（制冷及低温工程专业论文）混合工质低温保存箱制冷系统的实验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 混合工质低温保存箱制冷系统的实验研究 宋有强 浙江大学制冷 9 低温研究所杭州3 1 0 0 2 7 摘要 精馏型混合工质自动复叠制冷系统是靠单级压缩机驱动 利用多元混合工质 作为制冷剂的制冷系统 它用精馏装置进行气液分离 将不同沸点组元分开 经 过在装置内的传热 传质交换 实现高效的精馏 使得系统具有较高的效率和更 加稳定的性能 本文工作是将精馏型自动复叠制冷循环应用于低温保存箱制冷系统 在理论 计算和优化的基础上 主要用实验的方法对 8 5 i c 一 1 2 5 温区的自动复叠制冷循 环展开进一步的深入研究 进行混合工质运行成分和系统部件结构的优化 使得 低温保存箱制冷系统能够在以上三个温区实现长期稳定运行 其主要内容如下 1 综述了混合工质自动复叠制冷循环的发展过程以及国内 外研究现状 并 指出了这种循环的研究价值及研究趋向 2 t a 1 2 5 1 3 低温保存箱箱内温度为目标 进行了精馏型自动复叠制冷循环循 环进行了热力计算和部件的设计计算 3 改进了一8 5 1 0 5 1 2 5 c 温度位的实验台 在这些实验台上进行了 大量的实验优化工作 得到了相应的混合工质运行成分和系统部件结构 4 对关键部件精馏柱进行了改进设计和制作 在3 0 天连续无故障开停机运 行可靠性实验中获得了很好的气液分离和精馏效果 5 采用初次开机双毛细管方案 很好地解决了箱内设计工况温度较低时 单 毛细管方案制冷系统所遇到的初次启动困难问题 关键词 制冷 自动复叠 精馏 混合工质 保存箱 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 nr e f r i g e r a t i o n s y s t e mf o ru l t r a l o wt e m p e r a t u r ef r e e z e r u s i n gm i x e dr e f r i g e r a n t s o n gy o u q i a n g i n s t i t u t eo fr e f r i g e r a t i o n c r y o g e n i c s z h e j i a n gu n i v e r s i t y h a n g z h o u 3 1 0 0 2 7 a b s t r a c j r m u l t i c o m p o n e n tm i x e dr 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 s r e q u i r e di nt h er e c t i f i c a t i o nt y p ea 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 ar e c t i f i c a t i o nd e v i c e i sa l s ou s e di nt h i ss y s t e mt os e p a r a t et h er e f r i g e r a n t sw i t hd i f f e r e n tb o i l i n gp o i n t d u et o e f f e c to ft h er e f r i g e r a t i o n t h es y s t e mc a no b t a i nah i g h e re f f i c i e n c ya sw e l la sas t a b l e p e r f o r m a n c e t h ea i mo ft h i sp a p e ri st oa p p l yt h er e c t i f i c a t i o nt y p ea u t o c a s c a d er e f r i g e r a t i o n c y c l et ot h er e f r i g e r a t i o ns y s t e mf o rl o wt e m p e r a t u r ef r e e z e r s b a s e do nt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n e x p e r i m e n th a sb e e nc o n d u c t e do nt h i sc y c l ei nt h e 一8 5 2 一 12 5 t e m p e r a t u r er a n g e t h eo p t i m u mc o m p o s i t i o n so f t h em i x e dr e f r i g e r a n th a v eb e e n o b t a i n e da n do p t i m i z a t i o no ft h es t r u c t u r eo ft h es y s t e mp a n sh a sb e e na c h i e v e d t h e r e f r i g e r a t i o ns