一种新型可能量调节自复叠制冷循环系统实验研究

刘家林 李卓慧 王晓占 刘海静 李灿伦 罗 威 刘昌鹏

（上海卫星装备研究所 上海 200240）

0 引言

近年来，随着我国航天事业的快速发展，宇航产品的试验数量也日益增多，针对宇航产品试验的特殊性及重要性，对产品试验的要求也越来越高，常规试验一般需要制冷工况温度需满足-75℃～-90℃，通常采用经典三级自复叠系统来提供所需环境温度。

由于常规三级自复叠系统结构比较复杂，能效率比较低，系统排气压力及排气温度都较高，整个系统稳定性比较差，同时，经典三级自复叠系统（直冷式）只能实现极低温区附近的控温，而且控温精度范围仅限于极低温温度点-80℃±2℃，不能实现较高区间所需温度及实现温度可连续控温。为提高整个系统能量利用率及较高的稳定性，设计及搭建了一套新型可能量调节的自复叠制冷系统，最终实现系统能量可调及宽温区控温。

1 系统设计

1.1 系统组成

新型可能量调节自复叠制冷系统循环流程图如图1所示，系统组成主要包括压缩机、冷凝器、回热器、气液分离器、冷凝蒸发器、蒸发器、过滤器、电磁阀、能量调节阀、热力膨胀阀以及温度、压力传感器等测量仪器。

图1 新型可能量调节自复叠制冷循环系统流程图Fig.1 Flowchart of refrigeration system of a new type of cascade

1.2 系统原理

该系统采用三种非共沸混合工质来实现低温制冷，此新型系统设计方案中，高温组分选取R134a；中温组分选取R23；低温组分选取R14。R134a 和R23 的沸点间距为56℃，R23 和R14 的沸点间距为46℃，均在40～80℃之间，较好的满足了沸点确定原则。其中三种组分的比例初步选为0.6:0.2:0.2。

具体流程描述为，一定配比的非共沸混合工质在压缩机A 中压缩成高温高压状态后经过冷凝器B 及回热器C 中冷凝，大部分高沸点工质被冷凝成液体，而大部分低沸点工质仍为气体，混合物流经气液分离器D，在分离器内分离成气液两相，其中含高沸点组分的的液体从分离器底部流出，经过热力膨胀阀A1 后进入冷凝蒸发器E 蒸发吸热，流经回热器C 后，回到压缩机A 吸气口；而从分离器顶部逸出的低沸点组分经冷凝蒸发器E、回热器F后，基本被冷凝成液体，液态混合物流再经过热力膨胀阀A2 达到蒸发器G 进行蒸发，使蒸发器的温度达到目标温度，然后经回热器F 及回热器C，回到压缩机吸气口，完成一个完整的制冷循环。

此系统具有能量可调节功能，有效的提高了能量利用率，且实现了系统可宽温区控温，主要通过电子能量调节阀EX1 及机械能量调节阀ER1～ER2 来实现。系统极限低温时，高沸点一路热力膨胀阀会根据出口气体过热度来有效调节进口流量大小，控制冷凝蒸发器在一定的温度，进而，对电子膨胀阀进行PLC 控制，通过有效的PID 逻辑控制，可来控制进入蒸发器的流量，最终达到一定的极限温度。当蒸发器到达极限温度工况时，系统吸气压力往往会很低，如果过低，会直接损害压缩机的吸排气阀片，甚至可能造成系统突然停机，而对试验产品造成不可挽回的损失。为了避免此种意外情况的发生，通过设定机械能量调节阀ER2，使吸气压力自动一直保持在0.2±0.2bar 范围内，提高了系统的稳定性。

新系统实现宽温区控温主要通过电子能量调节阀EX1，机械能量调节阀ER1 以及电子膨胀阀A2 来完成。具体控制逻辑如图2所示。

图2 新型可能量调节自复叠制冷系统宽温区控温逻辑图Fig.2 Logic diagram of temperature control in wide temperature zone of a new type of cascade

