自复叠制冷系统压力和组分调节

芮胜军，张华，李健，王志远

(1河南科技大学车辆与交通工程学院，河南 洛阳 471003；2上海理工大学制冷技术研究所，上海 200093)

自复叠制冷系统压力和组分调节

芮胜军1,2，张华2，李健1，王志远1

(1河南科技大学车辆与交通工程学院，河南 洛阳 471003；2上海理工大学制冷技术研究所，上海 200093)

热气旁通调节可有效排除高压对自复叠制冷系统的危害，但对混合工质的组分没有调节作用。针对三级自复叠制冷系统冷凝压力和排气温度较高的特点，提出了带两路旁通的4种压力和组分调控方式。热气旁通调节时冷凝压力周期性波动变化较大，电磁阀开启较频繁，系统开机70 min后才能达到稳定状态。二级相分离器气相出口旁通调节时冷量损失较严重，低温工质的冷量通过旁通管路排放到膨胀容器。一级相分离器气相出口调节和两个相分离器气相出口同时调节时制冷系统的性能很接近，系统开机30 min后即可达到稳定运行状态。通过对压缩机和蒸发器运行工况检测，一级相分离器气相出口调节和两个相分离器气相出口同时调节为较好的自动复叠制冷系统压力和组分调控方式。

自动复叠制冷；R600a/R23/R14；组分调节；旁通控制；压力调节

Key words: auto-refrigerating cascade system; R600a/R23/R14; composition regulation; bypass control; pressure regulation

引 言

自动复叠制冷系统采用一台压缩机实现复叠制冷循环，具有结构简单、低温端无运动部件、成本低廉等特点[1-2]。广泛应用于气体液化与分离、低温试验环境、低温医疗、电子设备冷却和真空冷冻干燥等领域，近年来在商用和民用方面的应用也不断增强。通过单台压缩机实现内部复叠，可制取70～230 K范围的低温环境，特别适用于小型低温装置[3-4]。自动复叠节流制冷系统具有很高的排气压力和排气温度，不利于系统的长期稳定运行，通常在压缩机开机初期通过电磁阀控制系统的高压压力，排气温度最高时可达到400 K左右。深冷低温冰箱的降温速度都很慢，一般需要3～4 h才能降低到最低温度并保持稳定，降温速度的进一步提高、工质配比和蒸发器运行工况等都需要进一步研究[5-6]。

为了降低制冷系统的冷凝压力和排气温度，国内外研究者做了很多研究[7-16]。热气旁通作为一种较简单的方法广泛应用于制冷装置系统，热气旁通除霜和制冷系统逆循环除霜在冷库系统中应用很多，风冷热泵冷热水机组等低温设备中也多采用热气旁通除霜[7-8]。热气旁通除霜的目的是利用压缩机排出的高温制冷剂气体的热量，融化蒸发器管道外部集结的霜层和冰层，与系统的压力关系较小。热气旁通作为压力调节方法主要针对制冷系统冷凝压力较高的情况，为了保护制冷系统免受高温和高压的危害，将一部分制冷剂气体从排气管路旁通到吸气管路[9-10]，达到调控制冷系统冷凝压力和排气温度的目的。液体旁通也可以控制系统温度和压力，将冷凝器后的制冷剂液体旁通到吸气管路或其他设备，形成制冷剂旁通管路，使冷凝压力降低[11]。热气旁通和液体旁通联合作为调节制冷系统温度和压力的方法应用也很多，经过冷凝器后的制冷剂液体与压缩机排气管路的热气汇合后旁通到吸气管路[12-13]。Yaqub等[13]比较了3种不同旁通系统方案：热气体注入吸气管路、液体和热气体注入吸气管路以及热气体注入蒸发器，发现性能系数最高的是热气体直接注入蒸发器。热气旁通和液体旁通由于引出了旁通支路，这部分管路系统可以进一步加以利用，形成不同的蒸发温度[14]。近年来，对热气旁通和液体旁通在自复叠制冷系统的应用研究也较多，旨在实现降低系统的冷凝压力和排气温度，从而达到调控系统压力和温度的目的[15-16]。

本文通过探讨自动复叠节流制冷系统压力和组分的调节控制方式，分析此系统的运行规律，寻找一种简单易操作的压力和组分调控方式。通过这种控制方法改善系统的工作状态，使该系统的运行工况更加节能和稳定，效率进一步提高。