y s t e mf o rl o wt e m p e r a t u r ec o u l do p e r a t es t e a d i l yi nl o n gp e r i o d t h em a i n r e s e a r c hc o n t e n t so f t h i st h e s i sa r ea sf o i l o w 1 t h ed e v e l o p m e n ta n dp r e s e n ts t a t u so ft h ea 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 u s i n gm i x e dr e f r i g e r a n ta r er e v i e w e d 2 t h e r m o d y n a m i c sc a l c u l a t i o na n dd e s i g nc a l c u l a t i o no fh er e c t i f i c a t i o nt y p e 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 ma r ec o n d u c t e df o rt h e 12 5 ct e m p e r a t u r er a n g el o w t e m p e r a t u r ef r e e z e r s 3 t h e e x p e r i m e n t a lr i g h a sb e e n m o d i f i e df o rr e s e a r c h e si n 一8 5 c 1 0 5 1 2 5 ct e m p e r a t u r e r a n g e s t h eo p t i m u mc o m p o s i t i o n so f t h em i x e dr e f r i g e r a n t h a v eb e e no b t a i n e da n do p t i m i z a t i o no ft h es t r u c t u r eo ft h es y s t e mp a n sh a sb e e n 1 1 l 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a ct a c h i e v e dr e s p e c t i v e l ya f t e rm a n ye x p e r i m e n t a lo p t i m i z a t i o n s 4 t h er e c t i f i c a t i o nc o l u m nw h i c hi st h ek e yc o m p o n e n to ft h es y s t e mh a sb e e n i m p r o v e da n dd e s i g n e d af i n er e c t i f i c a t i o ne f f e c th a sb e e ns h o w e di nt h e3 0d a y s n o f a i l u r eo f f o f fr e l i a b i l i t yt e s t i n g 5 d o u b l ec a p i l l a r yd e s i g nh a sb e e nu s e da n dt h ep r i m a r ys t a r tf a i l u r ew h i c h a c c o m p a n i e dw i t hs i n g l ec a p i l l a r yd e s i g nw h e nt h eb o xt e m p e r a t u r ei sv e r yl o wi n d e s i g n e do p e r a t i o nc o n d i t i o nh a sb e e ns o l v e ds a t i s f a c t o r i l y k e y w o r d r e f r i g e r a t i o n a u t o c a s c a d e r e c t i f i c a t i o n m i x e dr e f r i g e r a n t f r e e z e r e x p e r i m e n t 浙江大学硕士学位论文主要符号 拉丁字母 口 a b c c o p c p d l f f g h 七 k k i k 口 m 刀 刀 p 尸 p r p r q 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 逸度 主流率 面积 总传热面积 重力加速度 比焓 总传热系数 汽液平衡常数 相互作用参数 可用能损失 管长 质量流量 p t 方程常数 p t 方程常数 组元数 摩尔数 压力 压力 压比 普朗特数 热量 主要符号表 v v j 矿 w 石 x m y z 希腊字母 口 热负荷 气体常数 雷诺数 比熵 过程熵产 温度 热力学温度 对比温度 对数平均温差 热力学平均温度差 夹点温差 速度 