自行复叠式制冷系统毛细管的计算分析

    0 引言

    为达到干冰温度或更低的温度,可以采用复叠式制冷系统或自行复叠(单级压缩分凝)式制冷系统.复叠式制冷系统的每一级需使用一台压缩机,制冷系统复杂庞 大.自行复叠式制冷系统利用非共沸混合制冷剂的各组分在相同冷凝压力和蒸发压力下具不同的冷凝温度和蒸发温度这一特点,仅使用一台压缩机,使系统大为简 化,启动程序、运行控制和长期停机防超压也较为简单,并提高了制冷效率[1,2].

    在自行复叠式制冷系统中,流过每一个节流机构的制冷剂均为非共沸溶液,且非共沸溶液组成随工况的变化而变,现有的各种膨胀阀均无法应用,只能用毛细管进行节流.

    各级毛细管的直径和长度都需经过严格的计算和试验,以精确控制各级制冷剂的流量,一级失误,将影响其他各级,最终导致某一级液体不足或无液体,使系统制冷能力下降或干脆不制冷[3].因此,有必要对用于非共沸混合制冷剂节流用的毛细管进行深入的研究.

    几十年来,众多学者对毛细管节流的流动特性和长度计算进行了大量的研究工作,但对于非共沸混合制冷剂节流用的毛细管的计算却很少涉及.在自行复叠制冷中各 级毛细管的长度往往靠经验确定,在经验值的基础上通过实验来确定,这样就消耗大量的时间和人力.为减少实验工作量,有必要对非共沸混合制冷剂节流用的毛细 管进行一次尝试计算.毛细管计算方法有多种,其中微元长度法是将毛细管分成尽可能多的微元段,在每一段中均将制冷剂视为均匀流体进行计算,计算方法简单, 应用于单一制冷剂的制冷系统无回热毛细管的计算有较高准确度[4].本文将微元长度法拓展至非共沸混合制冷剂制冷系统无回热毛细管的计算,以求减少自行复 叠式制冷系统的实验工作量.

    1 自行复叠式制冷系统

    自行复叠式制冷系统是一种单级压缩、利用不同制冷剂在同一压力下气液转变温度的不同进行分离、实现复叠式制冷所达到温度的方法.自行复叠制冷系统有多种不 同的系统型式[5,6],对于使用翅片管式风冷分凝器的单级压缩分凝式制冷系统,根据各冷凝蒸发器与回气通道的关系,可分成图1所示的串并联系统和图2所 示的全串联系统.

    由图1、图2可以看出,无论哪种自行复叠式制冷系统,其热回路均为串连,而各级冷凝压力和蒸发压力均相同,即力学回路并联.

    在每一级冷凝蒸发器,高温流体的放热量Qhi均等于低温流体的吸热量Qli,即Qhi=Qli,而

    式中,mhi为冷凝的制冷剂质量流量/(kg•s^-1);mli为蒸发的制冷剂质量流量/(kg•s^-1);Δhhi为制冷剂冷凝焓差/(kJ•kg^-1);Δhli为制冷剂蒸发焓差/(kJ•kg^-1).