自动复叠制冷装置优化设计及润滑油分离的实验研究
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摘 要
自动复叠制冷系统采用多元混合工质为制冷剂，使用单级压缩，利用不同组
分沸点的差别，通过内部复叠的方法，获得较低的制冷温度，自动复叠制冷系统
的关键技术是混合工质的分离，混合工质的有效分离是保证系统制冷温度和制冷
效率的关键。同时，在自动复叠制冷系统的低温级中，润滑油在低温下容易从制
冷剂中分离出来并且凝结脱蜡，堵塞制冷机节流机构，并影响蒸发器的换热，另
外润滑油的回油效果直接影响到系统的性能和可靠性。为了使该类装置从试验阶
段走向所以实用化，提高制冷系统中润滑油的分离效果并使之稳定运行，是本课
题所搭建的自动复叠制冷实验台进行优化设计主要目的。课题主要对自动复叠制
冷装置进行优化设计，并对系统中的润滑油分离进行了实验研究。
首先，对自动复叠制冷循环研究领域的国内外现状进行了综述，讨论了自动
复叠制冷系统中混合工质组分的选取原则以及热力计算方法，利用经典复叠制冷
系统的常用方法初步确定了制冷剂的配比，比较了混合工质不同热力计算方法及
特点，最后选用 NIST 软件对系统进行循环计算。
其次，通过对自动复叠制冷系统循环各部件的设计计算，确定压缩机、冷凝
器、蒸发器、冷凝蒸发器、两级回热器、主副毛细管型式，完成实验装置的搭建。
课题中采用两个回热器来实现低沸点工质的进一步分离，通过毛细管长度变化的
实验，发现主副毛细管长度不同对系统性能影响较大，通过多次实验找出系统的
最佳主副毛细管长度，在最佳工质配比和最佳毛细管长度确定的情况下，最后加
装一个改进型油分离器进行实验，比较油分离前后系统性能的变化规律。实验表
明，在对自动复叠制冷系统进行优化以后，混合工质在系统中能够有效地分凝，
系统运行趋于稳定且效率提高。
关键词：自动复叠制冷系统 优化设计 润滑油分离 系统性能
ABSTRACT
The auto cascade refrigeration system uses single-stage compression multi
segregating cycle and takes non-azeotropic multi-component refrigerants for the
components having different boiling point as its working fluids through internal cascade
to get low temperature. In the equipment of refrigeration, lubricating oil has the effect of
lubrication and cooling for the various components of the compressor, it plays an
important role in ensuring the reliability of the compressor operation and servicing life.
Meanwhile, excessive residual lubricant can cause a series of refrigeration condition
confusing situations, such as decreases the thermal efficiency of heat exchanger,
decreases the efficiency of refrigeration systems, reduces or blocks the cross section of
the valve. And, in the low temperature level of the auto cascade refrigeration system,
lubricating oil is easily separated from the refrigerant and condensation dewaxing at low
temperature, which plugs the throttle bodies of the refrigerator and affects heat transfer
of the evaporator. Returning effect of the lubricating oil affects the system performance
and reliability directly. So improving the separation effect of the lubricating oil in
refrigeration system has become one of the key technologies.
The selection principle and thermodynamic calculation method of muti-component
refrigerants in auto cascade refrigeration system are discussed. Calculated the
composition of mixed refrigerants by typical cascade refrigeration system. NIST
procedure is used to calculate the thermodynamic properties of mixed refrigerants.After
calculation of the auto cascade of the refrigeration system, the compressor was selected,
also, the condenser, evaporator, evaporative condenser, regenerator, capillary were
designed, finally, other auxiliary parts were chose, finally, the experimental apparatus
were set up. According to the principle of the refrigerant mixture of different mixed,
derive the refrigerant mixture formula for calculating the properties; this paper designed
a R22/R23 auto cascade refrigeration system. Analysis the influence of the heat
exchanger on it's temperature and pressure, and the impact on system performance,
verify the separation of oil separator.
