自动复叠制冷系统工作过程中混合工质组分测试与分析

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 4.63MB 91 页 15积分

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摘要

本文分析基于非共沸混合工质的 ARC 循环的特点，在此基础上设计了一个单

级压缩、四级分凝的五级自动复叠制冷系统，系统获取了-110℃的稳定制冷工况。

文中进行了循环特性的分析，搭建了相应的运行工质成分采集系统，基于 GC112A

气相色谱仪与 N(VI)2000 色谱数据工作站联合通讯，分析了稳定制冷工况下混合

工质组分 R14 与R740 的组分运行情况，通过关键状态点的采样分析，明了系统内

部混合工质的实际运行工况。

实验中自动复叠制冷系统选用混合工质 R600a、R134a、R22、R23、R14、R740

与R728，利用气相色谱仪以及色谱工作站对系统的中低温制冷剂 R14、R740 与

R728 进行了循环跟踪分析，通过对关键状态点的采样、组分以及配比的分析得出

以下结论：

1 试验台的搭建过程中，各部件的设计、选型以及其布置方式，都应尽量做

到科学合理；在初次调试中利用 NIST8.0 软件，对混合工质热物性质，配比及系

统状态点参数进行了模拟计算，对实验的顺利进行具有一定指导意义

2 在多级自动复叠制冷系统降温的过程中，混合制冷剂的配比，影响很大，

在探索稳定制冷工况的工程中，发现适当的充入 R740 与R728 这种低温制冷剂可

以达到很好的降温效果；但在未能将其充分冷凝的情况下充入反而会成为不凝结

气体，对压缩机的排气温度与压力产生不良影响，造成运行工况的恶化。

3 在使用真空筒保温的情况下，为了达到更好的降温效果建议系统部件之间

做好隔热保温措施。

4 GC112A 气相色谱仪与 N(VI)2000 色谱数据工作站的联合使用，在测试混合

物的成分浓度上提供了方便快捷的模式以及较为人性化的准确测试，同时离线工

作站的编辑功能可以科学的进行图谱分析与报告。

5 多级自动复叠制冷系统中，充注进入系统的制冷剂无论是组分上还是配比

上并不等于实际参与制冷循环的制冷剂。

6 类似 R728 与R740 这种冷凝温度很低的低温级制冷工质在多级自动复叠制

冷系统的中、低温级环中的滞留以及不均匀的流动很明显。

7 实验中存在 R600a、R14，近似凝固式的滞留于系统部件中不参与制冷剂的

循环，或者长时间无法融入制冷剂的循环当中，对系统的制冷不予贡献的情形。

关键词：多级自动复叠非共沸多元混合工质实际运行组分采样分析

ABSTRACT

This analysis is based on ARC cycle characteristics of non-azeotropic

mixed-refrigerants, and a refrigeration system of single-stage compression, four-stage

dephlegmation, five-stage auto-cascade cycle is designed. This system stabilized at

-110℃ in the end. The paper analyzed cycle characteristics and the corresponding

working refrigerant component sampling system is built. Based on combined

communication of gas chromatograph(GC112A) and N(VI)2000 chromatographic work

station, the running situation for mixed refrigerant component of R14 and R740 under

the stabilized refrigeration condition. And the actual running condition of mixed

refrigerant in the system is investigated by sampling analysis at key state point.

The multi-stage auto-cascade refrigeration system use the mixed refrigerant of

R600a, R134a, R22, R23, R14, R740 and R728, and the tracking cycle analysis for

low-temperature refrigerant of R14, R740 and R728 is researched by using gas

chromatograph(GC112A) and N(VI)2000 chromatographic work station. Acordding to

sampling, analyzing for component and ratio at key state point , some experimental

results are acquired as following:

1.The design, selection and layout of every part should be as scientific and rational

as possible in the construction of the test-bed. In the first test the software NIST8.0 was

used to simulate the thermal physical properties of the mixture, ratio and the property of

every point in the system. The simulation has a certain guiding significance for the

smooth conduct of the experiment.

