袁盛通，張 華，楊 夢，周子佳，柏霄翔

（上海理工大學制冷及低溫工程研究所，上海 200093）

0 引言

進入21世紀以來，隨著人們對于全球變暖問題嚴重性的愈發(fā)重視，世界各國尤其是發(fā)達國家和地區(qū)紛紛開始采取措施，限制高GWP（全球變暖潛能值）的HFCs（氫氟烴）制冷劑在不同制冷裝置中的應用[1-3]。制冷劑是制冷系統(tǒng)的血液，根據(jù)中國HCFCs（氫氯氟烴）淘汰管理計劃及相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)，制冷空調(diào)行業(yè)HCFCs制冷劑消費的基線水平（2016年消費量）超過16萬噸[4]，HFCs制冷劑的消費量仍將保持較快的增長，制冷空調(diào)設備的生產(chǎn)規(guī)模將保持相應的快速增長，制冷劑的消費總量也將不斷增加[5]。

隨著環(huán)境對制冷行業(yè)的要求越來越高，環(huán)保制冷劑的替代研究已成為制冷空調(diào)領域的熱門研究課題，在選擇替代制冷劑時，需要綜合考慮制冷劑本身的熱物性和制冷系統(tǒng)的節(jié)能性、環(huán)保性、安全性、經(jīng)濟性等各方面的性質[6-7]。2016年《蒙特利爾議定書》“基加利修正案”的簽訂進一步限定高GWP的HFCs工質的使用[4]，這將有效減少HFCs的排放。近年來，全球范圍內(nèi)的多個相關組織和公司開展了替代制冷劑的研究工作，取得了一些重要成果[8]。目前制冷行業(yè)主要有HCs、NH3、CO2、低GWP值HFCs以及HFOs（氟烯烴）等替代制冷劑可供選擇[7，9]，其中HCs和HFOs是近期國內(nèi)外研究的熱點。

自復疊制冷循環(huán)（Auto-cascade Refrigeration System，ARC）最早使用的混合制冷工質R11、R12、R13、R21和R22等已經(jīng)被嚴格禁止使用，現(xiàn)在常用的制冷劑R134a、R23也被列入受控名單將要被淘汰，這就需要研究探索適合于ARC系統(tǒng)的新型替代工質。ARC系統(tǒng)結構部件相對簡單，但是ARC系統(tǒng)內(nèi)部混合工質本身的熱力學性能和傳熱傳質過程非常復雜[10]。國內(nèi)外學者對應用在ARC系統(tǒng)中的非共沸混合制冷工質物性的研究主要集中在：（1）混合工質熱物性的準確預測；（2）混合工質相變規(guī)律，主要指氣-液相平衡預測；（3）混合工質節(jié)流特性；（4）混合工質循環(huán)優(yōu)化設計，包括循環(huán)運行參數(shù)優(yōu)化和混合工質配比優(yōu)化[11]。

Kim等[12]將CO2作為混合工質組分應用在ARC系統(tǒng)中，采用混合制冷工質R744/R134a、R744/R290進行測試，結果表明，R744與高沸點制冷劑在合理的配比情況下可以得到較好的制冷效果。Walimbe等[13]研究分析了Ne、N2和HC混合工質的T-h圖和p-h圖，表明在-193℃時采用混合制冷劑Ne、N2和HC可以得到6 W的制冷量且輸入功率僅為868 W。Luo等[14]運用修正的溶液模型計算了混合工質的液固相平衡特性，給出混合物的液固相平衡特性對液氮溫區(qū)節(jié)流制冷機的影響結果[15-16]。

ARC系統(tǒng)工質的組分確定以后，最重要的任務就是確定混合制冷劑的組分配比，近年來關于混合工質充注量和配比對自復疊制冷循環(huán)特性影響的研究很多。其中杜塏等[16]對冷凝溫度為77～97℃和0～20℃蒸發(fā)溫度區(qū)間內(nèi)的R134a/R123自復疊熱泵系統(tǒng)濃度配比進行了優(yōu)化計算和分析。Venkatarathnam等[17-18]研究指出，混合工質的組分配比在蒸發(fā)溫度為-73℃時，可以選擇的工質配比有：R23/R142b（7.9/92.1）、R22/R142b（57.7/42.3）、R23/R134a（18/82）和R23/R125/R134a（15/25/60）。Wang等[19]進行了組分變化時混合制冷劑R600a/R290/R1150/R50/R728、R23/R134a和R170/R290對自復疊制冷系統(tǒng)性能影響的實驗。

