自复叠制冷循环的研究状况

自复叠制冷循环可以根据所要达到的蒸发温 度，选择两种或两种以上组分的混合工质，在循环 中布置一个或多个气液分离器对混合工质进行分 凝。根据分凝级数的不同可分为单级压缩单级分
收稿日期：２００５．０８，２９ 通讯作者：任挪颖，Ｅｍａｉｌ：ｒｅｎｎｙ＠ｓｔｕ．ｘｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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制冷与空调
第６卷
从自复叠制冷循环的原理可以看出，系统的冷 量是由低温制冷剂经过节流后蒸发制取的，因此低 温制冷剂的流量决定了系统的制冷量。高温制冷 剂用来吸收低温制冷剂的冷凝热，虽然不直接制 冷，但是其温度和流量影响低温制冷剂的制冷能 力。所以，混合工质选取的是否合适决定了自复叠 制冷循环能否顺利、高效进行，成为循环设计中重 要的部分。
在设计自复叠制冷循环时，要选择混合工质的 最佳配比，也就是使循环效率ＣＯＰ达到最大时的 混合工质配比。宋世亮等¨３ｊ对使用ＣＯ：和烷烃 组成的三元混合物做制冷工质的自复叠系统进行 的理论分析表明：当Ｃ０２摩尔分数一定时，高沸点 组分沸点越高或者中沸点组分含量越低，系统 ＣＯＰ越大，压比越小；并且随着ＣＯ，摩尔分数的 增加，系统ＣＯＰ和压比都存在一个最佳值。张华 等［１４］在对Ｒ２２／Ｒ２３单级分凝复叠循环进行实验 研究时发现：当Ｒ２３的质量分数为２５％时，冷柜中 心温度达到最低值，并且随着Ｒ２３质量分数的增 加，冷柜的降温速率在增大。 ３．２气液分离器的研究
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第６期
任挪颖等：自复叠制冷循环的研究状况
③为了实现系统的自动复叠，用高温或中温 制冷剂冷凝低温制冷剂，混合工质各组分也必须有 较大的沸点距离，沸点间距太小所需的复叠级数就 增多，使得系统结构复杂，一般情况下选择标准沸 点间距在４０～８０℃范围内。
④各组元应具有环境可接受性，制冷剂的臭 氧破坏指数（ＯＤＰ）和温室效应指数（ＧＷＰ）为零 或尽可能小。较早的自复叠制冷循环一般采用由 Ｒｌｌ，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４等制冷剂组成的混合工质，自 从发现ＣＦＣ类和ＨＣＦＣ类制冷剂对大气层的臭氧 有破坏作用后，对这类物质的生产和使用也进行了 限制，所以在选配混合工质时首先要考虑环境保护 方面的要求，再考虑其他方面的要求。目前越来越 多地将研究转向满足环境保护要求的部分氟利昂、
在选取混合工质组分时，要综合考虑以下几点 要求［７－１２］：
①组元制冷剂的凝固温度要低，粘度和密度 要小，导热系数要高，绝热指数和液体比热容要小， 并且安全性要好。这些具体要求对于选择任何制 冷系统的制冷剂都适用。
②由于自复叠制冷循环是利用非共沸混合工 质在相平衡时气、液相成分不同的特点，将不同温 区的制冷剂分离，因此各组元制冷剂混合时要满足 相容但不共沸。
碳氢化合物（如ｃＩ－ｈ，ｃ２Ｈ６，ＱＨ８等）和自然工质 （如Ｃ０２，Ｎ，等）。
⑤确定混合工质组元的质量分数时，先根据 工况条件进行部分假设简化循环，再确定各点的状 态参数进行模拟计算，计算顺序从低温级开始，逐 渐往上递推，低温级的冷凝负荷就是高温级的蒸发 负荷，依次计算得到各级制冷剂的流量，以及各组 分制冷剂的充灌量。 ３ 自复叠制冷循环的研究现状 ３．１工质组分和工况对循环性能的影响
自复叠制冷循环中混合工质组分的沿程变化 给循环的模拟计算带来困难，在进行拟计算时需要 对循环进行简化和假设。有研究者提出将循环工 质的组分变化简化为在两点（分离点和混合点）上 的突变，并将单级分凝自动复叠制冷循环表示在空 间压焓Ｉ至Ｉ上ｔ１７］。但是由此确定的充灌量和组分可 能不是最优设计，并且所设计的系统实际制冷量可 能达不到要求，还需要根据实验测得的数据再做具 体调整。
自复叠制冷循环需要解决的另一个问题就是 工质泄漏后不能像单工质循环那样直接补充制冷 剂，而需要将混合工质放空后按照比例灌注组分制 冷剂，这样造成工质的浪费，经济损失大，并且放出 的制冷剂可能会对环境造成污染。
Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ａｕｔｏ—ｃａｓｃａｄｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