2 系统热力计算

根据循环中各点温度及焓值变化，新型制冷系统制冷循环过程可以表示为如图3所示的由三个平面压焓图组成的空间压焓图。1'到2'为混合工质在压缩机中的压缩过程，2 到3 为混合工质在冷凝器中的冷凝过程，3 到4 位高沸点工质R134a 的等焓降温降压过程，3 到5 为混合工质R23 及R14在气液分离器中分离过程，5 到6 为混合工质R23及R14 在冷凝蒸发器中的冷凝过程，6 到7 为混合工质R23 及R14 的等焓降温降压过程，7 到8 为混合工质R23 及R14 在蒸发器中的蒸发吸热过程，8到10 为混合工质R23 及R14 在回热器中的过热过程，9 到10 为工质R134a 在冷凝蒸发器中的蒸发吸热过程，10 到1 为混合工质R134a、R23、R14混合后吸热回到压缩机，完成一个完整的循环。

图3 新型可能量调节自复叠制冷系统制冷循环压焓示意图Fig.3 Pressure-enthalpy diagram of temperature control in wide temperature zone of a new type of cascade

为了简化计算，本文作了如下假设：

（1）系统绝热良好，各换热器和管路与环境没有热交换；

（2）忽略管路中的压力损失[4]；

（3）制冷循环中，制冷剂蒸发后恰为饱和气体，冷凝后恰为饱和液体。低温级过热为40℃，中温级过热30℃，高温级过热20℃；

（4）制冷系统中所用压缩机等熵效率为0.7。

在设计中，已知参数有：混合工质各组分的配比，压缩机吸气压力P1′，吸气温度T1′，压缩机排气压力P2′。

（1）根据已知的压缩机吸排气压力P1′，P2′和吸气温度T1′，可由下式得出压缩机出口温度：

式中，k为多变指数[5]，根据本实验测的数据，取k=1.18。

（2）压缩机单位耗功

（3）循环工质流量

式中，Vcom为压缩机的理论容器输气量，vcom为压缩机的气体比容，λ为压缩机的输气系数。

（4）冷凝器B 的单位热负荷

（5）冷凝蒸发器E 的热平衡方程

（6）回热器C 和F 的热平衡方程

（7）蒸发器G 的单位热负荷

（8）新系统的制冷性能系数

3 系统性能分析

在热力性能计算及分析的基础上，对混合工质R134a/R23/R14 以三种质量组分配比0.6:0.2:0.2、0.5:0.25:0.25、0.6:0.15:0.25 进行实验研究，对压缩机排气温度、吸气温度、排气压力、吸气压力、蒸发温度、系统制冷性能COP 等运行参数进行分析对比。

3.1 系统排气温度分析

图4 为混合工质R134a/R23/R14 不同配比下系统排气温度变化图，从图中可以看出，刚开机时，压缩机的排气温度在25.7℃，开机后，排气温度迅速上升，6min 后升高到98℃左右，20～25min 后排气温度均出现最大值，其中混合工质配比0.6:0.2:0.2 下最大值为126.7℃，混合工质配比0.5:0.25:0.25 下最大值为123.8℃，混合工质配比0.6:0.15:0.25 下最大值为121.2℃，25min 后排气温度开始缓慢下降。这是因为开机初期压缩机吸气量比较少，导致排气温度急剧上升，运行一段时间后，压缩机开始吸入来自蒸发器内的工质，排气温度进入缓慢下降阶段。大概运行40min 以后，系统进入稳定运行阶段，最终，混合工质配比0.6:0.2:0.2 下，排气温度稳定在112 ℃左右，混合工质配比0.5:0.25:0.25 下，排气温度稳定在108℃左右，混合工质配比0.6:0.15:0.25 下，排气温度稳定在101℃左右，均满足系统正常稳定运行的要求。