2.The ratio of the mixture refrigerant plays an important role in the multi-stage

autocascade refrigeration system. In the exploration of stable refrigeration conditions

we found that a very good cooling effect can be achieved by charging R740 and R728

appropriately which are both low-temperature refrigerants. But when they are not fully

condensed they will exist as non-condensable gas which will bring bad effect to the

discharge temperature and pressure of the compressor and cause the deterioration of the

operating conditions.

3.Under the condition of using vacuum tank for heat preservation, good thermal

insulation measures between the system parts are suggested in order to obtain better

cooling effect.

4.The combination of gas chromatograph(GC112A) and 2000 gas

chromatograph(GC) data workstation provided a convenient and more humane accurate

way for the testing of the component concentration in the mixture refrigerant.

Meanwhile, the offline workstation editing functions can do spectrum analysis and

report scientifically.

5.In the multistage auto-cascade refrigeration system , the components and ratio of

the refrigerant entering the system is not equal to the actual participation in the

refrigeration cycle.

6.The retention phenomenon in the middle and low temperature link and uneven

flow of low-temperature refrigerant whose condensing temperature is ultra low such as

R728 and R740 is very obvious.

7.In the experiment, there existed such phenomenon that R600a and R14 occluded

in system components in a approximate solidification way and didn’t move in the

system or can’t blend in the circulation of the refrigerants in a long time.