改进p t 方程的优化方 程中的误差的权系数 比容 改进p t 方程的优化方 程中的误差的权系数 体积流量 容积 压缩机单位功耗 液相摩尔成分 干度 汽相摩尔成分 总摩尔成分 压缩因子 p t 方程温度函数 对流换热系数 肋化系数 q r k s 心f 丁h 峨 铒 皈甜 浙江大学硕士学位论文 主要符号 6 厂 7 7 0 五 p p 六 f 夕 巧 上角标 0 v s a t 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 改进p t 方程的优化方 程中的误差的权系数 标准态 液相 汽相 饱和态 v i i i 一 下角标 0 b c d h j j 三 m 0 r s r 液相 气相 基准点参数 泡点参数 临界参数 露点参数 冷凝过程参数 组元号 管内侧 组元号 蒸发过程参数 混合工质参数 混合过程参数 管外侧 临界参数 余函数 精馏循环参数 等熵过程参数 节流过程参数 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 马强獗 签字日期 7 沪缉石月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解进姿盘堂 有关保留 使用学位论文的规定 有权保留并向国家有关部门或机构选交论文的复印和磁盘 允许论文被查阅和借 阅 本人授权逝江大堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 签字日期 1 耐年 导师签名 随乏以 签 7 i d 期 2 寸谚年6 月fj 日 浙江大学硕士学位论文 致谢 两年前初次踏进求是园的那种振奋 憧憬至今仍历历在目 然而两年的时光 却就在弹指一挥间逝去 在这个美丽的西子湖畔 在这个享有百余年声誉以及深 厚文化底蕴的著名学府 留在我记忆深处的并不是西子湖的妩媚和浙大给予的自 豪 而是在科学道路上艰难跋涉后尝到的喜悦以及低温所拥有的温暖 融洽的氛 围 从踏进实验室的那刻到如今论文的完成 都无时无刻不凝聚着一个人的心血 与汗水 他就是我的导师王勤老师 王老师严谨的治学态度 精益求精的工作作 风 诲人不倦的高尚师德 严以律己 宽以待人的崇高风范 朴实无华的人格魅 力对我的影响不是我这拙嘴笨舍所能道尽 还有陈光明老师 他那渊博的知识 如同智者一样能给人以启迪的思维 还有他那平易近人 不断创新的精神都是我 们永远学习的典范 感谢陈国邦教授 邱利民教授 唐黎民老师 甘智华老师 张绍志老师 金 滔老师 何一坚老师 汤轲老师 陈琪老师 张晓斌老师 张权老师 曾经指 导和教育过我的老师 感谢那些不是兄弟胜似兄弟的张爱民师兄 高旭师兄 老李哥 亚林兄以及 何丽娟 范菊丽 徐肖尚 小白 小朱 小崔 爽姐 小周 还有其他师兄 师 姐 师弟 师妹 怎一个谢字能够表确我对你们的感情 感谢同宿舍的兄弟们 在一起度过难忘的岁月 最后更要感谢我的父母以及一切帮助过我的亲人 你们默默地支持以及殷切 的期望是我努力攀登的无穷动力 宋有强 2 0 0 8 年4 月2 9 日 于求是园 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 现代的制冷技术最早可以追溯到1 7 5 5 年英国人w i l l i 鲫c u l l e n 和他的学 生j o s e p hb l a c k 利用液体乙醚在真空条件下制得的人工冰n 1 从此以后制冷技 术飞速发展起来 尽管科研工作者发现了众多的制冷方式如蒸汽压缩制冷 吸收 式制冷 热电制冷 气体涡流制冷 热声制冷 绝热去磁制冷和氦稀释制冷等幢 副 然而基于j o u l e t h o m s o n 效应的蒸汽压缩制冷由于具有结构简单 运行可靠 制 冷温区广 制冷量大 制冷效率较高等优点在近二百多年的时间里得到广泛的研 究和应用 近些年 蒸汽压缩制冷循环中的一种一一自动复叠制冷循环由于其结 构简单 运行可靠 采用单级压缩机驱动即可实现深度冷冻等优点 越来越得到 人们的广泛关注 1 1 研究背景 通常 以单一成分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 一般只能获得 4 0 x 3 以上的温区 要想得到一4 0 以下的低温时 必须以降低制冷剂的蒸发压力为代价 这使得低压降低 高压升高 从而压比过 大 这样就会带来下面的三种严重后果 1 吸气比容将急剧下降 压缩机的输气系数大为减少 制冷机的制冷量迅 速降低 直至为零 2 压缩机的排气温度将急剧上升 使润滑油黏度急剧下降 影响压缩机的 润滑 当排气温度与润滑油的闪点接近时 会使润滑油碳化 以致在阀片上产生 结炭现象 3 由于节流温差很大 节流过程的损失大为增加 制冷机的单位制冷量将 趋于零 在制冷循环中 6 0 c 以下的温区基本上是采用复叠式制冷循环获得的 在 科学技术飞速发展的今天 低温生物的保存 传感器冷却 冷冻干燥 气体液化 协 1 低温条件下材料与物品的测试等等方面 对低温的需求也越来越大 因而 越来越多的研究投入到低造价 长寿命的这种深度冷冻 宽温区制冷系统 常用 的复叠式制冷制冷循环有两种 经典复叠制冷循环和自动复叠制冷循环 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 1 经典复叠制冷循环 