R404A/R1150复叠式制冷系统实验研究

刘松竹，江 斌，程 亮，刘 学，梁晓会

（军事医学研究院科研保障中心，北京 100850）

0 引言

随着我国经济建设的快速发展，低温制冷机组得到广泛应用，与此相关的制冷机组系统结构及制冷剂对系统性能影响的研究也日益广泛。目前小型制冷机组结构主要采用单机制冷系统、单机自动复叠制冷系统、双机复叠制冷系统几种形式，对于-80℃以下低温产品，基本采用双机复叠式制冷系统结构，其制冷量大，系统结构复杂。双机复叠式制冷系统主要由高温级制冷系统和低温级制冷系统2个部分组成，高温级制冷系统为低温级制冷系统提供冷量，每一部分都是一个完整的制冷系统，高温级制冷系统与低温级制冷系统之间通过蒸发冷凝器相互联系（高温级蒸发器作为低温级冷凝器，故称为蒸发冷凝器）。系统中高温级制冷系统单级蒸发温度一般不高于-40℃，低温级制冷系统单级蒸发温度一般在-60～-100℃。大量学者[1-5]对复叠式制冷系统的运行机理进行了深入的研究与探索，并已将成果成功应用于相关设备和产品中：卞荷洁等[6]利用制冷剂R22/R14自动复叠系统设计了-80℃低温冰柜；胡春霞等[7]利用一种全串联三级冷凝自动复叠制冷系统在低温设备中达到了-100℃的制冷效果。同时部分学者[8-9]也对多元非共沸混合工质自动复叠制冷系统进行了大量的理论与实验研究，然而自复叠系统复杂的分离与混合特性决定了其整套系统制冷过程的复杂性。如何利用成熟可靠的复叠式制冷系统达到更低的制冷温度是目前研究的一个热点和难点。

目前，复叠式制冷系统高温级制冷剂主要选用R134a和R404A，两者均为常用的中低温环保制冷剂；低温级制冷剂主要选用R23和R508B，两者均为氟化物，温室效应大，全球变暖潜能值（GWP）高，其中R23为12 400，R508B为11 700。而R1150作为环保制冷剂，其全球变暖潜能值为20，远远低于常用氟化物制冷剂指标；R1150制冷剂标准沸点为-104℃，分别低于R23制冷剂（-82℃）和R508B制冷剂（-87.3℃）沸点值，在相同回气压力下能达到更低的蒸发温度；R1150价格与R23相当，市场价格约100元/kg，R508B的价格约1 200元/kg。因此本文设计的复叠式制冷系统高温级制冷剂充注常规使用的R404A，而低温级选用环保制冷剂R1150，取代目前低温级广泛使用的R508B和R23氟化物制冷剂。

本实验通过搭建小型复叠式低温冷藏箱制冷系统，对R404A/R1150复叠制冷系统进行了实验研究，验证了所用环保制冷剂对低温冷藏箱的制冷效果，为利用该复叠式制冷系统开展小型低温制冷设备，如低温冷冻干燥机、低温冷阱、低温冷藏箱[10-11]等的研究生产提供了一种技术路径。

1 小型复叠式低温冷藏箱制冷系统搭建

1.1 低温冷藏箱制冷系统工作原理

低温冷藏箱制冷系统为复叠制冷结构，高温级制冷系统与低温级制冷系统通过蒸发冷凝器串接。其中，高温级制冷系统由高温级压缩机、冷凝器、过滤器、毛细管、蒸发冷凝器蒸发侧组成，内充R404A制冷剂，其工作流程如下：由高温级压缩机出来的高温高压制冷剂R404A蒸汽经冷凝器冷凝后进入毛细管节流，节流后的汽液混合物在蒸发冷凝器中被冷凝侧的高温物质汽化进入高温级压缩机吸气侧继续被压缩，完成高温级制冷系统的制冷循环。低温级制冷系统由低温级压缩机、油分离器、过热冷却器、蒸发冷凝器冷凝侧、蒸发器、过滤器、膨胀容器组成，内充R1150制冷剂，其工作流程如下：由低温级压缩机出来的高温高压R1150制冷剂经油分离器分油后在过热冷却器中被预冷却，然后进入蒸发冷凝器冷凝侧被高温级制冷剂进一步冷却，经毛细管节流后进入蒸发器吸热，再进入低温级压缩机吸气侧被进一步压缩，完成低温级制冷系统的制冷循环。蒸发冷凝器采用板式换热器，以增强高低温级制冷系统间换热效果。