Keyword：Auto cascade refrigeration，Optimitation，Segregation，
System performance
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .................................................... 1
§1.1 研究背景 ................................................. 1
§1.1.1 单机压缩蒸汽制冷的局限性 ............................. 1
§1.1.2 传统复叠制冷循环 ..................................... 2
§1.1.3 自动复叠制冷循环的特点 ............................... 3
§1.2 国内外研究现状 ........................................... 4
§1.2.1 国外研究现状 .......................................... 4
§1.2.2 国内发展现状 ......................................... 6
§1.3 本课题的研究内容 ......................................... 8
第二章 混合工质热力学特性及选配 .................................... 10
§2.1 混合工质的一般特性 ...................................... 10
§2.2 混合工质的选取原则 ...................................... 11
§2.3 非共沸混合工质热力学特性 ................................ 12
§2.3.1 不等温相变 ........................................... 12
§2.3.2 气液平衡 ............................................. 14
§2.4 计算气液相平衡的方法 .................................... 15
§2.4.1 常用的状态方程 ...................................... 16
§2.4.2 混合法则 ............................................. 17
§2.4.3 逸度系数计算 ......................................... 18
§2.4.4 焓、熵参数计算 ...................................... 19
§2.5 本章小结 ................................................ 22
第三章 自动复叠制冷系统的热力计算和选型 ........................... 23
§3.1 系统热力计算和主要工作参数 .............................. 23
§3.1.1 实验条件 ............................................. 23
§3.1.2 热力计算目的 ........................................ 23
§3.1.3 循环的主要工作参数 .................................. 23
§3.2 系统热力计算 ............................................ 24
§3.3 系统选型设计 ............................................ 27
§3.3.1 压缩机的选型 ........................................ 27
§3.3.2 冷凝器设计和风机选型 ................................. 30
§3.3.3 蒸发器设计 .......................................... 34
§3.3.4 毛细管设计 .......................................... 36
§3.3.5 气液分离器设计 ...................................... 37
§3.3.6 膨胀容器的选配 ...................................... 37
§3.3.7 油分离器设计 ........................................ 38
§3.4 本章小结 ................................................ 40
第四章 润滑油的性质及对自动复叠制冷系统的影响 ...................... 41
§4.1 润滑油的作用 ............................................ 41
§4.2 常用冷冻油概述 .......................................... 41
§4.2.1 天然矿物油 .......................................... 41
§4.2.2 人工合成油 .......................................... 42
§4.3 制冷系统对润滑油的要求 .................................. 43
§4.4 润滑油对自动复叠制冷系统的影响 .......................... 44
§4.4.1 润滑油对压缩机的影响 ................................ 44
§4.4.2 润滑油对冷凝器的影响 ................................ 44
§4.4.3 润滑油对毛细管的影响 ................................ 45
§4.4.4 润滑油对蒸发器的影响 ................................ 45
§4.5 本章小结 ................................................ 45
第五章 实验结果及数据分析 .......................................... 47
§5.1 制冷剂配比对系统的影响 .................................. 47