Keywords: Multi-stage Auto-cascad，Actual Running，

Non-azeotropic Mixed-refrigerants，Samlpling Analysis

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................ 1

§1.1 课题背景 ................................................... 1

§1.2 自动复叠制冷循环的发展 ..................................... 2

§1.3 混合工质 ARC 制冷机及其应用 ................................. 5

§1.4 本文的研究目的及内容 ....................................... 7

第二章多级自动复叠制冷循环制冷系统的选择 .......................... 10

§2.1 低温制冷循环的分类 ........................................ 10

§2.1.1 经典复叠制冷系统 ..................................... 10

§2.1.2 自动复叠制冷循环 .................................... 11

§2.2 自动复叠制冷循环的特点、优势与关键技术 .................... 13

§2.2.1 ARC 循环的特点及优势 ................................. 13

§2.2.2ARC 循环的关键问题 .................................... 14

§2.3 课题系统选择与介绍 ........................................ 14

§2.4 本章小结 .................................................. 14

第三章课题方案的设计及计算 ........................................ 16

§3.1 混合制冷剂的选取与相关计算 ................................ 16

§3.1.1 混合工质的概述 ...................................... 16

§3.1.2 混合工质的物性计算 .................................. 17

§3.1.3 混合制冷剂的选择 .................................... 22

§3.2 制冷系统部件的选取与计算 .................................. 23

§3.2.1 热交换器的选型与计算 ................................. 23

§3.2.2 节流元件的设计计算 ................................... 30

§3.2.3 压缩机的选型 ......................................... 31

§3.3 本章小结 .................................................. 34

第四章试验台的搭建及数据采集系统的设计与实现 ...................... 35

§4.1 混合制冷剂充注设计 ........................................ 35

§4.2 系统辅助部件设计 .......................................... 37

§4.2.1 真空筒的设计 ......................................... 37

§4.2.2 油分离器的选用 ...................................... 39

§4.3 实验数据采集系统 .......................................... 41

§4.3.1 实验数据的测量 ....................................... 42

§4.3.2 实验数据的采集 ....................................... 44

§4.4 本章小结 .................................................. 48

第五章试验研究与数据分析 .......................................... 49

§5.1 制冷系统实验前准备工作 .................................... 49

§5.1.1 制冷系统的检漏 ....................................... 49

§5.1.2 制冷系统抽真空与混合制冷剂的充注 ..................... 50

§5.1.3 真空筒的检漏与抽真空 ................................. 51

§5.2 工质成分采集的实验调试 .................................... 51

§5.2.1GC112A 调试运行 ....................................... 51

§5.2.2N（VI）2000 色谱工作站调试 ............................ 54

§5.2.3GC112A 与 N（VI）2000 实现通讯与标样测试 ............... 56

