混合工质低温制冷系统的优化控制方案

混合工质低温制冷系统的优化控制方案

王振

亚洲硅业（青海）有限公司青海西宁810000

摘要：伴随着科技技术的日新月异，制冷技术也得到了进一步发展。混合工质低温系统的制冷效果极佳，运行效率较高，在工业生产领域中得到广泛应用。然而缓和工质低温制冷系统同样存在着能效较低、压缩机排气温度和压力较高等问题。因此文章通过试验，对混合工质低温制冷系统进行优化改进，以便于提升低温制冷系统的降温性能，确保其安全可靠运行。

关键词：混合工质；低温制冷系统；优化控制；方案

随着现代高科技领域的发展，-40℃以下到深冷温区的制冷技术也不断开展，以非共沸混合工质作为冷媒的单级节流制冷技术最具有优势。通过充灌不同工质及不同配比，可以灵活改变系统所能制取的最低温度（-43~-193℃）。由于该制冷系统结构简单，运行调节便利，适用温区广泛，已被普遍应用于低温电子、低温医学、低温生物等领域。对于一个容积固定的制冷系统，在压缩机启动初期，几乎是全部气态的工质通过节流单元，排气压力将会很高。尤其当其降温到深冷温区时，低沸点组分的作用又会使排气压力和温度变大，造成安全威胁。目前混合工质制冷系统不但存在上述问题，还存在降温速度慢、制冷效率低的问题，故掌握系统的动态工作特性，适时改变组分运行浓度，对改善系统降温性能具有重要意义。

一、低温制冷系统的原理

一般制冷系统的制冷原理：压缩机的作用是把压力较低的蒸汽压缩成压力较高的蒸汽，使蒸汽的体积减小，压力升高。压缩机吸入从蒸发器出来的较低压力的工质蒸汽，使之压力升高后送入冷凝器，在冷凝器中冷凝成压力较高的液体，经节流阀节流后，成为压力较低的液体，之后送入蒸发器，在蒸发器中吸热蒸发而成为压力较低的蒸汽，再送入压缩机的入口，从而完成制冷循环。而低温制冷系统主要涉及低于120K温度范围的问题（一般按温度范围划分为以下几个领域：120K以上，普冷；120～0.3K，低温；0.3K以下，极低温）。低温制冷系统更复杂，低温系统的工质包括常见工质和特殊工质，其应用范围更广，除了食品工业外还应用于航空航天、科研等等高精领域。

二、混合工质的优点分析

制冷工质具体就是指用于制冷设备中起到产生低温的媒介，这种媒介能够在此设备体系中循环流动，经过流动中导热或相变等过程从而产生能量变化，再与外界的能量相转换最后产生制冷功效的物质，达到降温的目的。上面所提到的热性其实是说此物质的热容和传热性能，因此此热性直接与制冷功效有着直接的联系。以前的纯工质的制冷体系，之所以被淘汰就是源于它的热性较弱，最后被热性功能强大的混合工质所替代，这种混合式工质，一般情况下是由至少两类工质融合形成，由于其综合热物性能较高，发挥各工质优势，互补其劣势性能，所以也在制冷设备中普遍使用。

三、混合工质低温制冷系统的优化控制方案

（一）实验装置

混合工质超低温制冷系统主要部件有压缩机、冷凝器、气液分离器、中间回热器、电子膨胀阀、膨胀储气罐、蒸发器（电加热器）和控制单元。其中，中间回热器作为冷凝蒸发器，膨胀储气罐与控制阀、毛细管联立接入压缩机吸气管路。

在制冷流程中布置了两个气液分离器，对混合工质进行分凝，使得整个循环中不同沸点的组分之间同时流动并进行换热作用，以复叠式循环制取低温。混合工质先经过压缩机做功成为高温高压的气体，进入冷凝器换热后工质冷凝，其中大部分的低沸点工质保持气态；经气液分离器进行气液分离后，气相工质进入冷凝蒸发器的热流通道，降温冷凝后进入节流阀节流降温后进入蒸发器进行蒸发换热，制取低温环境；工质吸热后进入回热器的冷流通道回热；冷凝器后的气液分离器液相出口流出的工质大部分为高沸点工质，通过节流阀后，与从回热器出来的低沸点工质混合进入冷凝蒸发器进行回热，最后返回压缩机，完成循环。