经典复叠式制冷循环通常是由高温部分和低温部分组成 高温部分和低温部 分分别使用沸点不同的中温制冷剂和低温制冷剂 各自成为一个使用单一制冷剂 的制冷系统 单级或两级压缩 高温级系统中制冷剂的蒸发用来使低温级系统 中的制冷剂冷凝 高温级和低温级用一个冷凝蒸发器联系起来 它既是低温部分 的冷凝器 也是高温部分的蒸发器 这样 低温部分吸收的热量 即冷量 就可 传给高温部分的制冷剂 而高温部分的制冷剂再将热量传给环境介质 空气或 水 图1 1 是采用r 2 2 和r 1 3 两种制冷剂的两个单级压缩系统组成的复叠式制 冷循环的示意图 a 州氐高温部分压缩机c 一冷凝器d 冷凝蒸发墨e 一蒸发器f 节流阀 图1 1 两个单级压缩系统组成的经典复叠式制冷循环原理图 由于压比和制冷剂工作温区的限制 两个单级压缩系统组成的经典复叠武制 冷循环通常只能获得一8 0 c 左右的蒸发温度 要想得到更低的蒸发温度 可以采 用由一个单级压缩系统和一个两级压缩系统组成的经典复叠循环 或者两个两级 压缩系统复叠 下图是一个两级压缩循环和一个单级压缩循环组成的经典复叠式制冷循环 这一循环的高温部分为节流前过冷 带回热的两级压缩循环 采用的制冷剂为 r 2 2 或r 5 0 7 低温部分为带回热的单级压缩循环 采用的制冷剂为r 2 3 或r 1 1 5 0 最低蒸发温度可达一11 0 c 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 a 1 一低温部分压缩机a 2 高温部分低压级压缩机a 3 高温部分高压级压缩机 b 冷凝器c 1 c 2 c 3 一节流闽d 一蒸发器d 1 2 冷凝蒸发器e l 唯温部分气一液热交换器 e 2 一高温部分气一液热交换器f 一高温部分中间冷却器 图i 2 高温部分为两级压缩 低温部分为单级压缩组成的经典复叠制冷循环系统原理图 如果采用三元复叠 即在两个单级或单级双级复叠的基础再在增加一个低温 工质的单级系统 则可以得到一1 1 0 c 一一1 4 0 c 的低温 1 下图是三个单级压 缩组成的复叠制冷循环 高温部分使用r 2 2 或r 5 0 7 中温部分使用制冷剂r 2 3 低温部分使用r 1 1 5 0 或r 1 7 0 作为制冷剂 最低蒸发温度可达 1 2 0 一一1 4 0 c a 1 叫氐温部分压缩机a 2 一高温部分低压级压缩机a 3 一高温部分高压级压缩机 b 一冷凝器c l c 2 c 3 一节流阀d 一蒸发器d 1 2 d 2 3 冷凝蒸发器e 1 讯温部分气一液热交换器 e 2 一高温部分气一液热交换器g l 9 2 水冷却墨可 图i 3 三个单级压缩循环组成的复叠式制冷循环系统 从热力学的观点看 复叠系统比任何其他系统的不可逆性要来的小 系统中 通过节流阀的不可逆膨胀 是在比其他系统较小的压力范围内进行的 因而复叠 系统的性能得到了改善 系统中采用较低的压力也是一个优点 然而 复叠系统 也有许多缺点 每个系统回路都应严格防漏 以防一个回路的流体漏入另一个回 路 使系统的维护变得困难 另外 复叠系统采用多种制冷剂压缩机 使系统变 得复杂 要实现一8 0 c 以下温区的深度制冷 经典复叠制冷系统的复杂性和成本 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 会随之急剧增加 1 1 2 自动复叠制冷循环 从上世纪6 0 年代末 混合制冷剂复叠循环开始由经复叠循环演变 发展 以多组分混合物为制冷剂 代替复叠循环中的多种纯组分制冷剂 混合制冷剂可 以是氟利昂 烷烃类 氮类等组成的多种组分的混合物 这些有不同组分组成的 混合气体 在混合制冷剂制冷装置中 作为制冷循环的制冷剂来冷却待冷却的空 间 在工作时 多组分混合物种的重组分先冷凝 轻组分后冷凝 他们依次经过 冷凝 节流 蒸发 得到不同温度级的冷量 在这种循环中 由于压缩和换热过 程的简化 在某些情况下其投资费用要比常规的复叠循环低 混合制冷剂复叠循环又被称为 自动复叠循环 哺1 下图是一个简单的自动 复叠制冷循环的原理图 它的循环流程是这样的 从压缩机a 中排出的高温高压的混合工质 在冷凝 器b 中向环境中释放热量 其中高沸点的工质经过c 节流降温在冷凝蒸发器e 中冷凝从b 中出来的未被冷凝下来的低沸点工质 然后回到压缩机 在e 中被继 续冷凝下来的工质经过节流 蒸发回到压缩机 这种制冷循环也即通常所说的分 凝循环 分凝循环按其分凝的次数有单级分凝和多级分凝循环阳1 这种制冷循环 系统 最主要的特点就是采用一台压缩机 两种或者多种制冷剂 利用制冷剂沸 点的不同进行分凝而获得低温的 d 丁诎 上o o a 一压缩机b 分凝器c d 节流阀e 一冷凝蒸发器f 一蒸发器 图1 4 最简单的自动复叠制冷循环 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 自动复叠制冷循环的发展历史及研究现状 1 2 1 自动复叠制冷循环的发展历史 早在1 9 3 6 年 w j p o d b i e l n i a k n0 1 就已提出a c r 循环的设想 并取得了美国 专利 但当时并没有商业化 因而并未引起人们的重视 随后 m r u h e m a n n 3 提 出了以二元混合工质为制冷剂的一次分凝a c r 循环 如上图1 4 所示 并最终得 到了一6 5 的最低温度 1 9 5 9 年 前苏联基辅气体研究所的a