新型多元化混合节流制冷设施优化剖析及试验探讨

　　然而，随着制冷温度的降低，采用单纯工质的节流制冷机其效率也随之降低。一般说来，在制冷温度低于- 40℃时采用单纯工质的一次节流制冷循环其效率已经不如其它制冷循环高。在普冷领域当需要的制冷温度降到- 70～- 120℃时，人们通常采用将两个或多个单级制冷系统组合起来，构成复叠式制冷循环来满足更低温度的要求。

　　可以明显看出，采用复叠式制冷循环时，制冷系统的复杂性及系统运行的维护要求都比单级制冷系统增大。

　　在低温领域，采用单纯工质节流制冷系统只用于当系统的简单可靠性是主要考虑的场合中，如军事上利用高压纯氮节流来快速冷却导弹的红外制导系统，此时节流前氮气的压力要高达20～30MPa ，节流损失很大。为此，人们将目光转向采用混合物作节流制冷工质的研究上来。*近几年，采用混合物工质作节流制冷剂的研究有了很大进展。首先，采用混合物工质可以使节流运行压力大大降低，目前国内外均已成功地研制出采用商用空调压缩机来驱动混合物工质节流制冷机。另外，由于采用合理选配的混合物工质可以有效地改善循环高低压气流的水当量匹配，减少回热损失，从而也降低节流损失，*终提高系统效率。在液氮温区，经过优化混合物工质节流制冷循环的卡诺系数可以达到30～40 %左右。

　　既然采用多元混合物工质的节流制冷系统在低温领域有了很大的进展，现在，我们考虑在复叠制冷温区，制冷温度在- 70～120℃范围内，采用多元混合物工质节流是否也有所作为，本文就此问题展开研究。

　　二、复叠温区多元混合物一次节流制冷循环优化设计采用多元混合物节流工质一次节流加回热的Linde - Hampson循环的示意图见图一所示。下面我们将主要从热力学角度来研究混合物工质一次节流制冷循环的优化分析。建立其优化模型。

　　211优化设计的主要内容从热力学角度出发，采用混合物作节流工质的优化设计主要包括以下几点内容：（1）混合物组元的合理选择。文献对液氮温区混合物组元的选择进行了分析，对复叠温区混合物组元的选择其基本原则是相同的，基本是根据所要达到的制冷温度，以组元的正常蒸发温度、凝固点来考虑各组元的取舍。在低温区可供选择的组元有（异戊二烯）等。

　　由于*低制冷温度一般都高于大多数组元的凝固点，在组元选择时自由度比液氮温区要大。另外要注意在选择组元时除了要考虑热力学因素外，还要考虑其化学稳定性、毒性、对大气臭氧层的破坏性、各组元之间是否有化学反应以及来源可靠性和经济性等问题。

　　（2）混合物组元的*佳配比。在混合物组元确定之后，混合物工质的配比对节流制冷机的性能将有很大的影响，配比不当节流制冷机效率肯定不高，甚至无法达到需求制冷温度。因此，*佳配比的设计是混合物工质节流制冷机的研究工作中的重要部分。

　　*佳配比的含义就是在给定的热力条件下系统达到*大效率时的混合物组元的浓度（摩尔分数）。

　　（3）混合物节流循环*佳运行参数。循环运行参数主要指循环高低压力，环境温度及制冷温度。通常情况下，环境温度已知，给定要求的制冷温度，因此需要优化的参数是循环运行的高低压力。本文通过系统地改变循环运行高低压力，计算不同压力工况下循环的热效率，取其*大值，此时的压力工况即为*佳运行压力参数。

　　事实上，运行参数的优化与*佳配比的优化是紧密联系在一起的，是一个整体，对应每一个运行压力工况，都存在着该压力工况下的*佳混合物配比，压力工况改变混合物*佳配比随之改变。

　　212优化计算的数学模型为问题解决的方便，在可以允许的偏差内，我们作如下考虑：（1）假定各组元摩尔浓度在循环中不会改变；（2）不考虑在换热器内的压力损失；（3）假定循环中无固相析出。

　　所以该问题的数学模型可以表述为：求设计变量（混合物配比） ：至此，可以看出该问题属于非线性有约束条件的*优化问题。从问题的性质出发，我们采用复合形优化算法进行计算。复合形优化算法的基本思想是：在非线性有约束的n维设计空间内，选取2n个符合约束条件的变量即2n个顶点构成复合形，然后对复合形的各顶点函数值逐一进行比较，不断地丢掉*坏点，代之以即能使目标函数有所改进，又满足约束条件的新点，逐步调向*。

　　三、混合工质节流循环与复叠式制冷循环理论性能比较复叠式制冷循环是用两种或两种以上不同的制冷剂，由两个或两个以上单级制冷系统组合而成。为了比较多元混合物质工质一次节流制冷循环与复叠制冷循环的性能，本文举例进行说明。