Ｙａｎ Ｊｕｎ Ｑｉａｎ Ｗｅｉ Ｙａｎ Ｇａｎｇ （Ｘｉ’ａｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）
Ｗｕ Ｙｅｚｈｅｎｇ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｏ—ｃａｓｃａｄｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ ｍｉｘｅｄ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ．Ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ａｕｔｏ—ｃａｓｃａｄｅ ｒｅ— ｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｅｘｐｅｃｔｅｄ ｔｏ ｓｐｒｅａｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａｕｔｏ—ｃａｓｃａｄｅ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．
图２单级压缩多级分凝循环原理图 １，２，３一冷凝蒸发器；４，５，６一气液分离器
多级分凝自复叠循环逐级冷凝和分离的方式 可以使混合工质有效分离，降低蒸发器的温度滑 移，减少蒸发器的能量损失，并将润滑油更好地分 离，防止低温端节流元件阻塞【６ Ｊ，一般应用于天然 气的液化流程或制取液氮温区的温度。 ２混合工质组分的选取原则
可见，逆流换热器不同的设置位置对循环有不 同的作用及影响。同时，逆流换热器的传热温差和 传热面积也影响着循环的性能，较小的传热温差将 减小系统不可逆损失，但当传热负荷一定时将需要 较大的传热面积。
对于多元混合工质的逆流换热器，当工质发生 相变时其换热机制复杂，在这方面的研究也较少。 公茂琼等［１６］用实验的方法得出三个典型制冷温度 范围和两个不同结构的管套管式换热器采用三种 相应混合物工质典型的温度分布、压力分布及换热 特性分布，对于制冷系统换热器的设计有一定的参 考意义。 ３．４ 自复叠制冷循环中其他方面的研究
ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ ａｕｔｏ—ｃａｓｃａｄｅ ｓｙｓｔｅｍ；ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ；ｓｙｓｔｅｍ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
目前，工业和商用制冷系统中应用最广的是蒸 气压缩式制冷循环，但是当要制取较低的温度时， 一般的蒸气压缩式循环（单级压缩和多级压缩）已 不能满足要求。因为在蒸发温度和冷凝温度相差 较大时，找不到一种制冷剂能够满足冷凝压力较低 且蒸发压力较高的要求。所以，复叠式制冷循环被 广泛应用于制取低温的系统。复叠式制冷循环包 括经典复叠循环和自行复叠循环。对于经典复叠 循环，随着复叠级数的增加，系统结构变复杂，效率 下降，经济性变差。
分凝器或一级冷凝蒸发器，从气液分离器上端出来 的气相混合工质再进入分凝器进一步冷却，通过分 凝器的降温气相混合工质中低沸点组分的含量增 大，但是一部分气相工质被冷凝为液相，返回气液 分离器，使得进入蒸发器的制冷剂流量减少，从而 降低蒸发器的制冷量。图３是一个增加分凝器的 自复叠制冷循环。
冷凝蒸发器
蕴
成功研制了１３３ Ｋ和１２３ Ｋ的低温冰箱，并在９０ 年代初投放市场ｂ Ｊ。此后，我国的一些科研单位 和企业也开始研发采用自复叠制冷循环的低温冰 箱。目前自复叠制冷循环是１１０～１４０ Ｋ低温冰箱 的主要制冷形式，并且已经用于制取６０ Ｋ以下的 低温冰箱Ｈ。５ｊ。
由于自复叠制冷循环可以实现从低于８０ Ｋ的 液氮温区到２３０ Ｋ的传统蒸气压缩制冷循环制冷 温区，无论是在普冷领域还是在半导体工业、低温 医学中的血液、药品保存、食品的冷冻储存、气体液 化等深冷领域，都具有比较大的实用价值。因此， 笔者对自复叠制冷循环的原理和各部件对系统性 能的影响进行分析，以方便读者了解自复叠的研究 现状和需要改进的方面，推广其使用。 １ 自复叠制冷循环的工作原理