1 非共沸混合制冷工质循环特性

本文以三级自复叠制冷系统为研究对象，图 1为一种常见三级自复叠制冷系统原理图。

非共沸混合制冷工质R600a、R23和R14经压缩机压缩后排入冷凝器，在冷凝器中进行变温冷凝，高沸点工质R600a大部分冷凝为液体，中低沸点工质R23和R14大部分仍然保持为气态；从冷凝器出来的气液混合物进入一级相分离器，在重力作用下气体与液体实现自动分离；液相制冷工质经相分离器底部送至一级毛细管节流，然后在一级冷凝蒸发器中蒸发制冷，蒸发后的气体回到压缩机吸气管路；气相制冷工质经一级相分离器的上部进入一级冷凝蒸发器进行变温部分冷凝，大部分中沸点工质冷凝为液体，低沸点工质仍然保持气态；从一级冷凝蒸发器出来的气液混合物进入二级相分离器，重力作用下气体与液体实现自动分离；中沸点工质冷凝液经二级毛细管节流后在二级冷凝蒸发器中蒸发制冷，释放冷量后回到压缩机吸气管路；自二级相分离器上部流出的低沸点工质气体在二级冷凝蒸发器中冷凝，冷凝液经三级毛细管节流降温进入蒸发器蒸发制冷，蒸发后气体进入吸气管路与中高沸点工质气体汇合回到压缩机。

根据自动复叠制冷系统的热气旁通和气相混合制冷工质旁通对温度和压力的调控方法，本文提出了具有两路旁通的4种压力和组分调节方式，如图1所示。

（1）高低压热气旁通。压缩机排出的高温高压混合工质如果压力高于电磁阀设定的启动压力，则电磁阀打开，部分混合制冷工质旁通到膨胀容器，消除了高温高压气体对系统的危害。压力降低至电磁阀设定的闭合压力时电磁阀自动关闭，压力逐渐回升，经过一段时间后压力旁通阀重新开启，直到冷凝压力稳定在合理的范围内。

图1 带旁通的三级自动复叠制冷系统Fig.1 Schematic diagram of three-stage ARC system with bypass control

（2）相分离器Ⅰ气相出口混合制冷工质旁通，手动球阀Ⅰ调节。

（3）相分离器Ⅱ气相出口混合制冷工质旁通，手动球阀Ⅱ调节。

（4）相分离器Ⅰ气相出口和相分离器Ⅱ气相出口混合制冷工质同时旁通，两个球阀同时调节。

自动复叠制冷系统的温度、压力和组分具有耦合特性，通过压力调节使系统的组分得到调整。通过相分离器气相出口的抽气调节方式，将相分离器上部不同组分的混合制冷工质旁通到膨胀容器。优化调节系统运行时的混合工质组分，将残留在系统的空气、不凝性气体和多余的中低沸点工质气体排放到膨胀容器。通过这种方式可以有选择性地将有效的环保制冷工质组分依次通过各级循环回路，最后达到混合制冷工质组分有效的控制。实验系统主要进行温度和压力的测量，通过制冷工质温度和压力的耦合关系分析系统的运行工况。有2个压力测点，分别是系统高压和低压。有28个温度测点，监控各主要关键节点的温度变化，温度和压力测点分布情况如图1所示。

2 压力和组分调节规律研究

2.1 压力和组分调节时压缩机性能变化

传统的电力营销方式缺乏健全的管理体系，致使供电单位与用户关系紧张，不仅限制企业的发展，严重的还会导致企业内部资金不均衡，带来安全隐患。因此，企业领导人应该积极转变落后思想，不断建全管理体系；供电管理人员要具备及时处理企业经营问题的能力，可以针对故意拖欠缴费的客户，进行实时跟踪，适时与客户进行沟通，潜移默化地让客户知晓企业的困难，切实提升电企的经营质量。

冷凝压力与压缩机的排气压力基本相等，非共沸混合工质没有共沸点，在定压下冷凝时，气相和液相的成分不同，温度也不断变化，液相工质的冷凝量和气液相组分随温度的变化而变化。压缩机排出的混合制冷工质气体在冷凝器中流动阻力比较小，是一个恒压冷却冷凝过程。其释放的热量主要由3部分组成：过热蒸汽进入冷凝器显热放热，温度下降到露点温度；部分工质冷凝为液体，释放汽化潜热；剩余气体工质进一步冷却，释放显热。

