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【摘 要】 随着能源短缺与环境污染等问题的日益严重，降低能耗、提高能源的综合利用率，成为解决能源问题的根本途径之一。吸收式制冷是一种可以利用余热、废热、太阳能热等低品位驱动热源的制冷方式，传统吸收式制冷机受其工质对和循环结构的制约，不适宜在深低温领域应用。在既有大量余热存在，又需要深低温冷冻的场合，混合制冷剂吸收式制冷系统具有独特的優势，越来越受到人们的关注。本文就混合制冷剂吸收式制冷的性能进行分析，并提出一定的优化措施。
【关键词】 混合制冷剂；吸收式制冷；性能优化
引言：
能源短缺和环境污染成为当今社会面临的越来越严重的问题，提高能源的综合利用率、降低能源的消耗，是解决能源短缺问题的重要方法之一。我国工业领域的能源消耗量约占全国能源消耗总量的，我国工业领域的单位能耗过高主要是因为产业结构不合理和能源综合利用率低。当今社会能源危机问题日益严重、人们对经济可持续性发展的要求越来越高，如何有效的利用各种工业余热废热，是节能减排问题的重要工作内容之一。
一、混合制冷剂LHR吸收式制冷循环理论研究
混合制冷剂LHR吸收式制冷循环的流程图如图1所示。吸收式工质对中吸收剂采用二甲基甲酞胺DMF，制冷剂采用两组混合制冷剂，第一组：R23/R134；第二组：R23/R227ea。
用于深度冷冻的混合制冷剂吸收式制冷系统的特点是采用了高度非共沸的混合制冷剂、这类制冷剂与纯制冷剂的很大不同之处在于其相变过程是变温相变，即在T-S图的两相区内不是水平线，而是具有很大斜率的曲线。因此，在冷凝器和蒸发器的出口，混合制冷剂仍然处于两相区，需要在传统吸收式制冷系统的冷凝器和蒸发器之问增设一个换热面积较大的制冷剂回热器，以实现温度较高的高压混合制冷剂与温度较低的低压混合制冷剂在制冷剂回热器中的热交换，使高压混合制冷剂在制冷剂回热器中继续液化，最终以较低的温度进入蒸发器气化，从而实现较低的制冷温度：为了使发生器发生出来的高温高压制冷剂气体中混入尽可能少的吸收剂，在发生器出口增设一个精馏柱，目的是分离发生器出口制冷剂中的吸收剂。
图1 混合制冷剂LHR吸收式制冷循环流程图
二、热力学模型
（一）发生器
发生器是吸收式制冷循环中，高温热源传递热量的对象。富含制冷剂的浓溶液在发生器中被加热，发生出制冷剂蒸汽，同时伴随着溶液浓度的降低。发生器的控制方程：
精馏柱当制冷剂与吸收剂的沸点差没达到足够大时，循环发生出的蒸汽，通常是制冷剂与吸收剂的混合物。吸收剂随制冷剂进入循环的制冷剂回路，通常会对循环性能产生不利影响。本文假设精馏过程无压降、进料流体为饱和气体且由柱底进料。精馏过程的控制方程：
其中mL是回流液，hL是回流液体的焓值。
（二）吸收器
吸收器是制冷剂与稀溶液混合的设备，混合过程通常伴随着热量的释放。稀溶液吸收制冷剂后浓度提高，重新转换成可发生出制冷剂的浓溶液，吸收器的控制方程：
（三）回热器
回热器是循环中对于热量或冷量进行回收的设备。溶液回热器用于回收发生终了的稀溶液的热量来预热进入发生器的浓溶液，减少发生单元的热负荷；制冷剂回路中的回热器是深冷领域混合制冷剂吸收式制冷机中的关键设备，通过回收低压侧制冷剂的冷量，预冷高压侧制冷剂，降低制冷剂节流阀前的温度，来减少节流损失，提高整个系统的性能。回热器中，各股流体的流量及摩尔成分保持不变，且不考虑漏热损失。回热器的控制方程：
三、实验装置设计与搭建
在理论模拟和分析的基础之上，设计和搭建了混合制冷剂吸收式制冷系统实验装置。系统图如图2所示。主要包括两大部分，制冷剂回路和溶液回路，其中制冷剂回路主要部件包括：冷凝器、蒸发器、制冷剂节流阔、两个回热器、气液分离器、爸底节流阀；溶液回路主要部件包括：发生器、吸收器、溶液粟、溶液回热器以及溶液节流阔。其中数字部分为热电偶测点位置。