p k l e e m e n k o 首先提出采用多元混合 物作为制冷工质来液化天然气 2 3 1 其工作流程如图l 5 所示 d n f 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 2 一第二级气液分离器 i s 3 d 1 一第一级节流阀 d 2 一第二级节流阀 e n d n 一第n 级节流阀 e l e 2 e 3 e n 一热交换器 f 一蒸发器 图1 5k 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 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 因而具有较高的效率 在6 0 年代末多元混合工质a c r 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n 引 人们通常把这种 循环流程称为k l e e m e n k o 循环 也可称之为自动复叠循环 内复叠循环或自冷级 联循环 a u t oc a s c a d er e f r i g e r a t i o nc y c l e 缩写为a c r 此循环也被称为天 然气液化的混合工质级联循环 m r c 1 9 6 5 年 f u d e r e ra l 引提出了如图1 6 所示的一次分凝a c r 循环 当采用质 量比为1 1 的r 1 4 和r 1 2 在高低压分别为2 5 m p a 0 2 m p a 时 得到了一1 1 6 一l1 2 c 的蒸发温度 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 丑 a 一压缩机b 一冷凝器c i j 一热交换器d 一气液分离器e 一第一级节流阀 f 一第二级节流阀6 一蒸发墨h 一冷凝蒸发器 图1 6f u d e r e r 提出的自动复叠制冷循环流程图 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 引为改善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 如图1 7 研究结果表明将该循环用于冷却容积为1 2 7 升的低温贮藏箱时 采用由r 5 0 3 和r 1 1 4 组成的混合工质 当最终蒸发温度为 7 3 5 c 时 无旁通管 c a h a 一压缩机b 一冷凝器c 一风机d 热交换器e 一气液分离器f 一干燥过滤器g 一冷凝蒸发器 h 一干燥过滤器i m n 一三通阀j 一截止阀k 一旁通阀l 一蒸发墨o 检修阀p 一毛细管 图1 7m 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 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 从1 9 8 2 年起 l i t 1 e w a 等对k l e e m e n k o 制冷循环进行了一系列研究 7 他们的研究揭示了这样的结果 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 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 他们通过减少分离级数 在气液分离器中加入分馏装置 6 浙江大学硕 上学位论文 第一章绪论 使得成本大大降低 最终 应用这种制冷系统的部分产品被开发出来 可以获得 低于1 2 0 k 的制冷温度 1 9 8 5 年 k r u s eh n 钔等对采用r 1 3 r 1 2 r 1 3 r 2 2 和r 1 3 8 1 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 结果显示 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 我国华中理工大学的李文林和华小龙n 玑2 叫采用单级压缩 两次分凝 a c r 循环 如图1 8 所示 以r 1 3 r 1 2 为工质 在充灌浓度为0 2 4 7 0 7 5 3 高低压分别为1 1 m p a 和0 1 3 m p a 时 在容积为7 0 升的低温箱中得到了的 5 5 e 的箱温 a 一压缩机b 一冷凝器c e 一气液分离器d 一储液桶f 一蒸发器 g h 一冷凝蒸发器j 1 j 2 j 3 一节流阀m l m 2 m 3 一电磁闯k 一蒸发盘管 图1 8 单级压缩两级冷凝混合工质循环的系统图 9 0 年代中后期 美国m m r 公司的w a l i t t l e 幢卜2 2 1 提出了自清洁低温a c r 采 用多元混合工质 将多次分凝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 这些改进措 施对a c r 的可靠性的提高起到了明显的效果 系统连续运行时间达到了2 2 0 0 0 小时 1 2 2 自动复叠制冷机的研究现状 在能源和环境保户日益成人们关注焦点的今天 并且随着国际社会对c f c 的消减和禁用以及对能源利用效率的重视幢3 吨引 自动复叠制冷循环有了新的发展 浙江大学硕士学位论文第 一章绪论 趋势 