系统开机后冷凝压力瞬时升高至2.0 MPa，通过高压控制器使其稳定在2.0～2.2 MPa之间，4种调节方法的冷凝压力变化如图2(a)所示。两个手动球阀都关闭时只能通过高低压热气旁通管路进行调节，热气旁通调节时冷凝压力周期性波动变化较大，电磁阀开启较频繁，制冷系统进入稳定运行阶段的时间也较长，系统开机后 70 min才能达到稳定状态。通过旁通阀门Ⅰ、阀门Ⅱ和两个阀门同时调节的方法冷凝压力变化较平缓，系统运行30 min后进入稳定运行状态。相分离器气相出口工质旁通与高低压热气旁通相比具有平稳、灵活和可调性等特点，可以将残留在系统的不凝性气体和多余的中低沸点工质旁通到膨胀容器，使影响系统换热的不凝性气体不通过蒸发器，从而加快制冷工质冷凝和组分调整，提高降温速度。开机初期膨胀容器中的混合气体逐渐参与循环使系统压力升高，混合工质不断冷凝使系统压力降低，通过连续调节旁通管路阀门对系统的高压进行控制。

图2 压力和组分调节时压缩机性能变化Fig.2 Compressor performance changes during pressure and composition regulations

图2(b)为4种调节方式的排气温度变化曲线。系统开机 20 min后阀门Ⅰ和两个阀门同时调节的方式排气温度升高到390 K，随后逐渐下降稳定在370 K。阀门Ⅰ和两个阀门同时调节的排气温度变化情况类似，开机5 min后快速升高到370 K逐渐减缓上升趋势，前5 min快速升高的原因是压缩机开机以后随着膨胀容器中工质逐渐参与循环，混合制冷工质流量增大，排气温度升高较快。5～20 min缓慢升高是因为低压系统的压力趋于均衡稳定，制冷剂基本都参与循环，蒸发温度降低较快。开机20 min后温度变化曲线出现转折点，温度逐渐下降，最后排气温度稳定在370 K左右。出现转折点的原因是系统温度已经降到最低点，吸气温度降低导致排气温度下降。热气旁通调节方式与上述两种调节方式类似，只是转折点在开机约52 min时才出现，说明系统降温速度较慢，转折点的排气温度已升高到405 K，降温速度慢导致排气温度逐渐升高。阀门Ⅱ调节时低温工质通过旁通管路不断排放到膨胀容器，冷量损失严重，排气温度逐渐升高，最终稳定在410 K左右。

吸气管路压力相对于冷凝压力变化较小，低压系统依靠压缩机的不断抽吸作用保持低压，膨胀容器对制冷工质具有贮存调节作用，使制冷装置低压系统保持稳定。图2(c)是4种调节方式时的吸气管路压力变化曲线。吸气压力在系统开机后迅速降低到0.15 MPa左右并保持稳定，开机20 min左右阀门Ⅰ调节和两个阀门同时调节都从0.15 MPa阶跃升高到0.25 MPa，增加幅度为0.1 MPa，随后进入稳定运行阶段。4种调节方式的主要区别是低压升高的时间节点不同，阀门Ⅰ和两个阀门同时调节都在开机后20 min时吸气压力升高，吸气压力升高说明制冷系统完成了降温过程。热气旁通的调节方式在开机后52 min吸气压力升高，这种调节方式降温速度较慢。阀门Ⅱ调节吸气压力总是稳定在0.15 MPa左右，与其他3种情况不同，因为阀门Ⅱ调节是通过相分离器Ⅱ上部导出部分低温混合制冷工质，使制冷系统冷量损失严重，其结果是吸排气温度升高，冷凝压力增大，吸气压力减小，压比增大。

图2(d)是4种调节方式的压缩机吸气温度变化趋势。热气旁通调节方式的降温速度较慢，到52 min温度才降到最低点。阀门Ⅱ调节由于冷量损失使吸气温度较高，开机后30 min稳定在287 K。不同的调节方式，最终稳定运行阶段吸气温度差别很大，相差高达30 K。

4种调节方式的压缩机压比曲线如图2(e)所示。开机初期4种调节方式的压比都很高，达到13左右，稳定运行以后压缩机压比为8.0。系统运行20 min后，阀门Ⅰ和两个阀门同时调节的压比有一个快速降低过程，由13降低到8。系统开机后前20 min处于快速降温阶段，毛细管作为节流机构很难快速将混合工质从高压管路系统输运到低压管路系统，低压系统保持 0.15 MPa是由于膨胀容器的贮藏作用使低压系统工质不断回流到压缩机，保证了开机初期低压系统的稳定。开机20 min后系统的降温基本完成，混合工质大多以液体形式通过毛细管，工质流量增大使高压和低压系统处于新的平衡，低压0.25 MPa就是新的平衡压力。

图3 压力和组分调节时蒸发器性能变化Fig.3 Evaporator performance changes during pressure and composition regulations

