R22/R23自动复叠制冷循环的特性研究

    1 引 言

    自动复叠制冷循环(Auto-Cascade RefrigerationCycle)采用单压缩机和混合工质制取低温环境,具有结构简单,可靠性高,寿命长等一系列优势[1],无疑成为-60℃~-196℃温区中小型低温制冷设备最佳的实现途径。非共沸混合工质在自动复叠循环过程中的应用有其独特性的一面[2]:自动实现各组分的分离和混合。这种特性要求严格的选择混合工质的组分和配比。

    图1为一个冷柜采用的两级自动复叠制冷循环示意图,制冷剂采用R22/R23混合工质。工作原理如下:混合工质经压缩机A压缩并排入冷凝器B,在冷凝器中进行变温冷凝,其中R22基本上冷凝为液体,而R23基本上仍然保持气态。从冷凝器出来的气液混合物进入气液分离器C在重力的作用下实现自动分离,富含R22的液体经气液分离器底部送至节流装置D节流;富含R23的气体经汽液分离器的上部进入分凝器E进一步降温,在降温过程中R23气体的纯度进一步提高,分凝器E底部得到的冷凝液回流到气液分离器C中。纯度较高的R23气体经蒸发冷凝器F冷凝,冷凝液体经节流装置G节流后在蒸发器H中蒸发。自蒸发器H中流出的R23气体和自节流装置D流出的R22气液混合物汇合,依次经过换热器F,换热器E,气液分离器I回到压缩机,完成整个循环。

    Missimer在经过大量实验研究的基础上指出[3],混合工质自动复叠制冷循环中的一大特点是组分的循环比例不等于充注比例,组分的循环比例与循环回路中的硬件结构息息相关(Hardware-to-CompositionInteraction)。如何确定循环达到稳态后混合工质的组分比例就成为循环计算的关键。

    2 R22/R23混合工质

    图1所示的系统充注了质量比R22/R23为75/25的混合工质,制冷量Q0=120 W。R22/23是典型的非共沸混合工质,两者标准沸点相差41.15℃。标准沸点的大跨距为工质在冷凝器B中实现分凝提供了有利条件,R22在其中实现大部分冷凝,而R23大部分仍保持为气态,气液混合物进入气液分离器C后在重力的作用下实现自动分离。两工质各自热物理参数如表1,饱和压力关系见图2。

    关于混合工质的计算,国内外学者进行了大量的理论和实验研究,提出了各种热物性计算的状态方程[4~5],有PT(Patel-Teja)方程、PR(Peng-Robinson)方程、RKS(Redlich-Kwong-Soave)方程、CSD(Carnna-han-Starling-Desantis)方程、BWR(Benedict-Webb-Rubin)方程以及MBWR(Modified Benedict-Webb-Ru-bin)方程等。根据混合工质R22/R23的特点,本课题采用CSD方程。

    CSD状态方程

    式中a,b系数为温度T的关联函数,根据工质的饱和压力、气液相饱和容积实验数据即可确定该工质的a,b关联函数中各常数值。a,b系数关于温度T的关联函数式为