（二）工质的选取

以-150℃的节流后温度作为制冷温度展开实验，选取异丁烷（R600a）作为系统的高沸点组分（重组分），丙烷（R290）、乙烷（R170）作为中间沸点组分（中间组分），甲烷（R50）、氮气（R728）作为低沸点组分（轻组分）。所选工质的ODP均为0，其100年的GWP值也较小，属于环保工质。R50、R170、R290、R600a、R728的充注质量比为：0.0796、0.1149、0.158、0.5226、0.1249。

（三）实验流程

实验在同一室温25℃中进行，每次实验恢复至室温，所有电子膨胀阀设定好开度后不进行变动，节流后的目标温度均为-150℃。系统启动时，由于压差的存在，打开的控制阀可使膨胀储气罐中的冷剂组分充入系统，从而增加降温所需的冷剂组分，促进冷量的生成。系统关闭时，膨胀储气罐可存储大部分的气相轻组分，同时降低停机压力，提高开机安全性。

实验分为两组：第一组（罐全开组）将膨胀储气罐与控制阀保持打开状态进行降温实验，系统的最高排气压力限制为2.3×106Pa；第二组（控压组）利用控制单元、膨胀储气罐、控制阀进行自适应的调节。第二组实验在开机前期，设定好控制单元的压力范围1.7~1.85×106Pa（根据实际要求设置），当压缩机排气压力高于1.85×106Pa时，控制单元检测到超压信号，使膨胀储气罐前的控制阀关闭。此时随着系统温度的降低，压缩机排气压力逐渐降低，当其压力低于1.7×106Pa时，控制单元再次检测到超压信号，打开膨胀储气罐的控制阀，如此往复，直到停机。实验过程中使用Agilent34970A和Labview数据采集程序对压缩机功耗、系统的高低压、各测点温度进行采集。实验中通过系统组分采集平台对降温过程中不同的节流后温度点进行组分采集，采集温度有9个：-30℃、-60℃、-90℃、-100℃、-110℃、-120℃、-130℃、-140℃、-150℃，采集点位于压缩机吸气口，通过GC-1690热导型（TCD）气相色谱仪进行组分比例的分析。

（四）实验结果与分析

通过两次相同工况下的实验对比，分析两组降温实验节流后温度、压缩机排气压力、排气温度、耗功大小、组分浓度等参数变化。结果显示，在开机15min前，控压组的降温速度与罐全开组的降温速度较为相同；15min后，控压组的降温速度优于罐全开组；降温后期，两者的降温速度又近似相同，控压组的最终温度略低于后者。明显可知，控压组的操作更易使系统降到-150℃，比罐全开组快了10min左右。罐全开组的排气温度普遍高于控压组，最高排气温度达115℃，最终稳定在112℃的温区；控压组的最高排气温度达103℃，最终稳定在100℃。控压组的最大排气压力达1.85×106Pa，由于控制单元的操控作用，使得系统压力值呈现上下波动，且整个过程的波动较为稳定，而罐全开组的排气压力在开机前期会升到2.3×106~2.4×106Pa，长期处于高压区，变化波动不稳定，易造成安全威胁。在整个降温过程中，罐全开组的耗功振幅较大，变化不稳定，最大耗功达2300W；而控压组的耗功能稳定在1700~1900W的范围内，最大耗功为1900W。控压组的压缩机耗功比罐全开组的压缩机耗功要小，前者总耗功比后者小10.39%。控压组状态下的系统运行环境较为稳定，有利于提高压缩机运行寿命。

组分浓度比例分布：控压组的氮气和甲烷（轻组分）浓度较罐全开组具有更大的增长趋势，前者从46.25%增至57.95%，后者从48.34%增至55.24%；两图中的丙烷、乙烷（中间组分）在降温过程中浓度变化不大；异丁烷（重组分）的变化均呈减小的趋势。两组实验终了时，五种工质组分浓度比例相似。由于膨胀储气罐内存储较多的轻组分气体，在控压实验中，膨胀储气罐每次打开时，罐内的氮气和甲烷（轻组分）就会充入运行的系统，增加系统轻组分含量的同时，不断生成降温所需冷量，从而加快降温速度。异丁烷（重组分）浓度比例随系统温度的降低而减少。

综上所述，控压组的降温性能优于罐全开组的降温性能。控压组以膨胀储气罐和控制阀联合作用的方法可以增加系统降温速度，减小系统压缩机总耗功，系统的开机温度及压力也能得到安全控制。该实验也验证了轻组分浓度随系统温度的降低而增加、重组分浓度随系统温度的降低而减小的最优组分浓度需求规律，该规律指导下的控制方案可有效提高系统的降温性能。

参考文献：

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