自动复叠循环制冷机结构紧凑，可靠性高，操作简便，在能源、军工、空间、生物、医疗和生命科学等高科技领域内有着广泛的应用。国内外学者纷纷对自动复叠制冷技术展开了新的研究。目前，自动复叠制冷循环呈现出新的发展特点[2-3]，对其研究主要集中在两个方面：一方面是对原有的制冷循环流程的改进，包括采用新型换热器和高效气液分离器；另一方面则是采用新型的制冷工质，包括二元工质和多元工质，以满足环保和制取低温的要求。
1 三级自动复叠制冷系统
-100℃的制冷温度，选择单级压缩、两级分凝的制冷循环作为本课题的方案，原理性方案如1所示。
图1 三级自动复叠制冷循环实际系统示意图
A- 压缩机; B-冷凝器; C-干燥过滤器; D-高温级气液分离器; E-高温级节流阀; F-分凝换热器; G-高温级蒸发冷凝器;
H-中温级气液分离器; I-中温级节流阀; J-分凝换热器; K-低温级蒸发冷凝器; L-低温级节流阀; M-蒸发器; N-膨胀容器; P-汇合点; Q-汇合点; 1~30-测点
膨胀容器的作用在于降低机组停机后的平衡压力。低温、中温工质(如R14/R23)在常温下已经超过其临界温度，全部以气态形式存在，这会导致
管道内平衡压力非常高，平衡压力过高带来如下后果：制冷管路破裂的可能性增大。压缩机启动时“油击”的几率增大。启动压力过高。分凝换热器的主要作用两个：一是进一步提纯低温组分的纯度，另一个是实现润滑油的分离。混合工质饱和气体的组分和温度的高低密切相关，温度越低其低温工质组分含量越高。
2 制冷剂的选择
用于自动复叠循环的非共沸混合工质在循环过程中有其独特性的一面：自动实现各组分的分凝、分离和混合的过程，这决定了其循环过程完全不同于用于节能和环保目的的一般混合工质。
复叠式制冷循环的高温部分使用的制冷剂，一般为R134a、R22、R502，也可使用R1270(丙烯)或R290(丙烷)。低温部分使用的制冷剂有：R23、R14、R1150(乙烯)和R170(乙烷)。对于复叠式制冷循环，R23适用的蒸发温度范围是-70～-110℃,R14适用的蒸发温度范围是-110～-140℃。综合考虑结合本文课题-100℃的制冷温度，选择了三种工质：R134a、R23、R14，其主要热物性质如表1所示[4]。这三种工质中均不含对臭氧层有破坏作用的Cl原子，R134a和R23的标准沸点相差55.9℃，R23和R14的标准沸点相差45.8℃。
表1 三种工质的主要热物性参数
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工质
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分子式
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分子量
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ODP
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GWP
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标准沸点℃
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凝固温度℃
|
临界温度℃
|
临界压力MPa
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等熵指数  |
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R134a
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C2H2F4
|
102.00
|
0
|
0.2
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-26.2
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-101.0
|
101.1
|
4.06
|
1.11
|
|
R23
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CHF3
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70.01
|
0
|
14800
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-82.1
|
-160.0
|
25.9
|
4.68
|
1.19
|
|
R14
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CF4
|
88.01
|
0
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N/A