２０世纪３０年代，有学者提出了非共沸混合工 质的自复叠制冷循环理论ｕ Ｊ。它是利用非共沸混 合工质在相平衡时气、液相成分不同的特点，通过 冷凝器和气液分离器将高沸点工质和低沸点工质 分离并进入两个制冷循环进行复叠。由于系统采 用一台压缩机实现复叠制冷，使得运动部件减少， 简单可靠。１９５９年苏联气体研究所的Ａ．Ｐ． Ｋｌｉｍｅｅｎｋｏ教授采用碳氢化合物作制冷剂，通过单 级压缩多级分凝产生超低温环境而成功地液化了 天然气【２ Ｊ。８０年代末美国ＲＥＶＣＯ公司用此循环
传统自复叠循环的气液分离器在分离方式上 采用等温等压下的平衡闪蒸方式。对于从冷凝器 出来的已形成气液共存的混合工质，通过对其流道 设计采取一定措施，使得气相和液相依靠重力的作 用实现自动分离。但这种分离方式并不能将高沸 点组分全部分离出来，其分离效果取决于在定温定
压下混合工质气液相平衡特性。 为了提高气液分离的效果，通常在循环中增加
蒸
气液
发
分离
器
器
蒸发器
图１单级压缩单级分凝循环流程图
假设图１所示循环中使用的非共沸混合工质 由Ｒ２２（标准沸点一４０．８℃）和Ｒ２３（标准沸点 一８２．１℃）组成。气态高温混合工质经冷凝器向 冷却介质（水或空气）放热，由于二元组分的沸点不 同，在冷凝器中大部分高沸点的Ｒ２２和少量低沸 点的Ｒ２３先冷凝成液体，而大部分Ｒ２３仍保持气 态。气液两相混合工质出冷凝器后进入气液分离 器，富Ｒ２３气体和富Ｒ２２液体分离。液态工质经 节流阀节流降温降压后进入冷凝蒸发器吸热蒸发， 使得进入冷凝蒸发器的富Ｒ２３气体冷凝成液体。 富Ｒ２３液体从冷凝蒸发器出来后经节流阀进入蒸 发器，吸收被冷却物的热量完成蒸发过程，实现制 冷。气态的Ｒ２３和气态的Ｒ２２混合后被压缩机吸 入、压缩，成为高温高压气体，从而完成整个循环。
凝循环和单级压缩多级分凝循环。下面分别对这 两种循环的工作原理进行介绍。 １．１单级压缩单级分凝循环
单级压缩单级分凝循环是一种较为简单的自 复叠制冷循环，其流程安排根据所选用的工质和制 冷要求而不尽相同，下面介绍一种典型的单级分凝 循环的流程，如图１所示。
冷凝器
自复叠循环。图２是一个单级压缩三级分凝循环， 也可以称为四级自复叠循环。当混合工质组分选 择合适时，可以实现一种制冷剂的冷凝及节流，为 下一种制冷剂的冷凝提供冷量，直至最低沸点的制 冷剂冷凝成液体，经过节流获得极低的温度，一般 可制取９０ Ｋ以下的温度。
单级分凝自复叠循环通常使用二元混合工质， 但根据要制取的温度，也可以使用多元混合工质。 例如当自复叠制冷系统用于低温领域制取６０ Ｋ以 下的温度时，一般选用由Ｎ２，０２，Ｎ。，Ａ和一些碳 氢化合物及Ｒ１４等组成的混合工质。 １．２单级压缩多级分凝循环
为了制取更低的温度，或者提高混合工质的分 离效果，减小蒸发器温度滑移，可以采用多级分凝
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发 器
冷凝器
图３具有分凝器的自复叠制冷循环图
要达到更高的分离效果，可以采用工业上使用 的精馏装置代替传统的气液分离器Ｈ ５｜。混合工质 在精馏装置内的精馏过程相当于多级分凝过程，大 大提高了高、低沸点组分的分离效率，与单级分凝自 复叠循环比较有明显的优势，可以达到更低的制冷 温度，在平均蒸发温度相同时有更高的ＣＯＰ。但 是，具有精馏装置的自复叠制冷循环结构复杂，投资 大，并且精馏塔的操作压力对循环ＣＯＰ的影响很 大，要通过实验测定最大ＣＯＰ对应的操作压力。 ３．３增加逆流换热器的研究
第６卷第６期
制冷与空调
２ ０ ０ ６年１ ２月
ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＡＩＲ—ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＩＮＧ
５－８
自复叠制冷循环的研究状况
任挪颖 颜 俊钱 伟 晏 刚 吴业正
（西安交通大学）
摘要在介绍自复叠制冷循环工作原理的基础上，提出自复叠循环选取混合工质的几点要求，分析目前 自复叠制冷循环的研究现状，重点介绍循环中各部件对循环性能的影响，以促进其推广使用。 关键词 自复叠循环工质循环性能
在自复叠循环中通常根据需要增加逆流热交 换器，用来提高循环性能。图４为增加了两个逆流 换热器的改进型单级分凝自复叠制冷循环。
冷凝器
图４改进型单级分凝自复叠制冷循环 在图４中逆流换热器１用低压混合工质冷却 高压两相混合工质，可以将高压工质中的高沸点组
万方数据
制冷与空调
第６卷
分进一步冷凝，同时提高压缩机的吸气温度，防止 出现“液击”现象。逆流换热器２用低压低沸点工 质过冷高压低沸点工质，减少节流后低沸点工质的 干度，增加单位工质的制冷量。