自然复叠系统与低温制冷_韩润虎

自然复叠系统与低温制冷

韩润虎

(美国通用信号实验设备公司上海代表处　上海200233)

摘要　自然复叠制冷系统采用混合工质,用一个普通压缩机实现了-150℃甚至更低的温度。与以往采用三级复叠制冷系统的-150℃低温冰箱相比,采用自然复叠系统的低温冰箱减少了两个压缩机及相应的油分离器、干燥过滤器等附件,并使控制系统大为简化,从而提高了系统的整体可靠性。本文将详细介绍自然复叠制冷系统的原理和应用。关键词　自然复叠系统　复叠系统　混合工质　制冷　低温

Autocascade System and Low Temperature Refrigeration

Abstract　Autocascade refrigeration s ystems are able to make-150℃or even lower temperature with multi-refrigerants and a common pared with the similar freezers ever used em-ploying a3-stage cascade systems,-150℃freezers employing autocascade systems cut down two compressors and the related oil separators and drierstrainers,and therefore s implify the control sys-tems and i mprove the reliability of the whole systems.Detailed introduction of the autocascade sys-tems and its application is given in the paper.

一　引言

通常,为了制取-70℃以下的低温,人们选用两级复叠(Cascade)制冷系统(图1 -a)。两级复叠制冷系统将第一级的蒸发器与第二级的冷凝器“复叠”在一起,使第二级的低温制冷剂在-35℃左右冷凝,在-80℃左右蒸发,以获得-80℃左右的温度。同理,人们曾采用三级复叠系统(图1 -b)制取-120℃以下的低温。从理论上讲,可以不断复叠下去,达到人们需要的任意低温。但随着复叠级数的增加,系统的复杂性成倍增加,而效率却在迅速下降。

自然复叠(Autocascade)制冷系统巧妙地利用了多级复叠的制冷原理,用一个普通压缩机在一个系统内实现了-150℃甚至更低温度的制冷,使多级复叠制冷系统大为简化。自然复叠制冷系统也叫多工质制冷系统(MFS,Multi-Refrigerants Sysytem),是本世纪70年代提出的,80年代末美国REVC O公司据此原理研制成功-140℃和-150℃的低温冰箱,并于90年代初投放市场。我国的一些科研单位、大学和医院陆续进口了这种低温冰箱。由于我国的制冷专业教课书等至今未见有关自然复叠制冷系统的系统介绍,影响了自然复叠制冷系统在我国的开发和应用,而RE VCO公司的技术和工艺受到专利保护,因而给这种“采用一个压缩机的-150℃低温冰箱”笼罩了神秘的面纱。

·

59

·

4/1999　制冷学报

(a )(b )

1—第一级压缩机　2—冷凝器　3—第一级节流装置　4—蒸发冷凝器　5—第二级压缩机　6—第二级节流装置　7—蒸发器(图1)/蒸发冷凝器(图2)　8—第三级压缩机　9—第三级节流装置　10—蒸发器

图1　两级(a )和三级(b )复叠式制冷系统原理图

二　制冷原理

自然复叠制冷系统(图2)采用一个普通压缩机实现很低的温度,其奥秘在于“一级压缩、多级复叠,自然分离”,即混合工质一次压缩后,在多级复叠管路中的多个蒸

发冷凝器中逐级分离,使沸点最低的制冷剂进入蒸发器,制取预定的低温。自然复叠系统常用的制冷剂有R22、R134a 、R404a 、R23、R503、R14、R740等,其中R503和R22对臭氧层有破坏作用。从1996年起,R503在美国已被联邦政府禁止生产和使用,R22可使用至2020年。R503在我国还可以使用

。

1—压缩机　2—冷凝器　3—第一级气液分离器　4—第一级毛细管　5—第一级蒸发冷凝器6—第二级气液分离器　7—第二级毛细管8—第二级蒸发冷凝器　9—蒸发器

图2　自然复叠系统的工作原理图自然复叠系统的工作原理为(图2):混合工质经压缩机1压缩后进入冷凝器2,其中中温制冷剂(如R22、R134a 、R404a 等)冷凝为液态,低温制冷剂(R23、R503、R14等)仍为气态。气液两相制冷剂经第一级气液分离器3后,进入不同管路。液相制冷剂进入第一级毛细管4,节流后成为温度较低(-35℃左右),并进入第一级蒸发冷凝器5,冷却来自气液分离器的气相制冷剂。在第一级蒸发冷凝器5中,一部分低温制冷剂(如R23、R503)得到冷凝,其它制冷剂(如R14、R740)仍为气态。气液两相制冷剂再进入第二级气液分离器6,分离出的液相经第二级毛细管7节流后温度更低(-85℃左右),并进入第二级蒸发冷凝器8,冷却尚未冷凝的制冷剂。据此原理,依次分离。在最后一级蒸发冷凝器中冷凝的制冷剂,经毛细管节流后,才会进入蒸发器9,实现预定的低温。譬如,通过相应的制冷剂,两级分离可获得-80℃,三级分离可获得-120℃,四级分离可获得

-150℃等等。

显然,自然复叠制冷系统只有一个压缩机,其它均为非运动件,简单可靠,彻底回避了多级复叠制冷系统必须用多个压缩机的缺点,使系统启动程序和运行控制大为简化,并提高了制冷效率。

·

60· 制冷学报　4/1999

三　应用

利用自然复叠制冷系统的原理,选取不同沸点的制冷剂,采用不同级数,可获得不同的低温,是目前-130～-160℃低温冰箱的主要制冷型式。此外,自然复叠系统可大可小,对于温度很低,功率较小的场合(医用冷刀、小功率低温冷源等),可以作

出功率和体积都比较小的产品,便于携带。

图3为比较接近实际的自然复叠制冷系统图。图中7、10、12为相互连接在一起的三个蒸发冷凝器,它们巧妙地共用了一个回气管,最大限度地利用了从各级蒸发管排出的低温气体进行冷却,提高了系统整体换热效果,并简化了结构,降低了加工难度

。

1—压缩机　2—油分离器　3—干燥过滤器　4—冷凝器　5,8—主气液分离器

6,9,11,13—毛细管　7,10,12—蒸发冷凝器　14—蒸发器

图3　三级复叠制冷系统图

自然复叠系统的复叠级数是根据制冷温度而定的,一般-80℃低温冰箱只需两

级,-150℃低温冰箱需要四级。混合工质的成分可以根据各级的蒸发温度选定,另外还需加入一定量的丙烷或戊烷等溶油组分;混合工质各组分的含量可根据各级的制冷量而定,并要精确控制。各级毛细管的直径和长度都经过严格的计算和试验,以精确控制各级制冷剂的流量。一级失误,将逐级传播,最终可能导致蒸发器液体不足或无液体,使系统制冷能力下降或干脆不制冷。

自然复叠系统的灌注压力通常比一般的冰箱和空调系统要高,启动后的一段时间内,高压侧的压力往往很高,这就要求有

相应的安全措施(如压力继电器、旁通管路等),以防管路破裂。

自然复叠系统一旦出现泄漏,不能像一般的单工质系统那样补充制冷剂,而必须放空(注意回收制冷剂,以保护环境)。在补漏后按比例严格灌注各种制冷剂,最好灌注原始设备制造商(OE M )厂商提供的预混制冷剂。

四　结束语

自然复叠制冷系统是一个崭新的制冷系统,在制取低温方面有明显的优点。利用该系统的-150℃低温冰箱结构简单,制冷效果好,在生命科学研究等领域扮演了重要的角色。

·

61·4/1999　制冷学报