次分凝 a c r 循环( 如图1 1 0 所示) ，以r 1 3 r 1 2 为工质，在充灌浓度为o 2 4 7 ：0 7 5 3 、 蒸发压力和冷凝压力分别为0 1 3 m p a 和1 i m p a 时，在容积为7 0 升的低温箱中得 到了的一5 5 。c 的箱温，热力学效率为1 1 4 2 7 , 2 8 1 。 a 一压缩机b 一冷凝器c 、e气液分离器d 一储= 匿桶f 一蒸发器 g 、h 一冷凝蒸发器j t 、j 2 、山节流阀m n 地、m 3 一电磁阀k 一蒸发盘管 图1 1 0单级压缩两级冷凝混合工质循环的系统图 美国p o l y c o l d 公司从1 9 8 9 年就开始做了大量的c f c s 替代研究【2 ”。到1 9 9 2 年中期，他们产品中9 5 以上都已采用不含c f c s 的新非共沸混合工质。对于中 型a c r ，新工质的o i ) p 小于0 0 2 ，在未改动硬件的条件下，采用新工质后仍能达 到与原a c r 相近的热力学效率，但一些小型a c r 的c f c s 替代仍不乐观。 9 0 年代中后期，美国m m r 公司的1 | a l i t t l e 提出了自清洁低温a c r 3 翊，采 用多元混合工质，将早期的多次分凝a c r 简化为一次分凝，同时在气液分离器的 上部增加一分馏柱，以进一步分离残留在汽体中的润滑油蒸汽和其他杂质( 如图 1 1 1 所示) 。这对提高a c r 的可靠性起到了明显的效果，其连续运行时间达到了 2 2 0 0 0 小时，而美国a p i ) 公司的连续运行时间为7 9 0 0 小时。同时，l i t t l e 又对 混合工质的成分进行了优化，使得该制冷系统的热力学效率也有明显的提高，其 n 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论综述 噪音也降低到小于5 6 d b l “j 。 a 一压缩机b 一有馏柱的气液分离器c 一冷凝器d 一热交换器e 、g 一节流阀f 一蒸发器 图1 1 1 带有精馏性质的a c r 循环 1 2 3 研究现状 由于自动复叠循环的优越性和复杂性，至今为止，国内外对该循环的研究仍 然在不断发展。从前面的自动复叠制冷循环的发展历史可以看出，国内该方面的 研究起步较晚，但近几年也取得了不少显著成就。目前国内主要从事自动复叠制 冷循环研究的主要是浙江大学制冷与低温工程研究所和中科院理化所。 9 0 年代末，我国浙江大学制冷与低温研究所的陈光明等提出了单级压缩、 一次精馏a c r 循环 3 2 】( 如图1 1 2 ) 。其中的精馏柱中可以增加多个中间冷凝蒸发 器，以强化精馏效果，使柱顶引出的低沸点工质的纯度达到9 9 9 以上。例如，采 用r 5 0 r 2 9 0 r 1 7 0 r 6 0 0 ，可获得一1 5 0 以下的低温。 其后，他们又将多个中间冷凝蒸发器简化为一个，以r 1 1 5 0 r 1 3 r 1 2 为工质， 在高压1 5 m p a 、低压0 1 2 m p a 下，在低温箱中得到了一7 3 的低温，得到3 5 8 甯 的制冷量，c o p 为1 4 3 1 3 3 , 3 4 。 1 、压缩机2 、冷却器3 、精馏柱4 、回热器5 、8 、1 3 、1 6 节流元件 6 、9 冷凝蒸发器1 4 、主冷凝蒸发器1 5 、过冷器 图1 1 2 单级压缩次精馕a c r 循环 浙扛丈学硕士学位论文 第章绪论综述 2 0 0 1 年，浙江大学制冷与低温研究所的王勤通过理论和实验两方面深入分 析比较l i n d e - - h a m p s o n 型和自复叠型混合工质节流制冷循环在一4 0 一1 2 0 。c 温 区的热力学性能，并且对多级分凝循环和精馏型自动复叠循环进行优化，得出在 相同成分下，具有精馏装置的自复叠循环的c o p 最高【吲。并以r 5 0 r 1 3 r 6 0 0 a 为工质，通过实验装置在- 1 0 0 时，得到7 8 w 的制冷量，c o p 达到了7 4 。 此后，他们进一步改进了精馏柱的结构，在自动复叠制冷循环的混合工质方 面做了大量工作，并成功将自动复叠制冷循环与吸收制冷【硐以及冷冻干燥【3 7 l 等 技术相结合，并通过大量理论及实验研究，取得了较大进展，大大拓宽了自动复 叠制冷循环的应用范围。 1 9 9 9 年，我国中科院低温技术实验中心的罗二仓等采用开式一次分凝a c r 循环p 8 3 ”，以7 5 m p a 9 5 m p a 的高压钢瓶为气源，以容积成分为4 0 n 。+ 1 5 n 。 + 3 0 0 ：+ 1 5 a r 的混合工质，获得了5 1 k 的低温，进一步扩大了a c r 的应用范围。 2 0 0 0 年，我国中科院低温技术实验中心的罗二仓等对单级压缩、二次分凝 a c r 与l h r 在同样成分和同样高、低压工作压力下进行了对比斓分析i 猫，认为通 过合理匹配工质的高、低压水当量，a c r 可以有比l i r 更高的热力学效率。并在 1 5 k w 压缩机驱动的实验装置中，以氮烃类混合物为工质，得到了1 1 5 k 的最低温 度。在1 3 0 k 有6 0 w 的制冷量，1 3 5 k 有7 0 w 的制冷量。 