本文以低溫冰箱為研究對象，進行了R600a/R1150與R600a/R23/R14兩種混合工質在兩級自復疊制冷循環(huán)系統(tǒng)-80℃溫區(qū)的應用實驗，對不同質量配比的R600a/R1150在不同環(huán)境溫度下進行了測試，并與R600a/R23/R14進行對比分析，從系統(tǒng)性能和充注量兩方面驗證了R600a/R1150作為非碳氫混合制冷劑的替代物的可行性，對純碳氫混合制冷劑作為非碳氫混合制冷劑的替代物的研究具有一定的參考作用。

1 低溫冰箱實驗系統(tǒng)

1.1 實驗裝置

1.1.1 低溫冰箱性能測試系統(tǒng)

低溫冰箱在上海理工大學冰箱性能測試實驗室中測試，冰箱性能測試實驗室按照國家標準（GB/T 8059.1-4-1995）[20]搭建，由測試環(huán)境室、溫/濕度控制系統(tǒng)、電控及數(shù)據(jù)采集測量系統(tǒng)構成。圖1為冰箱測試系統(tǒng)的示意圖。

圖1 低溫冰箱性能測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the cryogenic refrigerator performance tests system

測試室內(nèi)的溫度和濕度采用空氣調(diào)節(jié)的方式控制，由兩個PID控制器調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)、加熱棒和加濕器實現(xiàn)，在24 h內(nèi)的波動分別為±0.5℃和±2%。室內(nèi)空氣采用頂部孔板送風的形式，以保證空氣流動速度＜0.25 m/s。測試環(huán)境室內(nèi)的溫度和濕度控制范圍分別為-10～45℃和0%～100%，滿足實驗設計工況的需求。實驗時冰箱放置在黑色木板平臺上，其中冰箱的兩側和后側均設有黑色木板（兩側0.3 m，后側0.1 m），以減小輻射換熱對冰箱外壁散熱的影響。

1.1.2 實驗裝置主體

（1）實驗設備采用海爾578L立式低溫醫(yī)療冷柜箱作為實驗對象，直接利用發(fā)泡在箱體里的蒸發(fā)盤管作為蒸發(fā)器，采用SECOP的GS26CLX型壓縮機；

（2）根據(jù)制冷循環(huán)系統(tǒng)主要設備的理論計算，可以確定兩級自復疊制冷循環(huán)系統(tǒng)的設備和管道尺寸，表1列出了實驗系統(tǒng)主要設備及規(guī)格型號。

表1 實驗系統(tǒng)主要設備及規(guī)格Tab.1 Main equipment and model of experimental system

1.2 實驗系統(tǒng)流程

在-80℃溫區(qū)的常規(guī)制冷系統(tǒng)中一般采用雙機復疊系統(tǒng)，高溫級采用常規(guī)制冷劑如R404A、R134a以及碳氫工質R600a、R290等，低溫級主要采用R23，但是R23的標準沸點為-83.3℃，制取-80℃的低溫時吸氣壓力接近于101 kPa。常規(guī)的兩級自復疊系統(tǒng)，一般采用兩種或者多種制冷工質，一般可以達到-40～-70℃。為了提高制冷系統(tǒng)的降溫深度，改善自復疊制冷循環(huán)的性能，提高系統(tǒng)冷量的利用率，系統(tǒng)中增加了回熱器，如圖2中的K2所示。圖2為兩級自復疊制冷循環(huán)系統(tǒng)流程圖以及關鍵位置溫度和壓力測點。

圖2 單級壓縮兩級自復疊制冷循環(huán)系統(tǒng)流程圖Fig.2 Diagram of single-compressor two-stageARC system

碳氫混合工質在初啟動時排氣壓力較高，為了降低系統(tǒng)的排氣壓力增加了壓力調(diào)節(jié)裝置。此壓力調(diào)節(jié)裝置的機制為：通過旁通電磁閥D及膨脹容器E來改善壓縮機A啟動時由于大量氣態(tài)制冷工質聚集在冷凝器C內(nèi)部而造成排氣壓力過高的問題。用壓力控制器控制旁通閥的通斷，使系統(tǒng)運行初期的不凝性氣態(tài)制冷工質經(jīng)過毛細管J3接入系統(tǒng)的回氣端，從而加快系統(tǒng)初期的降溫速度。