图4 混合工质R134a/R23/R14 不同配比下系统排气温度变化图Fig.4 Variation diagram of system exhaust temperature of mixed medium R134a/R23/R14 under different ratios

3.2 系统吸气温度分析

图5 为混合工质R134a/R23/R14 不同配比下系统吸气温度变化图，从图中可以看出，刚开机时，压缩机的吸气温度在25.7℃，开机运行10min，吸气温度急剧下降，而后出现温度上升拐点，可能是吸气温度经过回热器及压缩机电机，吸气温度再一次被提高，其中混合工质配比0.6:0.2:0.2 提高9.8℃，配比0.5:0.25:0.25 提高8.8℃。而后系统继续运行，吸气温度同时快速下降。当系统运行至60min 左右时，系统进入运行稳定阶段，虽然还有一定的波动，但是基本都稳定在一定温度范围内，其中，当混合工质配比为0.6:0.2:0.2 时，吸气温度维持在-51℃左右，当混合工质配比为0.5:0.25:0.25时，吸气温度维持在-56℃左右，当混合工质配比为0.6:0.15:0.25 时，吸气温度维持在-59℃左右。

图5 混合工质R134a/R23/R14 不同配比下系统吸气温度变化图Fig.5 Variation diagram of system suction temperature of mixed medium R134a/R23/R14 under different ratios

3.3 系统蒸发温度分析

不同组分配比蒸发器的最低温度变化如图6所示。制冷系统开始后，前10min 左右制冷速度下降缓慢，主要原因为系统中的混合工质还未完全分离，但在10min 后，蒸发器温度迅速下降，三种配比工况下，蒸发器温度均下降到-52℃左右。20min到40min，系统降温速率变慢，主要原因为系统中有部分中高温被冷凝为过冷液态，留在了蒸发器中，阻碍了蒸发器的蒸发制冷。40min 后，系统开始进入稳定运行阶段，特别是进入60min 后，系统蒸发器温度基本保持在一定值，其中，当混合工质配比为0.6:0.2:0.2 时，蒸发温度维持在-102℃左右，当混合工质配比为0.5:0.25:0.25 时，蒸发温度维持在-102℃左右，当混合工质配比为0.6:0.15:0.25 时，蒸发温度维持在-106℃左右，此种配比最终蒸发温度最低，主要是由于系统中R14 含量较高，当热负载越大，蒸发器需要低温工质相变量就越大，低温工质流量越大，制冷量越大。

图6 混合工质R134a/R23/R14 不同配比下系统蒸发温度变化图Fig.6 Variation diagram of system evaporating temperature of mixed medium R134a/R23/R14 under different ratios

3.4 系统排气压力分析

图7 为混合工质R134a/R23/R14 不同配比下系统排气压力变化图，从图中可以看出，系统运行前，系统排气端压力保持为13bar。开机后6min 时，排气压力急剧上升，均上升到了23bar 左右，系统运行6min 到30min 时，出现了一些震荡波动，主要原因为系统中气液分离器的分离作用以及回热器中不断蒸发吸热的结果。随着低温工质不断的蒸发制冷，系统排气压力在30min 后进入缓慢下降阶段，当系统运行50min 左右后，系统排气压力就进入了运行稳定阶段。其中，当混合工质配比为0.6:0.2:0.2 时，排气压力维持在22bar 左右，当混合工质配比为0.5:0.25:0.25 时，排气压力维持在21.8bar 左右，当混合工质配比为0.6:0.15:0.25 时，排气压力维持在22.8bar 左右。此系统在设计时，考虑了系统排气压力过高导致系统停机以及损伤压缩机的后果，采用了高压旁通的设计，即在高压端和低压端连接一热气旁通阀，设置其最高压力为25bar。当系统排气压力超过25bar 时，此阀会自动开启，当压力降低至17.5bar 时，此阀关闭。正常运行时，此阀一直保持关闭状态，这样就保证了系统高压一直处于安全工作范围内。