　　对某一制冷工况采用复叠式制冷循环进行了理论热力计算，具体如下：被冷却对象为- 80℃（实际制冷温度按- 88℃计算）的工作室，采用两级复叠式制冷系统，高温级采用R22单级制冷，低温级采用R13单级制冷。R22冷凝温度为35℃（环境温度30℃）。采用复叠式制冷循环的计算结果如下：R13蒸发温度为- 88℃，选取高温部分R22蒸发温度为- 35℃，低温部分R13冷凝温度为- 30℃，即△t = 5℃。实际制冷系数为0. 42（详细计算说明）。

　　现在采用多元混合物工质一次节流制冷循环来实现同样的制冷要求，对其进行优化设计，环境温度与制冷温度相同。

　　2）循环优化计算：运行压力选择范围：高压为1. 5 - 2. 0MPa ，低压为0. 1 - 0. 3MPa.

　　在上述条件下进行来优化混合物配比，考虑实际因素，设定换热器*小传热温差为3℃，计算结果见表1.

　　由表1可以看出No. 3混合物工质的制冷系数为0. 41占复叠式制冷循环实际制冷系数的97. 2 % ，性能上已经非常接近复叠式制冷循环，考虑到一次节流制冷循环的简单可靠性，在某些实际应用场合中，可以采用多元混合物工质制冷循环代替复叠式制冷循环。三种混合物工质的焓温图。

　　四、多元混合工质节流制冷机实验研究我们前面介绍了采用混合物工质节流制冷来达到复叠温区的设计方案，并与传统的复叠循环制冷机系统进行了理论比较。

　　根据上述设计方案，我们针对- 80～- 120℃温区相应进行了一些实验研究，初步取得了一些结果。

　　实验条件：压缩机：由额定输入功率为1/ 3HP的空调压缩机改装，采用空气冷却。

　　逆流热交换器：采用自行设计制作的新型多孔板换热器，我们已经取得了该种形式的换热器实用新型专利。蒸发器及换热器采用聚氨酯发泡保温。

　　制冷工质：混合物工质由前面提出的选择原则，根据不同制冷温度相应调整，配比采用自己编制优化计算软件计算，同时根据实验设施的实际情况相应调整。

　　整机外形尺寸为250×250×350（mm） ，非常小巧紧凑。

　　图三给出了部分实验温度及有效负荷曲线， a）为采用三种组元组成的温合工质进行的实验研究，在- 80℃取得了10W的制冷量，在- 70℃时制冷量为20W； b）是采用四种组元组成的混合工质的实验结果，在- 120℃制冷量有11W的制冷量， - 110℃时制冷量为16W.

　　五、讨论在普冷界，为了达到- 70～- 120℃的制冷温度，通常是采用复叠式制冷循环方式。一般来说，复叠循环制冷系统比较复杂，从设计制造到生产维护都需要比较多的投入。本文提出了一种新的思路，即采用多元混合物工质一次节流回热制冷循环来满足这一要求。也就是说，用低温领域的制冷方式来满足普冷领域的制冷要求。通过前面的理论计算分析，我们可以知道，多元混合物工质一次节流制冷循环效率已经非常接近复叠时制冷循环的效率。由于采用单台油润滑的空调压缩机驱动的多元混合物工质制冷系统，其系统构成简单，其关键的组成硬件只有三部分：1）空调压缩机，根据制冷温度要求，需适当增加润滑油过滤系统。

　　2）冷却器，由于多元混合物工质在从压缩机出口温度到被冷却到环境温度的这一温区内基本处在气相区，几乎没有相变潜热，因此冷却器负荷远远少于空调系统及冰箱系统，相应的冷却器的尺寸很小。

　　3）回热器，根据不同需求场合，可以采用相应的成熟的间壁式逆流热交换器来实现。

　　上述器部件都是比较成熟的产品，因此该制冷系统可以很容易地实现。另外，用于组成混合物工质的各组元（氟里昂类或轻烃类）也都是比较容易得到的化工产品，而且对环境无破坏作用。总的来说，多元混合物工质节流制冷系统与复叠式制冷系统相比简单可靠。因此，在很多场合采用空调压缩机驱动的混合物工质节流制冷系统都较复叠式制冷系统优越。

　　在本文实验工作中，在采用不同的混合物工质，在相应运行压力条件下分别取得了在- 120℃有11W的制冷量，和- 70℃有20W的制冷量的结果。相应的实验工作表明采用单级油润滑空调压缩机驱动的多元混合物工质节流制冷机完全可以应用与复叠制冷温区，制冷系统的生产维护都远比复叠循环制冷系统简单可靠。本实验所制作的节流制冷机小巧紧凑，特别适用于低温医疗、低温电子领域，具有广阔的应用前景。

　　本文实验结果是初步的，只实验了两种混合物工质的性能，从这两种混合物工质实验结果来看，实测性能达到理论计算的30～50 %.另外，整个实验系统在换热器效率、及制冷器的绝热保温方面还有潜力可以挖掘，结果还可以得到进一步的提高。