目前对自动复叠的研究主要集中在两个方面 一是对原有的循环流程及部 件的改进 这主要是采用新型的换热器和更高效的汽液分离装置 另一方面则是 采用新的混合工质 包括二元或多元混合工质的配比等 以满足环保和制取低温 的需要以及系统性能的稳定 混合工质自动复叠制冷循环由于其固有的优越性以及技术上的难度 国内外 关于这方面的研究一直都在不断的开展 虽然国内起步比较晚 但也取得了不少 的成果 就目前来说 国内在这方面研究最多的是浙江大学低温所以及中科院理 化所 9 0 年代末 我国浙江大学的陈光明等提出了精馏型自动复叠循环1 2 引循环 流程如图1 9 所示 他们采用精馏柱代替汽液分离器 起到分离和精馏的作用 这种精馏装置可以使从柱顶引出的低沸点工质的纯度达到9 9 9 9 6 以上 高沸点制 冷剂以及润滑油都被分离下来 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 主冷凝蒸发墨1 5 过冷器 图1 9 单级压缩一次精馏a c r 循环 1 9 9 9 年 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 l 3 0 3 1 以7 5 m p a 一9 5 m p a 的高压钢瓶为气源 以容积成分为4 0 n e 1 5 n 2 3 0 0 2 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 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 在同样成分和圊样高 低压工作压力下进行了对比火用分析 副 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 h r 更高的热力学效率 在以氮 烃类混合物为工质 输入功率为1 5 k w 的条件下 得到了1 1 5 k 的最低温度 同年 8 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 该实验中心对自动复叠分凝分离制冷系统做了一些改进 如图1 1 0 对该系统 的关键部件汽液分离装置进行了改进b 引 并通过选择氮气 氩气 甲烷 异丁烷 等组元为制冷剂进行实验 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 年他们与合肥美菱公司合作 采用自动复叠制冷循环制冷系 统进行1 2 0 k 一1 5 0 k 超低温冰箱的研制 填补国内在深冷冰箱方面的空白 i 曩 a 压缩机b 一冷却器c 一油分离器d f g 一回热器e 一分凝分离器h j 一节流阀i 一蒸发器 图1 1 0 自动复叠分凝分离制冷循环 2 0 0 1 年 浙江大学的王勤等通过理论和实验两方面的研究 深入分析比较 了l i n d e h a m p s o n 型和自动复叠型混合工质节流制冷循环在 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 具有精馏装置的自动复叠循环的c o p 最高b 5 1 的结论 采用 r 5 0 r 1 3 r 6 0 0 a 的混合工质 在一1 0 0 2 时得到7 8 w 的制冷量和7 4 的c o p 同时他们进一步改进了精馏装置的结构 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 1 以及冷冻干燥b 7 1 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 2 0 0 1 年 中科院理化所的刘建丽采用自动复叠制冷系统并搭建了实验台旧1 系统在无热负荷时最低温度达到1 1 2 k 在1 3 0 k 时获得了6 0 w 的制冷量 1 3 5 k 时获得了7 4 w 的制冷量 图1 1 1 是他们采用的制冷系统示意图 9 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 压缩机2 冷凝器3 一级逆流热交换器4 汽液分离墨5 二级逆流热交换器 6 节流阀7 蒸发器 图1 1 11 2 0 k 一1 5 0 k 温区多元混合物自动复叠节流制冷循环 2 0 0 3 年 浙江大学制冷与低温研究所的曹丹等 圳通过对精馏型自动复叠制 冷循环的热力学分析得出 在多元混合工质中 工质的配比对整个循环的性能有 很大的影响 2 0 0 4 年 上海理工大学制冷技术研究所 建立了一套两级自动复叠制冷装 置 以r 2 2 r 2 3 为混合制冷工质 研究了混合工质配比对制冷系统制冷温度 启 动状态的影响 2 0 0 5 年 天津商学院h n 采用精馏塔作为气液分离装置 以r 1 3 r 2 2 为制冷剂 分析了循环工质配比 压缩机回气温度及冷凝温度对压缩机压比及系统c o p 的影 响 2 0 0 5 年 上海理工大学h 2 提出一种三级自动复叠的制冷系统 采用r 1 3 4 a r 2 3 r 1 4 混合制冷剂 搭建了实验台 在一1 0 0 2 下得到3 8 w 制冷量 2 0 0 6 年 中科院理化所比较了不同冷凝温度和蒸发温度下复叠系统低温级 常用的r 1 3 r 2 3 r 5 0 3 和r 5 0 8 b 的c o p 压比和制冷量等性能 得出r 5 0 8 b 是 最好选择的结论h 