小型复叠式低温冷藏箱制冷系统工作原理如图1所示。

图1 小型复叠式低温冷藏箱制冷系统工作原理图

1.2 低温冷藏箱制冷系统主要部件选型参数

通过理论分析及大量预实验验证，在满足小型冷藏箱制冷要求前提下，确定复叠式制冷系统相关部件选型参数如下：

（1）高温级压缩机、低温级压缩机均为恩布拉克2140E压缩机，功率560 W。

（2）高温级蒸发器是翅片式风冷蒸发器，换热面积为3 m2。

（3）蒸发冷凝器为板式换热器LM014，30片型，换热面积为0.42 m2。

（4）节流装置采用毛细管，高温级毛细管内径1.05 mm，低温级毛细管内径0.65 mm。

（5）油分离器为亚冠S4000油分离器，能够保证压缩机高压端制冷剂中的冷冻机油返回到压缩机，保护压缩机不流失机油，防止冷冻油流向系统中影响冷凝器散热功能。

（6）过滤器为丹佛斯DCL032型过滤器，防止杂质堵塞毛细管。

（7）低温冷藏箱整体结构采用制冷机组与箱体分置式结构。箱体采用内外带夹层结构，箱体内部容积为 80 L（400 mm×400 mm×500 mm），内外层板材选用厚度为1 mm不锈钢板；夹层采用聚氨酯发泡填充，填充厚度为100 mm，保温效果满足要求。箱体部分包含低温级蒸发器，其采用长度为10 m、直径为Φ8 mm的紫铜管以蛇形盘管形式绕制于箱体内腔钢板外侧，用于给箱体内部降温，通过铜管与低温级毛细管和压缩机回气口相连接。复叠式制冷机组单独置于冷藏箱外部。

2 实验

2.1 实验方法

2.1.1 实验参数优化

在搭建复叠式制冷系统后，需进一步通过实验确定制冷剂充注量及毛细管长度，两者是直接影响制冷效果的关键参数。参数确定过程如下：实验初始阶段在高温级制冷系统加入R404A制冷剂350 g、低温级制冷系统加入R1150制冷剂120 g后，启动系统运行并实时记录高温级制冷系统排气压力、吸排气温度和回气温度，低温级制冷系统吸排气压力、吸排气温度、蒸发盘管温度，冷藏箱内温度等过程参数，确定系统运行性能。在未达到目标要求情况下，多次改进优化制冷剂充注量与毛细管长度匹配关系，并最终实现低温冷藏箱最佳制冷效果，达到预期制冷目标，且系统运行稳定。最终确定参数：高温级制冷系统加注R404制冷剂285 g，低温级制冷系统加注R1150制冷剂93 g；高温级制冷系统毛细管内径10.5 mm、毛细管长度150 mm，低温级制冷系统毛细管内径0.65 mm、毛细管长度110 mm。停机待系统稳定恢复常温状态后重启机器进行数据记录。

2.1.2 实验数据采集

实验过程中记录制冷系统压缩机排气温度和排气压力、吸气压力、回气温度、蒸发盘管温度、冷藏箱内温度，分析制冷系统运行情况与制冷效果。

复叠式制冷系统中高温级制冷系统为低温级制冷系统提供冷量，低温冷藏箱制冷系统运行需要逐级启动。首先启动高温级制冷系统，待运行15 min左右温度稳定后，再启动低温级制冷系统，此时低温冷藏箱箱内温度开始下降。人工记录制冷过程中温度和压力变化数据，包括高温级制冷系统排气压力和吸排气温度、低温级制冷系统吸排气压力和吸排气温度，用于考察系统运行状态和稳定性。记录间隔为前3 h内每1 min记录一次数据，运行3 h后每1 h记录一次数据。压力测量点为高、低温级制冷系统的高压侧和低压侧，实验压力采集用高、低压油表，量程分别为-0.1～3.5和-0.1～1.8 MPa，测量精度为0.1 MPa；压缩机排气温度测量点为压缩机排气口铜管外壁，回气温度测量点为压缩机回气口铜管外壁，低温级制冷系统蒸发温度测量点为毛细管出口处，箱内温度测量点为冷藏箱内中心点，温度测量仪表选用FLUCK52Ⅱ温度计，其量程为-250～400℃，测温精度为0.1℃。

2.2 实验结果

2.2.1 高温级制冷系统运行情况

高温级制冷系统排气温度和排气压力变化曲线分别如图2、3所示。由图中可以看出，高温级制冷系统启动后，系统制冷量加大，其排气温度和排气压力随之升高。同时随着低温级制冷系统的启动，高温级制冷系统的冷量需求量逐步达到最高值，相应高温级系统的排气温度和排气压力也分别达到72℃和13.0 kgf/cm2（1 kgf/cm2=9.8×104Pa）的峰值；之后，随着低温级制冷系统蒸发温度和冷藏箱内温度降低，制冷系统所需冷量下降，高温级制系统的排气温度和排气压力开始逐步下降，到最后低温级制冷系统箱体内部温度稳定，制冷系统冷量趋于稳定，高温级制冷系统的排气温度和排气压力也随之趋于稳定，排气温度维持在67℃左右，排气压力稳定在12.3 kgf/cm2。在整个工作过程中排气温度和排气压力在正常值范围内，确保高温级制冷系统工作正常。