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-127.9
|
-184.0
|
-45.5
|
3.75
|
1.22
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3系统搭建
节流设备的选择与匹配和混合工质的换热计算是本章的两大难点，在理论计算指导与前期两级系统的经验相结合的基础上完成了毛细管和套管式换热器的选型。制冷循环运转期间需要实时记录30路温度数据和2路压力数据，整个测量系统的设计以实现这32个参数的自动记录、数据图像显示和数据库保存为目标（图2）。数据采集系统包含电量参数测量部分。AN7931A本身内置微控制器，可以实现与上位PC的基于RS-232协议的串行通讯。AN7931A仪表通过一根RS-232通讯电缆与主计算机的串行口连接。同样的，基于Visual Basic6.0语言我们设计了相应的软件程序。
图2 温度压力采集系统硬件图
4 实验结果分析
循环系统启动后，R134a流、R23流、R14流的节流温度变化如图3所示和柜内温度如图4所示。
图3 R134a流、R23流、R14流的节流温度变化
图4 低温箱体的降温曲线
实验台的性能测试在30℃环境温度下进行，系统启动4.5h后，柜温降至-100℃，制冷量为38W，运行COP=0.056。
循环系统中有两个汇合点P和Q，R134a流和低温混合流在P点汇合成高温混合流，R23流和R14流在Q点汇合成低温混合流，其运行状态如图5所示。两股流体汇合时，如果不发生化学反应，得到的汇合流的温度介于两股支流的温度之间。但是从图5可以看到，开机运行约90min内，高温混合流的温度t24始终低于其两个支流的温度t22和t23，90min以后，才介于两者之间。汇合之后混合物流体的温度决定于两个因素：焓值和成分，相同条件下，焓值越高，温度越高；混合物中低温组分含量越多，温度越低。通过图9来说明这个问题，低温混合流(t22)汇入R134a流(t23)后，对其温度的影响有两个方面：一方面由于增大了其焓值，导致温度有升高的趋势，另一方面由于增大了其中低温组分(R23/R14)的含量，导致温度有降低的趋势；而当后者的影响大于前者的影响时，综合作用结果是降低其温度。表现在图上就是高温混合流的温度(t24)始终低于R134a流的温度(t23)，并且在前90min内，低于其两个支流的温度t22、t23。
图5 汇合点P的运行温度变化图
R14流汇入R23流后对其温度的影响经历了不同的过程，在启动后约150min时间内，综合作用效果表现为温度升高(t17>t16)；之后的运行过程中，综合作用效果表现为温度降低(t1716)。因此，汇合后得到的低温混合流的温度(t17)始终处于两支流温度(t15、t16)之间，如图6所示。
图6 汇合点Q的运行温度变化图
5 结论与讨论
自动复叠循环能够实现低温制冷，并不是单纯地依靠降低蒸发压力，而是利用了非共沸混合工质在各组分沸点相差很大的条件下所表现出来的特性，采用相分离器来实现混合工质的分流，通过特殊布置的流程来实现复叠循环。 常规压缩机完全胜任驱动自动复叠循环，其运行时的启动工况、排气压力、排气温度均在常规压缩机的允许范围之内，运行相当可靠，这对自动复叠制冷机的商业化生产具有十分重要的意义。
自动复叠循环本身可以实现压缩机的高效回油。合理布置的中间换热器流程可以保证润滑油的分离效果，混合工质的多次分流可以保证分离出来的润滑油随高温级组分回到压缩机，避免了可能的在低温下脱蜡、凝固堵塞系统的问题。
非共沸混合工质在自动复叠循环中的应用中有其独特性的一面：根据沸点的高低不同而自动实现各组分的分流，这种特性就决定了不同的成分组成和配比组成会表现出不同的循环特性。非共沸混合工质的节流温度不仅与组成成分、蒸发温度有关，而且与过冷度有关：相同条件下，节流前冷凝液的过冷度越大，节流后混合物的蒸发温度越低。
常规压缩机完全胜任驱动自动复叠循环，其运行时的启动工况、排气压力、排气温度均在常规压缩机的允许范围之内，运行相当可靠，这对自动复叠制冷机的商业化生产具有十分重要的意义。
参考文献
1. K1eemenko A P.One flow cascade cycle. The proceeding of the international conference of refrigeration, 1959，1-a-6：34—39
2. Misssimer D J. Refrigerant conversion Auto-Refrigeration Cascade(ARC) system. Int J Refri，1997，20(3)：201-207
3. Shankar Vaidyaraman, Costas D.Maranas. Synthesis of Mixed Refrigerant Cascade Cycles. Chem. Eng.Comm，2002(189):1057-1078
4. 吴业正，韩宝琦．制冷原理及设备．陕西：西安交通大学出版社,1997.