引 事实上 目前国际上实现生物活性材料中长期的方法主要依赖液氮保存形 式 在一8 0 温区仍然以两级经典复叠制冷循环为主 另外 国际上只有少数 几个厂家能够生产一1 3 0 c 和一1 5 0 c 两个温区的深冷冰箱 主要是日本三洋和美 国r e v c o 两家公司 采用的是传统混合工质自动复叠制冷技术h 引 2 0 0 7 年 浙江大学王勇等成功地将精馏型自动复叠制冷循环引入到超低温 恒温槽领域 进一步拓宽了自动复叠制冷循环的应用范围14 5 1 在制冷循环方面 西安交通大学将引射器应用于自动复叠制冷系统中 通过 1 0 一 一 一 6 7 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 回收一部分可用能 以提高吸气压力 他们采用以r 2 3 r 1 3 4 a 为混合工质对这种 制冷系统进行了数值模拟 结果表明 这种具有喷射器的系统在减小压比和提高 c o p 上有优势 1 图1 1 2 带有引射器的自动复叠制冷循环 这种循环利用从逆流冷凝蒸发器出来的高压制冷剂引射从蒸发器出来的低 压 混合后的流体进入压缩机的吸气腔 系统在防止压缩机吸气压力过低方面有 有明显的优势 但从系统的整个流程来说不足以达到深度冷冻的温度 1 3 本文的研究工作 精馏型自动复叠制冷循环经过多年的理论和实验研究 已经相对成熟 但离 实际应用仍有一定的距离 特别是在可靠性方面仍有待进一步的深入研究 本文 工作的主要目的是将精馏型混合工质自动复叠制冷循环应用于低温保存箱制冷 系统 对其中的关键问题作进一步的深入研究 并将超低温保存箱的箱内温度降 至 1 2 5 c 以下 在理论计算和优化的基础上主要用实验的方法对 8 5 j c 1 0 5 c 一1 2 5 c 三个温区的自动复叠制冷循环进行改进 合理选择制冷剂 确定其最佳的 配比和运行工况 并能够达到长期稳定运行的目的 为精馏型自动复叠制冷循环 的实用化打下坚实的基础 1 3 1 循环流程 精馏型自动复叠制冷循环如图1 1 3 所示 非共沸混合制冷剂被压缩机a 压 缩成高温高压状态 经过油分离器的除油作用后进入冷凝器b 大部分高沸点的 制冷荆被冷凝下来 大量的低沸点制冷剂还保持气态 从冷凝器出来的气液两相 浙江大学硕士学位论文第 牵绪论 流体进入精馏柱c 的釜底 绝大部分高沸点组分和润滑油的液态混合物积存在釜 底 经釜底节流阀j 2 节流 再汇集从回热器e x 2 出来的低温低压流体进入回热 器e x l 这股混合后了的制冷剂在精馏柱中经过热交换 最终回到压缩机 釜底 的另外一股高压气态混合物 其中绝大部分为中 低沸点组分 与精馏柱釜顶的 换热器进行热交换 在釜顶换热器的作用下高沸点部分被冷凝为液态沉降下来 从釜顶高压侧引出的富含低沸点组分的流体在回热器e x l e x 2 中逐步被冷却 经主节流阀j 1 节流 最后进入蒸发器e 蒸发制冷 从蒸发器e 出来的低温低压 流体依次经过回热器e x 2 e x l 以及精馏柱顶端的换热器回至压缩机 完成整个 制冷循环 一 1 7p pp 二球 j f a 一压缩机b 一冷凝器c 一精馏柱d 卜干燥过滤墨e 一蒸发器g l 祝液镜 j 1 j 2 节流阀e x 回热器h 一油分离器 图1 1 3自动复叠制冷系统流程图 1 3 2 主要研究内容 1 工质选取 对于制冷系统而言 工质组元的选择和配比对制冷机的运行工况和制冷性能 如制冷温度 高低压 c o p 和压缩机的使用寿命等都有重要影响 对于超低温保存箱而言 所选的混合工质除了能够实现所需箱内温度必需的 制冷温度外 还要保证保存箱能够在首次使用时 快速稳定地从环境温度降至所 需箱温的过程 随后还要保证制冷系统长期可靠地运行 另外 还要综合考虑其 o d p g w p 化学稳定性以及毒性 可靠性和经济性等问题 因此 最佳成分在实 际应用中并不一定是在给定的环境条件下系统达到最大c o p 时的混合物成分 是 需要在上述诸目标之间折中的多目标优化问题 当然 上述诸目标的优化还需要 通过其他部件的改进和优化实现 即下面的另外两项研究内容 1 2 浙江大学硕士学位论文第 章绪论 2 精馏柱改进 在自复叠制冷系统中精馏柱对系统的热力学效率以及系统的稳定运行有非 常重要的意义 对系统效率和性能的影响主要体现在精馏过程中高沸点的工质被 充分的冷凝下来 从釜底出来经节流后参与冷凝蒸发器的回热 并且在精馏柱中 冷却高沸点工质 而在精馏过程中溶解于高沸点工质的润滑油也将非常彻底的被 冷却到釜底 这就保证了润滑油不进入低温部分 从而避免了这种低温制冷系统 一个关键的技术难题一一油堵的发生 同时蒸发器中不会因为存在润滑油而是其 换热系数降低 虽然以往所设计的精馏柱的精馏效果尚可 但它还没能彻底解决 稳定性的问题 柱顶换热器的换热效果也仍然有改进的余地 同时这种精馏结构 也占据了较大的高度空问 加工也相对复杂 同时从釜底引出工质也存在脏堵的 可能 需要重新设计新型结构的精馏柱 保证制冷系统长期可靠地运行 3 初次开机毛细管方案 随着低温保存箱设计工况所需温度的降低 主回路采用单根毛细管的节流方 式会遇到越来越大的挑战 因为开机初期 在低沸点组分比例较大的情况下基本 上是气体节流 以设计工况确定的主毛细管流量会有不能适应初次开机时的流量 要求 会导致压缩机在负压下长时间运行或因压力太低而停机 本实验中拟采用双毛细管方案来解决这个问题 在初次开机时 