图7 混合工质R134a/R23/R14 不同配比下系统排气压力变化图Fig.7 Variation diagram of system exhaust pressure of mixed medium R134a/R23/R14 under different ratios

3.5 系统吸气压力分析

图8 为混合工质R134a/R23/R14 不同配比下系统排气压力变化图，从图中可以看出，系统运行前，系统吸气端压力保持为13bar。开机后6min 时，吸气压力迅速下降，其中混合工质配比为0.6:0.2:0.2时，吸气压力下降到2.3bar 左右，混合工质配比为0.5:0.25:0.25 时，吸气压力下降到2.8bar 左右，混合工质配比为0.6:0.15:0.25 时，吸气压力下降到2.7bar 左右。系统运行6min 到65min 左右时，吸气压力缓慢下降，主要原因为系统中回热器，蒸发器不断的制冷降温，导致气体工质越来越少，系统将进入稳定运行阶段。当运行到65min 后，系统蒸发器温度均已降到≤-102℃，这时，气体工质很少，大部分中高温工质为液态，存留在冷凝蒸发器和蒸发器中，导致压力降到0bar 左右。由于此系统设计了低压保护旁路，即在低压端加装了一路热气旁通管路，当系统吸气压力≤0.1bar 左右时，低压保护旁通阀就会自动打开，当吸气压力≥0.5bar 时，低压保护旁通阀就会自动关闭，从而使低压吸气端一直保持一定的压力，维持系统正常运行。从图上可以看出，最终当混合工质配比为0.6:0.2:0.2 时，吸气压力维持在0.2bar 左右，当混合工质配比为0.5:0.25:0.25 时，吸气压力维持在0.3bar 左右，当混合工质配比为0.6:0.15:0.25 时，吸气压力维持在0.3bar 左右。

图8 混合工质R134a/R23/R14 不同配比下系统吸气压力变化图Fig.8 Variation diagram of system suction pressure of mixed medium R134a/R23/R14 under different ratios

3.6 系统COP 分析

图9 为混合工质R134a/R23/R14 不同配比下系统COP 变化图，主要为蒸发器温度在-50℃～-105℃之间的变化。从图中可以看出，系统COP从-50℃开始到-85℃左右，呈缓慢下降的趋势，到-85℃后，COP 就进入了稳定阶段。此实验系统选用的压缩机是法国泰康低温压缩机，型号为FH2480Z，其额定输入功率为663W，其中，系统最终稳定时，当混合工质配比为0.6:0.2:0.2 时，实验制冷量为106W，当混合工质配比为0.5:0.25:0.25时，实验制冷量为86W，当混合工质配比为0.6:0.15:0.25 时，实验制冷量为90.1W。

图9 混合工质R134a/R23/R14 不同配比下系统COP 变化图Fig.9 Variation diagram of system cop of mixed medium R134a/R23/R14 under different ratios

根据输入功率和系统稳定时制冷量，可知，当混合工质配比为0.6:0.2:0.2 时，COP 为0.16，当混合工质配比为0.5:0.25:0.25 时，COP 为0.13，当混合工质配比为0.6:0.15:0.25 时，COP 为0.136。从而可以看出，此系统最佳配比为0.6:0.2:0.2，常规的通过减少高温工质或者增加低温工质，达不到提高系统COP 的目的，合理的配比才是重要的。

4 总结

本文设计了一种新型可能量调节的自复叠制冷系统，通过新系统设计及相应PID 控制逻辑设计，实现系统能量可调，实现-90℃～+20℃宽温区连续控温，而且控温精度≥±1.5℃。而且，较常规制冷系统而言，设备预算及成本可降低约25%～40%。另外，通过对系统关键运行参数对比分析可知，此系统的稳定性较常规自复叠制冷系统高，为今后设备产品化奠定基础。