自然复叠制冷系统初探

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1、!##!年第:期低温工程;5,:!##!总第"!<期&6=9>7;?&@@A1;5,"!

2、文中给出了自然复叠制冷系统的优化原则，并将用&’&作制冷剂的自然复叠循环的计算结果和两级压缩循环、复叠循环的计算结果进行了比较。对用非&’&物质作制冷剂的自然复叠制冷系统和适用于低温领域的自然复叠制冷系统进行了分析，说明自然复叠制冷系统具有较大的实用价值。主题词自然复叠系统制冷低温!前言单级节流制冷机作为一种结构简单、运行可靠的制冷机，应用于国民经济的许多领域，但由于它使用的是单一制冷剂，在普冷领域，当制冷温度需要降到低于(%#)&时，循环的效率随着制冷温度的降低而降低。虽然复叠制冷系统可以通过增加级数来制取低于(%#)&的温度，但随着级数的增加

3、，系统的复杂性成倍增加，效率却降低很多。自然复叠制冷系统使用混合工质通过单台压缩机实现了多级复叠，可以制取(%#)&以下的低温，极大地简化了制冷系统。自然复叠制冷系统的研究最早始于"$*$年，当时前苏联气体研究所的+,-,./0122345教授采用碳氢化合物作制冷剂，用该系统来液化天然气。到了本世纪七八十年代，由于能源、环保等因素，随着对混合工质研究的深入，各国科学工作者开展了对自然复叠循环的研究，在美国有多项有关自然复叠制冷系统的专利，美国678&9公司利用自然复叠循环的原理研制出了("*#)&的低温箱。由于自然复叠制冷系统具有比较大的工作温区

4、，无论是在普冷领域还是在低温电子、低温医学、冷冻干燥、气体液化等低温领域，都具有比较大的实用价值。!修改稿于!##!年:月"B日收到。杜垲，男，C<岁，教授。,3低温工程)33)年!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!原理现以两级自然复叠制冷系统（图!）为例，介绍自然复叠制冷系统的工作原理。该系统以二元混合工质为制冷剂，它是由两种不同沸点的工质组成。从图!可以看到，当制冷剂从压缩机"排出后，进入冷凝器#，由于制冷剂的二元组分的沸点不同，在冷凝器中制冷剂中的大部分高沸点组分被

5、冷凝成液体，制冷剂中大部分低沸点组分却仍然为蒸气。制冷剂从冷凝器出来后进入气液分离器$，在气液分离器中制冷剂分为主要成分为高沸点组分的液体和主要成分为低沸点组分的蒸气，其中液体图"自然复叠制冷系统部分经过储液器(!与节流阀*!"—压缩机；#—冷凝器；$—气液分离器；%—冷凝蒸发器；&—蒸发器；后，在冷凝蒸发器%中蒸发吸’—回热器；(!，()—储液器；*!，*)—节流阀。热，蒸气部分在冷凝蒸发器%放热被冷凝为液体后，经过储液器()、回热器’和节流阀*)，进入蒸发器&进行蒸发制冷。最后，从蒸发器出来的低沸点组分气体经回热器与从冷凝蒸发器出来的高沸点组

6、分气体混合后进入压缩机，从而完成整个循环。从该循环的工作原理可以看出，制冷剂的高沸点组分成为循环的高温制冷剂，制冷剂的低沸点组分成为循环的低温制冷剂，二者在冷凝蒸发器中实现了复叠。在冷凝器中冷凝液化的只是制冷剂的高沸点组分，其低沸点组分在冷凝蒸发器中冷凝，最后进入蒸发器取低温冷量。这就是自然复叠循环中的自然复叠与自然分离。一般二级自然复叠可以制取1234(的低温，要得到1!234(的低温从理论上讲要四图!自然复叠制冷系统示意图级自然复叠。在四级自然复叠里，高沸点组!+压缩机；)+冷凝器；,+气液分离器；-，.+节流装分和低沸点组分在各级气液分离器

7、中逐级分置；/+冷凝蒸发器；0+蒸发器。离，通过多级复叠实现了多个蒸发温度，直1111高沸点组分循环1·1·1低沸点组分循环到沸点最低的组分进入蒸发器，得到所需的低温。图)为二级自然复叠循环系统示意图。通过该图我们可以对自然复叠循环的工作原理有更清晰地了解。通过该图我们看到低沸点组分和高沸点组分分别形成一个循环，这两个循环通过冷凝器蒸发器联系起来，冷凝蒸发器既是高沸点组分循环的蒸发器，也是低沸点组分循环的冷凝器，从而实现了自然复叠。第’期自然复叠制冷系统初探’-!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

8、!!!!!!!!!!!!!循环比较自然复叠制冷循环通过自然分凝、多级复叠的方法获得较大的工作温区，从而制取较低的温度。对于单级蒸气压缩制