一种五级自动复叠制冷系统的初步试验研究

　　自动复叠制冷系统采用非共沸混合工质，通过单台压缩机可以制取-60℃以下的低温，具有结构简单、高可靠性、长寿命等一系列的优势，并广泛应用于低温电子、低温医学、低温生物、军工、红外线探测等方面[1, 2]。一般-40~-80℃采用双级自动复叠制冷系统; -80~-120℃采用三级自动复叠制冷系统;-100~-160℃采用四级自动复叠制冷系统[3]。而制取的温度越低，系统运行的压力越高，对工质选择要求也越高，不仅要考虑其蒸发温度、凝固点温度、化学稳定性、毒性等，而且要考虑到系统运行的稳定性;本文针对为了获得液氮温区的制冷温度，选择单级压缩、四级分凝、五级复叠制冷循环作为本课题的方案，如图1所示，在进行进一步的试验研究前的首要问题就是确定混合工质的组分与配比的计算。

　　1 混合工质组分的选择与配比的初步模拟计算

　　目前，有关ARC循环的混和工质的理论方面仍处于探索阶段，其组分选择和最佳配比大多依靠试验来确定，操作成本较高。根据前期的设计经验和实验结果，结合ARC循环的特点，尝试适合本课题制冷温区的混和工质的确定方法。

　　1.1 混合工质组分的选择

　　用于ARC循环的非共沸混合工质在循环过程中有其独特性的一面：自动实现各组分的分凝、分离和混合的过程。

　　在选取制冷工质要结合其特点进行选择的同时考虑到碳氢化合物的可燃性以及运行压力高等因素，结合液氮温区的制冷温度，选择了符合上述要求的六种工质：R134a、R22、R23、R14、R740、R728，其中不含有碳氢化合物以及被禁用的氟利昂制冷剂，主要热物性质通过NIST模拟以及coolpack软件查得如表1所示。

　　适用于系统的混合工质存在两种组合：R134a/R23/R14/R740/R728，R22/R23/R14/R740/R728。这两种配比区别在于高沸点工质分别选用的是R134a和R22。我们通过NIST软件，我们可以拟出两种组合R134a/R23，R22/R23，分别以三种配比3:7、1:1、7:3混合，在不同的压力条件下，所能达到的最低蒸发温度，如下图2、3。

　　将图5与图6进行比较发现：在某一压力下，组合R22-R23相对与组合R134a-R23所获的最低蒸发温度更低;若从获得最低蒸发温度方面着想，则R22/R23/R14/R740/R728更有利但若考虑到高压侧的饱和蒸汽压力，系统循环所采用的混合工质组合R134a/R23/R14/R740/R728比较合理。因此选择混合工质的组分时，不仅仅考虑到各组分的物理、化学性质，沸点相差，热物性等方面的问题，还要综合考虑混合后的饱和蒸汽压力和最低蒸发温度的问题。综上，选择组合R22/R23/R14/R740/R728。