0 引言
自动复叠循环制冷机构造紧凑，可靠性高，操作简便，在能源、军工、空间、生物、医疗和性命科学等高科技范畴内有着普遍的利用。国内外学者纷纭对自动复叠制冷技巧展开了新的研讨。目前，自动复叠制冷循环浮现出新的发展特色[2-3]，对其研讨重要集中在两个方面：一方面是对原有的制冷循环流程的改良，包含采取新型换热器和高效气液分离器；另一方面则是采取新型的制冷工质，包含二元工质和多元工质，以满足环保和制取低温的请求。

1 三级自动复叠制冷系统
针对本课题-100℃的制冷温度，选择单级压缩、两级分凝的制冷循环作为本课题的计划，原理性计划如1所示。
 

图1 三级主动复叠制冷循环实际体系示意图
A- 紧缩机; B-冷凝器; C-干燥过滤器; D-高温级气液分别器; E-高温级节流阀; F-分凝换热器; G-高温级蒸发冷凝器;
H-中温级气液分别器; I-中温级节流阀; J-分凝换热器,; K-低温级蒸发冷凝器; L-低温级节流阀; M-蒸发器; N-膨胀容器; P-会合点; Q-会合点; 1~30-测点
膨胀容器的作用在于下降机组停机后的平衡压力。低温、中温工质(如R14/R23)在常温下已经超过其临界温度，全体以气态情势存在，这会导致

管道内平衡压力非常高，平衡压力过高带来如下成果：制冷管路决裂的可能性增大。压缩机启动时“油击”的几率增大。启动压力过高,。分凝换热器的主要作用两个：一是进一步提纯低温组分的纯度，另一个是实现润滑油的分离。混合工质饱和睦体的组分和温度的高下亲密相干，温度越低其低温工质组分含量越高。

2 制冷剂的选择
用于自动复叠循环的非共沸混合工质在循环进程中有其奇特性的一面：自动实现各组分的分凝、分离和混合的过程，这决议了其循环过程完整不同于用于节能和环保目标的一般混合工质,。

复叠式制冷循环的高温部分应用的制冷剂，一般为R134a、R22、R502，也可应用R1270(丙烯)或R290(丙烷)。低温部分应用的制冷剂有：R23、R14、R1150(乙烯)和R170(乙烷)。对于复叠式制冷循环，R23实用的蒸发温度规模是-70～-110℃,R14实用的蒸发温度范畴是-110～-140℃。综合斟酌联合本文课题-100℃的制冷温度，选择了三种工质：R134a、R23、R14，其重要热物性质如表1所示[4]。这三种工质中均不含对臭氧层有损坏作用的Cl原子，R134a和R23的尺度沸点相差55.9℃，R23和R14的尺度沸点相差45.8℃,。

表1 三种工质的重要热物性参数 工质 分子式 分子量 ODP GWP 尺度沸点℃ 凝固温度℃ 临界温度℃ 临界压力MPa 等熵指数
R134a C2H2F4 102.00 0 0.2 -26.2 -101.0 101.1 4.06 1.11
R23 CHF3 70.01 0 14800 -82.1 -160.0 25.9 4.68 1.19
R14 CF4 88.01 0 N/A -127.9 -184.0 -45.5 3.75 1.22

3 试验台的搭建
主要部件的设计选型，选用了Danfoss 114H5534冷凝机组，在常规冷柜箱体的基本上，重新设计制造了内胆用于保温改革，制造了符合实验条件的低温箱体。节流装备的选择与匹配和混合工质的换热盘算是本章的两大难点，在理论盘算领导与前期两级系统的经验相联合的基本上完成了毛细管和套管式换热器的选型。制冷循环运转期间须要实时记载30路温度数据和2路压力数据，全部丈量系统的设计以实现这32个参数的自动记载、数据图像显示和数据库保留为目的（图2）。数据采集系统包括电量参数丈量部分。AN7931A本身内置微把持器，可以实现与上位PC的基于RS-232协定的串行通信。AN7931A仪表通过一根RS-232通信电缆与主盘算机的串行口衔接。同样的，基于Visual Basic6.0语言我们设计了相应的软件程序。
 

图2 温度压力采集系统硬件图

4 实验与试验成果剖析
循环体系启动后，R134a流、R23流、R14流的节流温度变更如图3所示和柜内温度如图4所示。
 

图3 R134a流、R23流、R14流的节流温度变更

图4 低温箱体的降温曲线

试验台的性能测试在30℃环境温度下进行，体系启动4.5h后，柜温降至-100℃，制冷量为38W，运行COP=0.056。

循环系统中有两个汇合点P和Q，R134a流和低温混合流在P点汇合成高温混杂流，R23流和R14流在Q点汇合成低温混合流，其运行状况如图5所示,。两股流体汇合时，假如不产生化学反映，得到的汇合流的温度介于两股支流的温度之间。但是从图5可以看到，开机运行约90min内，高温混合流的温度t24始终低于其两个支流的温度t22和t23，90min以后，才介于两者之间。汇合之后混合物流体的温度决议于两个因素：焓值和成分，雷同条件下，焓值越高，温度越高；混合物中低温组分含量越多，温度越低。通过图9来阐明这个问题，低温混合流(t22)汇进R134a流(t23)后，对其温度的影响有两个方面：一方面由于增大了其焓值，导致温度有升高的趋势，另一方面由于增大了其中低温组分(R23/R14)的含量，导致温度有下降的趋势；而当后者的影响大于前者的影响时，综合作用成果是降低其温度。表示在图上就是高温混合流的温度(t24)始终低于R134a流的温度(t23)，并且在前90min内，低于其两个支流的温度t22、t23。
 

图5 汇合点P的运行温度变化图

R14流汇进R23流后对其温度的影响阅历了不同的进程，在启动后约150min时光内，综合作用后果表现为温度升高(t17>t16)；之后的运行进程中，综合作用后果表现为温度降低(t17<t16)。因此，汇合后得到的低温混合流的温度(t17)始终处于两支流温度(t15、t16)之间，如图6所示。
 

图6 会合点Q的运行温度变更图

5 结论与讨论
主动复叠循环能够实现低温制冷，并不是单纯地依附下降蒸发压力，而是应用了非共沸混合工质在各组分沸点相差很大的条件下所表示出来的特征，采取相分别器来实现混杂工质的分流，通过特别安排的流程来实现复叠循环。 常规压缩机完整胜任驱动自动复叠循环，其运行时的启动工况、排气压力、排气温度均在惯例紧缩机的容许范畴之内，运行相当可靠，这对自动复叠制冷机的贸易化生产具有十分主要的意义。

自动复叠循环本身可以实现压缩机的高效回油,。公道安排的中间换热器流程可以保证润滑油的分离后果，混合工质的多次分流可以保证分离出来的润滑油随高温级组分回到压缩机，避免了可能的在低温下脱蜡、凝固堵塞系统的问题。

非共沸混杂工质在自动复叠循环中的利用中有其奇特性的一面：依据沸点的高下不同而自动实现各组分的分流，这种特征就决议了不同的成分组成和配比组成会表示出不同的循环特征。非共沸混合工质的节流温度不仅与组成成分、蒸发温度有关，而且与过冷度有关：雷同条件下，节流前冷凝液的过冷度越大，节流后混合物的蒸发温度越低,。

惯例压缩机完整胜任驱动自动复叠循环，其运行时的启动工况、排气压力、排气温度均在惯例紧缩机的容许范畴之内，运行相当可靠，这对主动复叠制冷机的贸易化生产具有十分主要的意义。