1.3 低溫冰箱的熱力循環(huán)計算與分析

設計-80℃的低溫復疊設備時，若采用5℃的傳熱溫差，則需要設計的蒸發(fā)溫度為-85℃。本文以27℃作為冷凝器出口和氣液分離時的溫度。在27℃、1.8MPa時液相中R600a和R1150的質量分數(shù)比為82.17/17.83，氣相中R600a和R1150的質量分數(shù)比為35.33/64.67，經(jīng)氣液分離器后氣相中R600a的比例還有35.33%，蒸發(fā)壓力為0.15 MPa。

建立完整的帶回熱利用的兩級自復疊熱力循環(huán)模型和熱力學計算流程圖，如圖3所示。首先確定設計參數(shù)，制冷量Qe或者蒸發(fā)器出口溫度T12、吸排氣壓力pe和pc，然后根據(jù)氣液相平衡確定混合工質的充注比例z、冷凝溫度及冷凝蒸發(fā)器高壓通道出口的溫度T9、T10，由氣液分離器的熱力學模型和設計參數(shù)計算出T4L點、T8點、T9點、T10點和T12點的物性參數(shù)。通過毛細管的節(jié)流原理以及T4L點和T10點的焓值計算T5點和T11點的物性參數(shù)。根據(jù)混合器的熱力學模型計算出T6點的物性參數(shù)，根據(jù)冷凝蒸發(fā)器的熱力學模型計算出T14點和T7點的物性參數(shù)，通過7點的溫度和過熱度計算T1點的物性參數(shù)，然后通過壓縮機的熱力學模型計算T2點的物性參數(shù)，由此完成整個兩級ARC熱力循環(huán)物性參數(shù)的計算。表2分別列出了R600a和R1150的質量分數(shù)比為70/30、60/40、50/50時的熱力循環(huán)物性參數(shù)計算結果。

圖3 兩級ARC系統(tǒng)循環(huán)熱力學計算流程圖Fig.3 Block diagram of calculation program of two stageARC system

表2 兩級ARC系統(tǒng)循環(huán)熱力學計算Tab.2 Thermodynamic calculation of two stageARC system

兩級自復疊熱力循環(huán)的理論COP的計算方法為：

R600a/R1150兩級自復疊制冷系統(tǒng)在70/30、60/40、50/50三種配比下的理論COP分別為34%、57%和53%。這表明R600a和R1150的質量分數(shù)比為60/40時有更好的COP，接下來的實驗將在60/40的比例附近取不同的配比進行測試和分析。

2 實驗數(shù)據(jù)與研究分析

2.1 R600a/R1150不同配比實驗結果分析

為了研究混合工質R600a/R1150在兩級自復疊制冷循環(huán)系統(tǒng)中的循環(huán)性能，基于理論計算結果，R600a/R1150配比在60/40有更好的COP，對混合工質R600a/R1150在60/40附近取不同配比并在不同環(huán)境溫度下進行實驗測試，實驗結果如表3和表4所列。表3是R600a/R1150在25℃環(huán)境溫度下，不同配比時系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的主要特征點溫度，可以看出，配比6、7、8的主要特征點溫度基本接近，配比為8時，箱內(nèi)溫度達到-81.4℃，但是配比為7時，系統(tǒng)的排氣壓力較低，為1.68 MPa。表4是R600a/R1150在32℃環(huán)境溫度下，不同配比時系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的主要特征點溫度，從中可以看出，配比6、7、8的主要特征點溫度也基本接近，配比為8時的箱內(nèi)溫度達到-78.8℃，但是系統(tǒng)的排氣壓力為1.75 MPa。綜合考慮到系統(tǒng)的運行壓力，工質的充注量以及環(huán)境溫度的影響，配比7為最優(yōu)配比，配比7中R600a/R1150的充注比例為62/38。

表3 25℃環(huán)境溫度下R600a/R1150各種配比在穩(wěn)態(tài)下的特征點溫度Tab.3 Characteristic points temperature of various ratios of R600a/R1150 at25℃ambient temperature

表4 32℃環(huán)境溫度下R600a/R1150各種配比在穩(wěn)態(tài)下的特征點溫度Tab.4 Characteristic points temperature of various ratios of R600a/R1150 at 32℃ambient temperature