采用两个毛 细管节流 以保证系统有较大流量 在系统开机时在系统达到一定点的箱体温度 时 通过关闭电磁阀 切断其中的一根毛细管通道 只使用以设计工况确定的主 毛细管通道 使系统的流量控制在设计工况所需要的范围内 浙江大学硕士学位论文 第二章理论基础 第二章理论基础 本文所研究的低温箱制冷系统采用精馏型自动复叠制冷循环 采用多元非共 沸混合制冷剂为工质 以精馏柱作为高低沸点制冷剂的组元分离装置 由于混合 工质组元的沸点相差达1 5 0 1 2 以上 因此现有商用计算软件均不能进行这些混合 工质物性参数计算 必须自行编制计算软件 利用流体的状态方程 混合工质的 气液相平衡等得到自动复叠制冷循环热力计算所需的状态参数 2 1 状态方程和混合法则 流体的压力温度和比体积之间的关系是很重要的 表达他们关系的状态方程 不仅能描述压力 比体积 温度的依变关系 同时还是得出焓 熵等热力学性质 的基本依据 在进行制冷循环的热力学计算时 必须要有能准确描述其性质的状 态方程 常用于流体混合物计算的主要有p r 方程 7 1 p t 方程 48 j 等 文献m 1 提出的 改进型p t 方程不但提高了原方程的计算精度 而且对强极性流体 低温流体乃 至量子流体的饱和物性及汽液相平衡计算都有令人满意的结果 因此本文采用改 进的p t 方程对文中所涉及的流体状态参数以及气液相平衡进行计算 p t 方程的具体形式为 p 旦一 竺 1 2 v b v v 6 c v 一6 2 1 式中r 为气体常数 常数a b 和c 为独立参数并由下式给出 口 r 七 尺2 誓 只 a 丁 2 2 b 屯 r z 只 2 3 c 乞 r 互 2 4 上式中 七 1 一f 2 5 吒 3 亭 3 0 2 专 吒 l 一3 丢 2 6 式中k 为下式的最小根 1 4 浙江大学硕士学位论文第 章理论基础 砖 2 3 专 碍 3 喜2 k b 一拿 0 2 7 式中孝 称为临界压缩因子 是可调参数 改进p t 方程对温度函数作了如下 修正 彻 e x p m 1 一t r n 1 一t r 们 2 2 8 式中m 和n 为常数 t r 为对比温度 m n 丛捌l 2 2 3 故有 工等温冷凝 三变温 争麓 2 2 4 即对于变温热源 变温相交冷凝过程的不可逆损失小于等温相变过程的不可 逆损失 对一个循环而言 混合物的这种特性使实际循环更接近劳伦兹循环b 卜圳 混合工质是包括从低沸点到高沸点制冷剂的一系列组元 那么节流效应在它 们相应的气液相转变区间也就比较大 低沸点组元在低温段有较大的等温节流效 应 高沸点组元在高温区具有较大的等温节流效应 中等沸点的组元在中温区具 有较大的等温节流效应 因此 混合物工质由于改善了等温节流效应在整个温区的分布 增大了等温 节流效应随温度分布中的最小值 从而使节流制冷循环的热效率得到提高 2 1 2 2 非共沸混合物的气液相平衡 对于一个处于稳定运行的系统来说 系统内部将保持一种动态平衡 为研究 方便 我们可以认为自动复叠制冷系统内部混合工质在稳定运行时是处于气液相 平衡状态的 由相平衡原理可知 当流体混合物处于相平衡时 系统内气液相的温度 压 力和逸度均保持相同 即有以下三式成立 t t 7 2 2 5 p 尸7 2 2 6 z 7 7 2 2 7 且 z x i 2 2 8 少 l 2 2 9 由组分i 的逸度系数定义式可得到组分的逸度表达式 浙江大学硕i 上学位论文 第二章理论基础 尺弛 j c o 鲁 一 管 彤一r 弛z 2 3 4 将改进型p t 方程求得的 暑 并代入上式可得到关于改进型p t 方程的 二 二 i 三怎b d 二荔a a 毒q d 豸a b 丽a c d 浯 兰 c 站d 白 6 3 c d 屯 1 n 等写 一 等冬 蹦3 z q 2 一j 2 z 器 2 3 6 b 等 2 3 7 q 矿 毕 2 3 8 d 蕊 1 9 2 3 9 浙江大学硕士学位论文 第二章理论基础 铲 掣 缃 a d 彳 v 沪 掣 铲 掣k 上述式子中 a b c 为混合物的状态方程常数 2 3 混合工质焓 熵的计算 2 4 0 2 4 1 2 4 2 本文采用余函数法计算混合工质的焓熵 1 单相区 单相区混合工质的焓用如下公式计算 k 以一k 比 c i 刀一k 2 4 3 其中 砖为混合工质在同温 同压下被视为理想气体时的焓值 瓦为基准 点的温度 比 为基准点的焓值 可任意取定 不影响焓差的计算 c 二为混合 工质的理想气体比容 由下武确定 c 品 叩 k 为混合工质的余焓 由下式确定 小盯 1 z 瞥am 糟 q 4 4 z p 十 上式中 口 军车z i z 1 一k j 譬一意 t c i 3 t t c l1 单相区混合工质的熵用如下公式计算 铲s s t a r s 争0 一刚唼q 其中 s 为混合工质在同温 同压下被视为理想气体时的熵值 2 0 2 4 5 瓦为基准 浙江大学硕士学位论文 第二章理论基础 点的温度 p 为基准点的压力 j 为基准点的熵值 可任意取定 不影响熵差 的计算 s 为混合工质的余熵 由下式确定 一刷n z b z 毫 n 糟 4 6 2 两相区 两相区混合工质的焓 熵和比容分别用如下公式计算 k 1 一x 办 曲 l 耐 2 4 7 s i x s 砌 j s 耐 2 4 8 1 一x v 胛6 x i d m d 2 4 9 其中 下角标b 和d 分别表示泡点和露点的参数 以为混合