单级低温系统性能实验研究

　　随着经济的快速发展，低温技术广泛应用于生物保存、材料与电子、低温医学等领域，其中生物与材料的低温生理活性保存需求越来越大。低温保存效果主要取决于保存温度，例如活性保存在4℃条件下只能保持几个小时，而在-20℃环境可保存几天，在-80℃的环境条件下可保存几十天，甚至几个月。

　　用户的目的和用途的不同，低温环境的需求也不相同。高于-20℃的环境普通家用冰箱通常就能提供，一般利用单级压缩制冷技术可以实现。随着所需环境温度的降低，制冷系统的蒸发温度也降低。对单级制冷而言，一般温度低于-40℃，制冷系统的性能、可靠性等方面就存在问题，需要考虑采用其他制冷技术，如-40～-160℃采用多级压缩制冷或复叠制冷的方法 获取。本文对利用R404A作为制冷工质，采用单级压缩制冷技术实现-40℃环境的低温保存箱的低温性能进行了实验研究。

　　1 制冷工质的选择

　　根据制取温度范围的差异，制冷剂通常可分为高温制冷剂、中温制冷剂和低温制冷剂三大类。本文的目标是为保存箱提供-40℃的低温环境，所选用制冷剂属于中温制冷剂。通常可使用的中温制冷剂很多，主要有R134a、R600a、R22、R502、R1270、R290、R404A、R717、R507A、R12等，其中R404A、R507A 为HFC混合制冷剂。表1比较了部分中温制冷剂的一些物理与化学性质。

　　为满足低温保存箱的环境要求，兼顾制冷系统性能及压缩机工作的可靠性，表1中R22和R404A均在可选范围。从环保角度出发，R404A与R22相比，R404A对环境更友好，本系统选择R404A作为制冷剂。R404A系由R125、R143a和R134a按44:54:4混合而成，其温度滑移仅为0.8℃，属于近共沸HFC混合制冷剂。

　　2 实验装置

　　实验装置主要包括制冷剂充注系统、蒸气压缩制冷系统和测试系统。充注系统包括复合压力表、控制阀、制冷剂钢瓶等。制冷系统包括压缩机、油分离器、冷凝器、蒸发器、干燥过滤器、节流阀、蒸发器和气液分离器等，制冷系统的流程如图1所示。

　　冷凝器采用风冷翅片管换热器，蒸发器为铜管制成的盘管式换热器，直接放置在保存箱内，保存箱外壁进行保温处理。测试系统主要包括温度传感器、压力表和数据采集器。系统在保存箱内、压缩机进出口、节流阀进出口、油分离器出口和压缩机外壳设置测温点，在压缩机的进出口设置了压力测试点。

　　3 实验结果与分析

　　图2是保存箱环境温度的降温曲线。制冷系统启动后，保存箱内环境温度随时间逐渐降低。开始时段的降温速率明显大于后面时段的降温速率，机组运行3382s(约0.94h) 后，箱内温度下降到-40℃ 。本次实验过程中，设定的温度目标值是-43℃ ，实验结果表明，5954s(约1.65h) 保存箱环境温度降到-43℃，且最后稳定在-43.3℃左右，说明该制冷系统达到了设计目的。