§5.3 试验台数据的采集分析 ...................................... 69

§5.3.1 制冷系统运行情况分析 ................................. 69

§5.3.2 制冷系统稳定工况下工质成分的采样分析 ................. 71

§5.4 本章小结 .................................................. 80

第六章结论与展望 .................................................. 81

§6.1 结论与经验 ................................................ 81

§6.2 建议与展望 ................................................ 82

参考文献 ........................................................... 83

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 87

致谢 .............................................................. 88

第一章绪论

§1.1 课题背景

人类的发展史就是在不断地认识世界和改造世界的过程，制冷技术也经历了

诞生、发展以及应用于工商业等多领域的过程。冰量热器的发明标志了现代制冷

技术应运而生，这一里程碑式的成果发生于 18 世纪英国的 Edinburgh 大学的实验

室里，William Cullen 教授和他的学生 Joseph Black 一同利用液体乙醚蒸发在实验

室制得人工冰，在之后的两个多世纪里现代制冷技术得到了快速的发展。在多种

制冷型式中，利用制冷工质在摩擦流动中所产生的 Joule-Thomson 效应进行制冷的

节流制冷机因其结构简单，运行可靠，制冷温区广，制冷量大，制冷效率较高等

特点得到了更快的发展与更广泛的应用。

19 世纪 30 年代，Jacob Perkins 发明了以乙醚等挥发性流体为工质的蒸气压缩

式制冷机，第一次实现了闭式循环连续制冷[1]。

19 世纪中后期，Karl von Linder 发明了氨压缩式制冷机[2] 。之后，蒸气压缩

式制冷机在普冷温区占据了主要地位。

到了 20 世纪初期，荷兰人实现了气体氦的液化[2]。节流制冷也从常温区扩展

到液氦温区。

在之后的 70 年里，节流制冷的发展突显在两方面：一方面是提高制冷剂热力

学效率，包括性能好的制冷剂、制冷循环的优化以及系统中高效部件的研发等；

另一方面是通过简化制冷机结构来实现其可靠性。

20 世纪 70 年代以来，由于能源危机的这一全球性问题得到人们的重视，加之

由于 CFCs 工质中氯原子对大气臭氧层的破坏，从而受到蒙特利尔公约的禁止和限

制，面临的问题是工质替代，新工质的研发和应用再次受到重视[3,4]（图 1-1），混

合工质由于其各组分间较灵活的自由度更容易找到合适的替代物，所以这一模式

的节流制冷这一循环模式得到大力的推进与发展。据文献[3]刘介绍，早在 1834 年，

Perkins 就已将二氧化硫和乙醚组成的混合制冷剂用于蒸气压缩式制冷机，从本质

上来说混合工质可同样适用于使用单一纯工质的系统，并且混合工质较纯工质在

确定上多了有关组成的配比的选择，不仅较容易找到一种与传统工质性能接近的

替代物，而且其多组元的组成与多级自动复叠制冷系统的多级自动分凝相切合，

既充分利用了混合工质良好的热力学性能又能充分利用低沸点工质进行深冷的制

取，这一点使得自动复叠的低温制冷系统将成为低温环境的主要组成，同样这个

多元组分的混合工质的配比的确定以及其在系统中实际运行的配比工况的分析也

成了多级自动复叠制冷系统的一个难点，并且在目前国内而言，鲜有人去研究的

自动复叠制冷系统工作过程中混合工质成分测试与分析

一个领域，从促进低温技术发展的角度讲，应该投入更多，积极开展相关科研。

图1-1 新型替代工质的示意图

§1.2 自动复叠制冷循环的发展

1934 年，最早的关于自动复叠制冷循环（ARC）的研究工作始于美国，设计

灵感源自经典复叠式制冷循环（CRC）。通过以下事件再现了自动复叠制冷循环

技术的发展史：

1934 年，Walter J. Podbielniak 提出了一种新的制冷循环，如图 1-2 所示，采

用单个压缩机压缩非共沸混合工质（甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷），通过在

系统中设置的分离器和中间换热器来实现不同组分的分离和分凝，最后最低沸点

的组分蒸发实现超低温-170℃的环境，该循环在 1936 年获得美国专利[5]。

图1-2 第一部自动复叠制冷机循环示意图

1946 年，美国人 Ruhemann 将氟利昂工质 R13 和R22 混合应用于一级分凝的

被替代的 CFCs 和HCFCs

近共沸工质

共沸工质

混合工质

纯工质

自然工质

合成工质

非共沸工质

第一章绪论

两级 ARC 循环中，在低温级制取-65℃[6]。

1959 年，在哥本哈根举行的国际制冷大会上，提出了单流混合工质复叠循环

[7] (Mixed Refrigerant Cascade Cycle，MRC)，系统采甲烷、乙烷、正丁烷的混合物

以65/20/15 的配比通过单压缩机、两级分凝获得超低温液化了天然气，并去掉了

经典复叠系统中多台压缩机及其回路，节省了投资，简化了流程，具有更高的热

力学效率和运转可靠性，这类循环又被称为 K1eemenko 循环。

同年，单级分凝的 ARC 循环进一步改进，美国加利福尼亚大学的 Smith 和

Kenndey 为了提高进入蒸发器的低温级工质的纯度，提出了在冷凝蒸发器前增加一