2.2 压力和组分调节时蒸发器性能变化

图3(a)为4种调节方式蒸发器进口温度的变化曲线。热气旁通的调节方法温度降低较慢，需要52min降低到最低点，阀门Ⅰ调节、阀门Ⅱ调节和两个阀门同时调节时蒸发器进口温度基本相同，开机20 min可降低到最低温度185 K。

图3(b)是4种调节方式蒸发器最低温度的变化曲线。阀门Ⅱ调节虽然降温速度较快，但最终稳定运行时的温度比其他的调节方式高5 K左右。由于阀门Ⅱ调节冷量损失严重，冷量随着旁通气体排放到膨胀容器，不宜单独调节。热气旁通的调节方式可以有效排除高压对系统的危害，但对混合工质的组分没有调节作用。刚开机时由于高沸点制冷工质还没有完全冷凝成液体，节流后产生的冷量较小，使中低沸点制冷工质不能迅速冷凝。没有冷凝的中低沸点制冷工质就成为高沸点制冷工质的不凝性气体，高沸点制冷工质的冷凝速度变慢，压缩机启动初期系统降温较慢。

蒸发器出口温度的变化与蒸发器进口和最低温度的变化相似，经历了相同的变化阶段，图3(c)显示了蒸发器出口温度的变化过程。非共沸混合制冷剂在蒸发器内不断吸热汽化，混合工质温度逐渐由泡点温度升高到露点温度。两个阀门同时调节的控制方法使两个相分离器的气相出口同时旁通出少量不凝性气体，加强了换热和冷凝速度，旁通出的少量气体对系统的冷量损失较少。两个阀门同时调节时阀门Ⅱ尽量小，只需排放微量不凝性气体，压力主要还是由阀门Ⅰ调控。

3 结 论

针对自动复叠制冷系统排气压力和排气温度较高，启动降温速度慢等特点，对4种压力和组分调节控制方法进行了比较。相分离器气相出口旁通的调节方式不仅具有压力调节作用，还具有组分调控和优化作用，不凝性气体和压缩机启动初期难于冷凝的低沸点工质旁通到膨胀容器。这种压力和组分调节方式减小了系统启动压力，加快了制冷装置系统的降温速度。

（1）热气旁通调节系统性能波动变化较大，电磁阀开启较频繁，制冷系统进入稳定运行阶段的时间较长，需要70 min系统才能达到稳定状态。

（2）二级相分离器气相出口调节时低温工质通过旁通管路不断流到膨胀容器，冷量损失比较严重。

（3）一级相分离器气相出口调节和两个相分离器气相出口同时调节时制冷系统的性能很接近，系统开机30 min后即可达到稳定状态。

通过对压缩机和蒸发器运行特性比较，一级相分离器气相出口调节和两个相分离器气相出口同时调节为较好的自动复叠制冷系统压力和组分调控方式。

[1]MISSIMER D J. Refrigerant conversion of auto-refrigeration cascade (ARC) system [J]. International Journal of Refrigeration, 1997, 20(3): 201-207.

[2]芮胜军, 张华, 董彬, 等. 自复叠制冷系统 4 种组分配比性能特性 [J]. 化工学报, 2016, 67(5): 1830-1836. RUI S J, ZHANG H, DONG B, et al. Effect of four components ratios on performance of auto-refrigerating cascade system [J]. CIESC Journal, 2016, 67(5): 1830-1836.

[3]GONG M Q, WU J F, CHENG Q W, et al. Development of a −186℃cryogenic preservation chamber based on a dual mixed-gases Joule-Thomson refrigeration cycle [J]. Applied Thermal Engineering, 2012, 36: 188-192.

[4]WALIMBE N S, NARAYANKHEDKAR K G, ATREY M D. Experimental investigation on mixed refrigerant Joule-Thomson cryocooler with flammable and non-flammable refrigerant mixtures [J]. Cryogenics, 2010, 50:653-659.

[5]AGNEW B, AMELIi S M. A finite time analysis of a cascade refrigeration system using alternative refrigerants [J]. Applied Thermal Engineering, 2004, 24: 2557-2565.

[6]WANG Q, LI D H, WANG J P, et al. Numerical investigations on the performance of a single-stage auto-cascade refrigerator operating with two vapor-liquid separators and environmentally benign binary refrigerants [J]. Applied Energy, 2013, 112: 949-955.

[7]CHO H Y, KIM Y C, JANG I Y. Performance of a showcase refrigeration system with multi-evaporator during on-off cycling and hot-gas bypass defrost [J]. Energy, 2005, 30: 1915-1930.