2.2 R600a/R1150與R600a/R23/R14實驗結果分析

為了驗證R600a/R1150可以作為非碳氫混合制冷劑的替代混合制冷劑，在32℃的環(huán)境溫度下，將R600a/R1150的混合配比實驗結果與R600a/R23/R14的混合配比實驗結果進行對比分析。圖4（a）是R600a/R1150在總充注量為210 g時系統(tǒng)從開機到穩(wěn)定運行時的壓縮機吸排氣壓力變化圖。圖4（b）是R600a/R23/R14在總充注量為330 g時系統(tǒng)從開機到穩(wěn)定運行時的壓縮機吸排氣壓力變化圖。圖5（a）是使用R600a/R1150混合工質時壓縮機吸排氣溫度曲線圖，圖5（b）是使用R600a/R23/R14混合工質時壓縮機吸排氣溫度曲線圖。從圖4（a）和（b）的對比分析中，可以看出，使用R600a/R1150混合工質的系統(tǒng)吸氣壓力約為0.11 MPa，對比使用R600a/R23/R14混合工質系統(tǒng)的吸氣壓力0.125 MPa略低0.015 MPa；使用R600a/R1150混合工質的系統(tǒng)排氣壓力約為1.9 MPa，對比使用R600a/R23/R14混合工質系統(tǒng)的排氣壓力1.75 MPa高0.15 MPa。兩種混合工質在最優(yōu)工況的吸排氣溫度和壓力較為接近。

圖6（a）、（b）分別為R600a/R1150和R600a/R23/R14的制冷系統(tǒng)降溫曲線圖。從兩圖的對比分析中可以看出，使用R600a/R1150混合工質的系統(tǒng)蒸發(fā)器進口溫度約為-83℃，但是箱內(nèi)溫度和箱內(nèi)壁溫度均比使用R600a/R23/R14混合工質的系統(tǒng)所達到的溫度要低；使用R600a/R23/R14混合工質時蒸發(fā)器進口溫度約為-86℃，箱內(nèi)所達到的溫度為-75℃，箱內(nèi)壁溫度-77℃，比使用R600a/R1150混合工質的系統(tǒng)平均高約2℃。使用R600a/R1150混合工質的系統(tǒng)總充注量為210 g，對比使用R600a/R23/R14混合工質的系統(tǒng)總充注量330 g減少了36.4%。通過以上的對比分析可知，利用同一實驗系統(tǒng)，使用R600a/R1150混合工質的系統(tǒng)性能不僅優(yōu)于使用R600a/R23/R14混合工質的系統(tǒng)，而且混合工質的充注量也減少了1/3多。

圖4 壓縮機吸排氣壓力變化曲線Fig.4 The suction and discharge pressure curves of the compressor

圖5 壓縮機吸排氣溫度變化曲線Fig.5 The suction and discharge temperature curves of the compressor

圖6 制冷系統(tǒng)降溫曲線Fig.6 Cooling curve of the theARC refrigeration system

3 結論

本文研究了R600a/R1150作為兩級自復疊制冷系統(tǒng)混合工質的循環(huán)性能，對混合工質R600a/R1150在不同配比以及不同環(huán)境溫度下進行實驗測試，得出如下結論：

（1）對比不同配比下系統(tǒng)的運行壓力、工質的充注量及環(huán)境溫度的影響，得到配比7為最優(yōu)工況，配比7中R600a/R1150的充注比例為62/38。此配比下，系統(tǒng)在25℃環(huán)境溫度下，箱內(nèi)溫度可以達到-80℃，系統(tǒng)排氣壓力為1.68 MPa；在32℃環(huán)境溫度下，箱內(nèi)溫度可以達到-77℃，系統(tǒng)排氣壓力為1.81 MPa。

（2）在32℃的環(huán)境溫度下，對比分析了最優(yōu)工況下R600a/R1150的混合配比實驗結果與R600a/R23/R14的混合配比實驗結果。通過對比分析可知，同一實驗系統(tǒng)，兩種混合工質的吸排氣溫度、壓力以及蒸發(fā)器進口溫度較為接近，且使用R600a/R1150混合工質的系統(tǒng)箱內(nèi)溫度比R600a/R23/R14系統(tǒng)低約2℃。表明，使用R600a/R1150混合工質的系統(tǒng)的性能不僅優(yōu)于使用R600a/R23/R14混合工質的系統(tǒng)，而且前者的充注量比使用R600a/R23/R14混合工質的系統(tǒng)減少了36.4%。驗證了R600a/R1150作為非碳氫混合制冷劑的替代混合制冷劑的可行性，對純碳氫混合制冷劑的進一步研究具有一定的參考意義。