个分馏冷凝器如图 1-3 所示，有效减小温度滑移同时降低蒸发温度。

A—低压级压缩机 B—高压级压缩 C—水冷冷凝器 D—干燥过滤器 E—分馏冷凝器

F—膨胀阀 G—热交换器 H—冷凝蒸发器 I—蒸发器 J—压力调节阀

图1-3 Smith 和Kenndey 提出的自动复叠循环系统图

1963 年，苏联科学家 Чайковский 和Кузнезов 采用混合制冷剂 R13/R12 通过

单机压缩、一级分凝的循环获得-80℃的低温。

1965 年，Fuderer 提出了简化的一次分凝 ARC 循环[8]。设计的系统在冷凝蒸

发器前采用了垂直布置的换热器，起到分馏作用的同时，利用重力作用，兼作汽

液分离器和油分离器，混合工质 R50 和R12 以配比 20/80 通过两级压缩，冷凝温度

为32℃时，可以达到-156℃的低温。

1972 年，美国的 Missmer 提出了具有旁通系统的 ARC 循环[10]，如图 1-4 所示，

在fuderer 循环的基础上设置了旁通管路，解决了压缩机启动时的高压，加快了降

温速率，更具有经济性和实用价值。

自动复叠制冷系统工作过程中混合工质成分测试与分析

A—压缩机 B—充注阀门 C—辅助冷凝器 D—风冷冷凝器 E—气液分离器

F、I—干燥过滤器 G、K—毛细管 H—冷凝蒸发器

J—温度（或压力）控制旁通阀 L—蒸发器

图1-4 Missimer 提出的具有旁通系统的 ARC 循环系统图

1974 年，Missimer 创立了专注于 ARC 循环的 Polycold 公司，为该循环的商业

化发展起到了很大的推进作用，到 20 世纪 90 年代已基本完成 CFC 工质的替代工

作[11]。

1980 年，美国斯坦福大学的 William A. Little 教授专注于 MMR 制冷机和

Kleemenko 制冷机研究[12-21]，并创立了 MMR 公司，主要研究基于 Kleemenko 循

环制冷机，追求低成本、高效率。通过一系列优化，单机压缩、单级分凝获得了

120K 温度 [22]。

国内对 ARC 循环的研究起步较晚，但发展比较快，二十世纪七十年代开始出现

教材上的理论介绍到九十年代的迅速升温，华中理工大学、中科院低温中心、浙江大学、

上海理工大学东南大学等都先后作了大量的理论研究和实科研验并取得了一定的

成果，但并没有转化为市场效益，进入 21 世纪中科院低温试验中心和上海理工大学开

始进入产品市场，开始与企业合作，实现商业化。

中国科学院理化所低温试验中心的罗二仓、公茂琼、吴剑锋等在混合工质组

元的选择、配比的优化、热物性计算及预测、工作压力的优化等方面做了大量卓

越的研究[21-22,24-44]。2002 年， 150℃的 ARC 循环的低温冰箱在该中心问世，标志

着我国在此领域的科研水平有了新的突破。2004 年5月，再次制取了-203℃的 ARC

制冷机(图1-5)，系统采用碳氢化合物、氮气、氖气组成的七元混合物单机压缩、

两级分凝在-203℃温区有 1.06W 的制冷量。

第一章绪论

图 1-5 中科院-203℃ARC 制冷机循环示意图

进入 21 世纪，上海理工大学在 ARC 方面做了大量的科研及事件工作。2000

年，陈建波等采用 R134a/R23/R14 的三元混合工质[45]，通过单机压缩、两级分凝

获得了-100℃的低温。

2001 年，在张华教授带领下，开始在 ARC 的应用开发上进行实践，课题组与

青岛海尔集团合作成功开发了一款-65℃的深冷冷柜[46]。采用 R22/R23 的混合工质，

通过单机压缩、一级分凝在 30℃环境温度下，开机 4h 内将 150L 的箱体降到-60℃

以下。

为了进一步的研究，陆向阳设计搭建了单级压缩、两级分凝的 ARC 低温箱试

验台，做了有关循环特性的实验研究，分析了影响因素，经过调试改进，获得了

-100℃的低温。

2007 年，课题组设计一个四级自动复叠系统[47]，并搭建了低温箱试验台，采

用混合工质 R600a、R23、R14、R740 成功的制取了-150℃的低温。通过在 ARC

系统的不断试验和调试的过程中，发现混合工质不仅在组分上的选取很重要，在

组分的配比上更为关键也更加难以准确的加以计算和模拟，尤其是在随着复叠的

级数增多，系统也更为复杂，混合制冷剂的在系统中的理论运行成分可以初步进

行模拟，往往实际的最佳配比与理论模拟存在很大的出入，这个问题引起了课题

组的关注，显然实际运行在循环中的混合工质成分和比例与理论以及实际充注量

不符。

本文正是在张华教授的指导下，进一步深入对 ARC 循环特性的做出了实验研

究。

§1.3 混合工质 ARC 制冷机及其应用

混合工质是由两种或两种以上的单一纯工质通过一定的比例混合而成的。按照

混合后的溶液是否具有共沸的性质，分为共沸制冷剂、近共沸制冷剂和非共沸制

冷剂。

混合工质的应用近些年来受到了广泛的关注，在许多低温场合成为纯工质的主

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摘要：

摘要本文分析基于非共沸混合工质的ARC循环的特点，在此基础上设计了一个单级压缩、四级分凝的五级自动复叠制冷系统，系统获取了-110℃的稳定制冷工况。文中进行了循环特性的分析，搭建了相应的运行工质成分采集系统，基于GC112A气相色谱仪与N(VI)2000色谱数据工作站联合通讯，分析了稳定制冷工况下混合工质组分R14与R740的组分运行情况，通过关键状态点的采样分析，明了系统内部混合工质的实际运行工况。实验中自动复叠制冷系统选用混合工质R600a、R134a、R22、R23、R14、R740与R728，利用气相色谱仪以及色谱工作站对系统的中低温制冷剂R14、R740与R728进行了循环跟踪分析，...

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