[8]黄东, 袁秀玲. 风冷热泵冷热水机组热气旁通除霜与逆循环除霜性能对比[J]. 西安交通大学学报, 2006, 40(5): 539-543. HUANG D, YUAN X L. Comparison of dynamic characteristics between the hot gas-bypass defrosting method and reverse-cycle defrosting method on an air to water heat pump [J]. Journal of Xi'an Jiaotong University, 2006, 40(5): 539-543.

[9]WANG F J, TASI K I, KAO J W, et al. Experimental investigation of a machine tool cooler using hot-gas by-pass valves for temperature control [J]. ASHRAE Transactions, 2011, 117(1): 178-185.

[10]TSO C P, WONG Y W, JOLLY P G, et al. A comparison of hot-gas by-pass and suction modulation method for partial load control in refrigerated shipping containers [J]. International Journal of Refrigeration, 2001, 24: 544-553.

[11]牛宝联, 张于峰, 贡征峰, 等. 液体旁通复叠式制冷系统性能分析[J]. 机械工程学报, 2007, 43(8): 192-197. NIU B L, ZHANG Y F, GONG Z F, et al. Performance of cascade refrigeration with liquid refrigerant by-pass [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2007, 43(8):192-197.

[12]YAQUB M, ZUBAIR S M, KHAN S H. Second law based thermodynamic analysis of hot gas bypass capacity control schemes for refrigeration and air conditioning systems [J]. Energy, 1995, 20(6):483-493.

[13]YAQUB M, ZUBAIR S M, KHAN J R. Performance evaluation of hot-gas by-pass capacity control schemes for refrigeration and air-conditioning systems [J]. Energy, 2000, 25: 543-561.

[14]YOON W J, SEO KJ, CHUNG H J, et al. Performance optimization of dual-loop cycles using R600a and hydrocarbon mixtures designed for a domestic refrigerator-freezer[J]. International Journal of Refrigeration, 2012, 35: 1657-1667.

[15]RUI S J, ZHANG H, ZHANG B H, et al. Experimental investigation of the performance of a single‑stage auto‑cascade refrigerator [J]. Heat Mass Transfer, 2016, 52: 11-20.

[16]赖芬, 吴裕远, 欧阳前武, 等. 新型部分自复叠热泵的理论研究[J].西安交通大学学报, 2012, 46(3): 15-20. LAI F, WU Y Y, OUYANG Q W, et al. Theoretical research on a new partial auto-cascade heat pump [J]. Journal of Xi'an Jiaotong University, 2012, 46(3): 15-20.

Pressure and composition regulation of auto-refrigerating cascade system

RUI Shengjun1,2, ZHANG Hua2, LI Jian1, WANG Zhiyuan1
(1Vehicle & Transportation Engineering Institute, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, Henan, China;2Institute of Refrigeration Technology, Shanghai University of Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The hot-gas bypass control can effectively eliminate the harm of high pressure on auto-refrigerating cascade system, but it is useless for the regulation of mixed refrigerant composition. The four kinds of pressure and composition adjustment method with two bypass was put forward in connection with the characteristics of higher condensing pressure and exhaust temperature of three-stage auto-refrigerating cascade cycle. The condensing pressure was changed in regular fluctuations and the solenoid valve was opened and closed frequently for the hot-gas bypass regulation, and the refrigeration system was stable after 70 min. The cold lost seriously for vapor outlet bypass adjustment of phase separator Ⅱ, and the cold of refrigerant was discharged to the reservoir through the bypass line. The performance of the refrigeration system was very close to the vapor outlet bypass adjustment of phase separator Ⅰ and two phase separators, and the refrigeration cycle was stable after 30 min. The vapor outlet bypass adjustment of phase separator Ⅰ and two phase separators were the better pressure and composition regulation method of auto-refrigerating cascade cycle according to the study of the operating conditions of compressor and evaporator.

Dr. RUI Shengjun, sjrui@163.com

TB 657.3

：A

：0438—1157（2017）01—0329—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20160773

2016-06-06收到初稿，2016-10-31收到修改稿。

联系人及第一作者：芮胜军（1975—），男，博士，讲师。

国家自然科学基金项目（51176124）；河南省重点攻关项目（152102210279）；河南省高等学校重点科研项目（15A470001）；河南科技大学青年科学基金项目（2015QN014）。

Received date: 2016-06-06.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51176124), the Key Projects of Henan Province (152102210279), the Outstanding Scientific Research Project of Henan Colleges and Universities (15A470001) and the Youth Science Foundation of Henan University of Science and Technology (2015QN014).