§5.2 副毛细管对制冷系统的影响 ................................ 50
§5.3 主毛细管对制冷系统的影响 ................................ 52
§5.4 加装油分离器的性能比较 .................................. 55
§5.5 本章小结 ................................................ 57
第六章 总结和展望 ................................................ 58
§6.1 总结 .................................................... 58
§6.2 展望 .................................................... 58
符号表 ............................................................. 60
参考文献 ........................................................... 62
附录 1 硕士期间已发表的论文及科研项目 .............................. 66
致 谢 .............................................................. 67
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 研究背景
随着社会需求的迅速发展，人工环境应用技术的不断进步，低温环境应用场
合越来越多，在化学化工、冷冻干燥、制造业、低温生物、低温电子、低温外科、
低温测量、军工、计算机芯片冷却、红外探测及热像冷却系统等方面获得广泛的
应用，这对制冷技术的低温应用领域提出了更高的要求。
§1.1.1 单机压缩蒸汽制冷的局限性
由于制冷工质的冷凝温度、冷凝压力与由环境介质温度有一定关联。冷凝压
力一定时，要达到较低蒸发温度，蒸发压力也就随之降低，制冷机的压比随之变
大，由于单级压缩制冷循环压比的限制[1]，所以单级压缩制冷一般只用于-40℃以
上的温区。
为获得-40℃以下的低温温区，通常采用两级压缩或复叠制冷循环，主要有以
下几个方面的原因[2]:
（1） 单级压缩蒸气制冷循环压比的限制
由单级压缩蒸气制冷循环特性分析可知，在冷凝温度 tk一定的条件下，蒸发温
度to越低，其循环的压比 Pk/Po越大，压缩机输气系数越小，制冷量也越小。单级
压缩蒸气制冷循环压比一般不超过 10。不同冷凝温度下，在允许压比范围的最大
值时，常用的中温制冷剂一般只能获得-20～-40℃的低温；如果为得到更低温度而
进行超压比运行，则会使实际压缩过程偏离等熵压缩过程，引起压缩机排温升高、
效率降低、功耗增大，甚至造成系统内制冷剂和润滑油分解，压缩机运行条件恶
化，危害压缩机的正常工作。
（2） 制冷剂热物性的限制
由于制冷剂有高温制冷剂、中温制冷剂和低温制冷剂之分，各种制冷剂又具
有不同的热物理特性，单一制冷剂受到了蒸发压力过低、制冷剂临界温度和凝固
点的限制，当蒸发压力过低时，压缩机吸气比容增大，气缸直径尺寸比较大。而
采用低温工质，蒸发压力方面得到了改进和提高，但在高压侧很接近工质的临界
状态，产生较大的节流损失。
要获取-60℃以上的低温，采用两级压缩制冷循环或复叠制冷循环，可使压缩
机压比减少，工作效率提高。当需要获取-60℃以下的低温时，应采用中温制冷剂
自动复叠制冷装置优化设计及润滑油分离的实验研究
2
与低温制冷剂复叠的传统复叠制冷循环或者自动复叠制冷循环。
传统的复叠式制冷系统由两个或者两个以上的单级压缩制冷循环组成，常用
的两级复叠制冷装置，由两个单级压缩制冷循环复叠在一起组成，分为高温级和
低温级两部分，高低压两部分通过冷凝蒸发器连接起来，高温级的中温制冷剂在
冷凝蒸发器中蒸发，蒸发的冷量用来冷却低温级的低温制冷剂并使其冷凝，中温
制冷剂在冷凝蒸发器中蒸发带走低温制冷剂的冷凝热量，然后通过冷凝器将热量
传递给环境介质，低温制冷剂液体从冷凝蒸发器出来后，经低温段节流阀节流降
压后，进入低温级蒸发器中蒸发吸取被冷却物的热量蒸发制冷，获取所需要的低
温[3]。
§1.1.2 传统复叠制冷循环
采用传统的复叠式制冷循环，使用多个压缩机，并且往往需要辅助部件，制
冷系统的复杂性及系统运行的维护要求都比单级制冷系统增大很多，从设计制造
到生产维护，都需要很大的投入。
传统复叠制冷循环具有以下缺点：
1. 变工况特性
复叠式循环的制冷温度在一定的范围内是可以进行调节，但其调节范围受到
压缩机的压比不能过大、吸入压力不能太低等因素的制约，同时低温部分冷凝温
度不能过高，导致循环制冷温度有一个上限，这是因为当低温部分的蒸发温度提
高时，系统冷凝压力也随之升高，但是这一压力不能超过压缩机的耐压极限。
2. 压缩机启动问题
对于小型制冷系统，同时启动高低压部分，但需要在低压级压缩机的排气管
上设压力控制器，以保证系统不会超压。
3. 停机后低温制冷剂的处置问题
当复叠制冷系统停机后，系统的温度慢慢回升，系统压力不断升高，低温制
冷剂不断蒸发，当温度回升到高于临界温度时，制冷剂全部汽化，导致低温级系
统内的压力升高，甚至会高于压缩机的最大工作压力，造成制冷系统产生高压保
护。为了解决这个难题，对于大型制冷装置，一般采用的方法是令高温部分定时
运转，以保证低温级保持低温状态；对于小型的制冷装置，则在低温段接一个膨
胀容器，停机后可以使一部分低温制冷剂蒸气进入膨胀容器，避免了系统的压力
过高带来的麻烦，膨胀容器可以接到吸气管也可接入到排气管。当接入到吸气管
时，应通过毛细管与吸气管相连接，而且容积要求比较小，制冷剂的充注量相对
较少，比较合理；当接入到排气管时，需要接压力控制器。
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摘要自动复叠制冷系统采用多元混合工质为制冷剂，使用单级压缩，利用不同组分沸点的差别，通过内部复叠的方法，获得较低的制冷温度，自动复叠制冷系统的关键技术是混合工质的分离，混合工质的有效分离是保证系统制冷温度和制冷效率的关键。同时，在自动复叠制冷系统的低温级中，润滑油在低温下容易从制冷剂中分离出来并且凝结脱蜡，堵塞制冷机节流机构，并影响蒸发器的换热，另外润滑油的回油效果直接影响到系统的性能和可靠性。为了使该类装置从试验阶段走向所以实用化，提高制冷系统中润滑油的分离效果并使之稳定运行，是本课题所搭建的自动复叠制冷实验台进行优化设计主要目的。课题主要对自动复叠制冷装置进行优化设计，并对系统中的润滑油分...
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