图2 高温级制冷系统排气温度变化曲线

图3 高温级制冷系统排气压力变化曲线

高温级制冷系统回气温度变化曲线如图4所示。由图中可以看出，随着低温级制冷系统的启动，高温级制冷系统回气温度逐步上升，由初始的-36℃逐渐上升到最高值-32℃。之后，随着低温级制冷系统冷量需求减少，高温级制冷系统的回气温度再次降低，最后稳定在-34℃。在整个工作过程中，回气温度稳定，制冷系统运行正常。

图4 高温级制冷系统回气温度变化曲线

2.2.2 低温级制冷系统运行情况

与低温级制冷系统制冷效果、运行稳定性、可靠性相关的数据包括排气温度、排气压力和吸气压力。

低温级制冷系统的排气温度变化曲线如图5所示。由图中可以看出，低温级制冷系统的排气温度随着压缩机的启动由初始的25℃开始升高，达到峰值88.4℃后缓慢回落，随后趋于平稳，并稳定在83℃左右。

图5 低温级制冷系统排气温度变化曲线

低温级制冷系统排气压力变化曲线如图6所示。由图中可以看出，排气压力随着低温级压缩机启动开始变化，15 min后由初始的15.5 kgf/cm2下降到15.3 kgf/cm2，运行90 min左右达到峰值16.4 kgf/cm2，之后随制冷系统冷量需求减少逐渐降低，待运行5 h后，低温级制冷系统排气压力又回到15.5 kgf/cm2。

图6 低温级制冷系统排气压力变化曲线

由低温级制冷系统排气温度与排气压力变化可以看出低温级制冷系统运行稳定。

低温级制冷系统吸气压力变化曲线如图7所示。由图中可以看出，低温级压缩机启动后吸气压力突然降低，1 min内由停机平衡时系统内部压力迅速降低到0.6kgf/cm2，之后随着制冷系统冷量需求的加大，低温级制冷系统吸气压力开始上升，并在峰值1.4 kgf/cm2处维持近1.5 h后开始回落，直到低温级制冷系统启动5 h后回到1.0 kgf/cm2。

图7 低温级制冷系统吸气压力变化曲线

低温级制冷系统蒸发盘管温度随着低温级制冷系统启动快速下降，运行10 min由19℃降到-90℃，运行20 min降到-97℃，维持35 min后缓慢下降至-98℃，运行130 min后缓慢下降到-100℃，温度略微振荡后最终维持在-100℃，如图8所示。

图8 低温级制冷系统蒸发盘管温度变化曲线

在系统运行过程中低温级制冷系统排气温度、排气压力、吸气压力与蒸发盘管温度变化符合运转过程变化特性，均在正常值范围以内，表明低温级制冷系统运行正常，能达到设计温度。

2.2.3 冷藏箱箱内温度

冷藏箱箱内温度是评价本文所研究的R404A/R1150复叠式制冷系统制冷效果的关键。

冷藏箱箱内温度变化曲线如图9所示。由图中可以看出，复叠式制冷系统启动1 h内箱内温度即由初始温度18.6℃快速下降到-45.3℃，之后的2 h内又进一步下降到-90℃，直到系统运行5 h后箱内温度下降到-95℃。

图9 低温冷藏箱箱内温度变化曲线

3 结论

为研究复叠式制冷系统中低温制冷系统的低温工质替代问题，本文在目前普遍使用 R508B、R23 等制冷剂情况下，采用更加环保、经济、制冷性能更好的R1150作为复叠式制冷系统低温级制冷剂，并对R404A/R1150复叠式制冷系统运行过程进行了实验研究，实验结果表明：

（1）本文实验用R404A/R1150复叠制冷系统运行稳定。

（2）当高温级制冷系统的回气温度稳定在-34℃时，整机制冷效果最好，系统达到预定蒸发温度。

（3）系统在稳定运行情况下，实现了-100℃的蒸发温度和-95℃的冷藏箱箱内温度，表明R404A/R1150复叠式制冷系统达到预期制冷效果。

（4）系统采用碳氢制冷剂R1150作为低温级制冷剂，不仅满足环保要求，还能达到更低的蒸发温度。

（5）低温级制冷系统回气压力比较大，减小了压缩机的吸气容积，从而降低了系统制冷效率。后续将针对非共沸混合制冷剂作为低温级制冷系统制冷剂开展系统性能的分析评价。

综上所述，以环保制冷剂R1150为低温制冷剂的复叠式制冷系统制冷效果良好、运行稳定可靠，可应用于中小型低温制冷设备中。