同年，该实验中心的吴剑峰等对自动复叠分凝分离制冷系统做了一些改进， 如图1 1 3 ，并独立设计了该系统的关键部件汽液分离装黄水j ，如图1 1 4 。并通 过选择氮气、氩气、甲烷、异丁烷等组元为制冷荆进行实验，在达到1 2 0 k 温区 的同时，获得了7 0 w 的制冷量以及0 0 9 的c o p 。2 0 0 2 年该实验中心与美菱公司 合作，开发出国内首家采用自动复叠制冷循环为制冷系统的1 2 0 k 1 5 0 k 超低温 冰箱，填补国内此项空白i 4 2 1 。 a 压缩机b - 冷却器c 油分离器d 、f 、g 回熟器e 分凝分离器h 、j 节流阀i - 蒸发器 图l 1 3 自动复叠叁凝分离制冷循环 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论综述 图1 1 1 4 自动复叠分凝分离制冷循环中的分凝分离器 国外关于自动复叠制冷循环的研究也一直在不断发展。2 0 0 1 年，美国的y o u n g i c h o 将自动复叠制冷循环进行改进【4 3 j ，将压缩机出口通过一个调节阀与汽液分 离装置的底部相连，将从压缩机出来的高温高压的制冷剂直接引入汽液分离装置 的底部，通过改变调节阀的开度实现更灵活的变容量调节，使得自动复叠制冷系 统在较低压比的条件下也能获得较大的制冷量。具体流程见图1 1 5 。 i 目瞩 图1 1 5 具有变容量调节特性的a c r 循环 2 0 0 2 年，南韩s e o u l 大学的s gk i m ，m s k 等再次提出将二氧化碳的非共沸 混合物作为自复叠循环的制冷剂m ，实验装置如图1 1 6 。与用纯二氧化碳作为制 冷剂相比，该循环可以通过调整混合物中二氧化碳的比值，达到保持系统的最高 压力在一个范围之内。他们通过改变二级蒸发器和冷凝器进口处的温度来进行性 能测试和仿真模拟，得出了随着混合制冷剂中二氧化碳成分的增多，制冷量提高， 1 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论综述 而c o p 却随着系统压力的提高而减小等重要规律。 图1 1 6 利用二氧化碳的非共沸混合物为制冷剂的实验台 自然复叠制冷系统在普冷、低温领域都具有较高的使用价值，是一个大有发 展前途的制冷循环系统，但它还存在许多尚需要解决的问题，且其部分机理仍然 不太完善。需要通过不断的理论和实验研究，加深对该制冷技术的认识和研究， 进一步推动其实用化和产业化进程。 1 3 本文的研究工作 本文的研究工作主要在于进一步深入分析自动复叠制冷循环的机理，完善 自动复叠制冷循环的设计过程，使得自动复叠制冷循环的研究工作能更进一步。 并在已经搭建的实验台( 如图1 1 7 ) 的基础上 4 5 1 扬长避短，将实验台做一定的改进， 进步合理选择制冷剂，并通过实验，确定其最佳的配比和运行工况，以期进一 步降低低温箱的工作温度，使之性能更稳定，并提高系统的c o p ，提高该低温箱 的实际应用能力。并总结其中的一些规律，为自动复叠制冷循环的进步打下基础。 a 一压缩机 b 一冷凝器c - 冷冻箱 d 一精镏柱e x l e x 3 一换热器 j 1 j 3 一节流阀 蔫爵 一 了， 一 罢磁 一 二，v | 8 | 一 浙江大学硕士学位论文第一章绪论综述 图1 1 7 自复叠精镏制冷循环系统流程图 1 3 1 工质选取 工质组元及配比决定了闭合压缩制冷机的运行压力、制冷温度以及制冷功 率。更为重要的是，制冷机的运行压比簧降到合适的范围，以保证全封闭式压缩 机的使用寿命。 a 原则 混合工质组元的选取是根据需要达到的制冷温度，以组元的正常蒸发温度、 凝固点来考虑各组元的取舍。主要基于以下三点：保证所需的制冷温度( - 1 0 0 c ) 所需的组元：提高等温节流效应所需的组元；改善换热器在整个温区换热工况的 组元。另外，还要综合考虑其化学稳定性、毒性、对大气臭氧层的破坏性、各组 元之间时候有化学反应及来源可靠性和经济性等问题。 b 分类 ( 1 ) 正常组元：它们的正常沸点接近- 8 0 c 温度。这样可供选择的组员有 c 0 2 ( 7 8 5 ) ，m 3 ( - 8 1 5 ) ，r 2 3 ( - 8 2 2 ) ，乙烷( - 8 8 6 ) ( 2 ) 高沸点组元：在高的沸点温度下，工质的三相点温度及正常凝固点 b 越低越好。这样有利于获得低的制冷温度以及防止低温下固相的析出。对这一 类组元，可选择饱和的碳氢化台物及其氟利昂有i - c a h l 0 和n c 4 h 1 0 最为合适。 ( 3 1 低沸点组元：对高沸点组元的加入，如果混合物不形成共沸混合物或者 异共沸混合物，那么在低温下就不可能获得恒定的蒸发温度。某些低温下形成两 液相的混合物其泡点温度与相分离温度差别很大，因而也不可能在较为恒定的 温度下蒸发。为了获得1 0 0 c 左右的低温，般需要加入更低沸点的组元。对这 一类组元，可选择饱和、不饱和的碳氢化台物及其氟利昂有c 2 h 4 ( 1 0 3 7 ) ，r 1 4 ( 一1 2 8 ) 和c h 4 ( 一1 6 1 5 ) 。 1 3 2 改进精馏柱 本实验台中采用了内含冷却器的精馏柱( 已申请专利) 作为汽液分离装置。 该装置内有冷凝蒸发器，可以使回流畅通，也可降低柱顶的低沸点