图2 混合制冷剂吸收式制冷系统实验装图
在此系统中，制冷剂回路：发生器产生高温高压的混合制冷剂R23+R134a进入冷凝器内冷凝放热，当截止阀4打开，截止阀5和6关闭的时候，进行LHR吸组分收式制冷循环，由冷凝器出来的气液两相混合制冷剂直接进入回热器；当截止阀4关闭，截止阀5和6打开的时候，进行一次分凝吸收式制冷循环。
（一）发生器
发生器釆用高度800mm、规格为φ160×4mm的304不锈钢无缝钢管，两端为椭圆封头。浓溶液进口与稀溶液出口管规格均为φ16×1mm，发生器汽相出口管规格为φ12×1mm。发生器下部焊接有个6规格为φ12×1mm的紫铜管，紫铜管伸入发生器的一端焊有规格相应的紫铜平封头。铜管中插入6支额定功率为500的电加热棒并保持紧密接触，用以对发生器内的溶液进行加热。发生器一侧装有三个视液镜，用以监测发生器内的溶液液位，确保液面高于电加热棒的所在位置，防止电加热棒干烧。在发生器上半部设有高度为100mm的金属填料层作为精馏柱。其中，填料选用规格为φ6×1×10mm的陶瓷拉西环。
图3 发生器设计尺寸图
（二）系统高压和低压的影响因素分析
由于系统中釆用的是R23和R134a二元非共沸混合制冷剂，与纯制冷剂吸收式制冷系统不同，混合制冷剂吸收式制冷系统的高、低压不仅仅分别取决于冷凝温度和蒸发温度，同时吸收温度、发生温度、回热器内部的温度分布等也是其重要的影响因素。
（三）节流阔开度的影响
制冷剂节流阔开度对制冷系统髙低压力的影响是十分关键的。
（四）LHR吸收式制冷循环
表1给出了制冷剂节流阀关小前后典型的稳定工况系统参数，图给出了工况过渡过程中这些参数的变化趋势。 由表1可以明显看出制冷剂节流阔关小1圈后，高压PH上升了206kpa，低压PL下降了124kpa。蒸发温度明显降低，节流效果增强，而冷凝温度和吸收溫度基本不变，发生温度略有上升。
表1 LHR循环制冷剂节流阔关小1圈前后典型的稳定工况系统参数
（五）—次分凝吸收式制冷循环
对于一次分凝吸收式制冷循环，制冷剂回路除了制冷剂主节流阀外还包括爸底节流阔，制冷剂主节流阀和釜底节流阀的开度对系统高压和低压都有重要的影响。
实验中，冷凝器冷却水和吸收器冷却水都到最大值，在保持溶液节流阀爸底节流阀不变的前提下，制冷剂主节流阀关小1/4圈。表1给出了主制冷剂节流阀关小前后稳定工况的系统参数，图4给出了工况过渡过程中这些参数的变化趋势。由表1可以明显看出制冷剂节流阀关小1/4圈后，蒸发温度下降，高压升高了103Kpa，低压降低了59kpa，之后由于液位的变化而产生数据变化。而冷凝温度、吸收温度和发生温度基本不变。
图4 —次分凝循环制冷剂节流闽关小1/4圈
四、发生器和器吸收液位对系统性能的影响
系统运行过程中，发生器和吸收器的液位对系统影响明显，液位通过溶液栗和溶液节流阀来控制。当发生器液位降低，即吸收器液位升高，发生温度会明显上升，系统高压上升，制冷剂节流阀前后温度波动，不能达到稳定工况。当发生器液位升高，即吸收器液位下降，发生温度迅速下降，发生效果变差。吸收器液位过低，会导致溶液泵不能正常吸入溶液，停止工作。
在调节了系统其他变量，如制冷剂节流阀开度等，需要通过调节溶液节流阀来控制溶液液位，直至溶液液位重新稳定之后，系统运行工况才会逐渐稳定下来。
五、结论
对于混合制冷剂吸收式制冷，系统高压的影响因素主要有：制冷剂主节流阀的度、冷凝温度和发生温度；系统低压的影响因素主要有釜底节流阀开度，蒸发温度和吸收温度。冷凝温度和发生温度对系统高压的影响在同一个数量级，蒸发温度和吸收温度对系统低压的影响在同一个数量级。
制冷剂节流阀在一定范围内关小，可以使系统高压上升，系统低压下降，获得更低的制冷温度，但是制冷剂节流阀关小到一定程度后继续关小，将不利于系统稳定运行。
参考文献：
[1]吴业正，韩宝琦.制冷原理及设备[M].西安交通大学出版社，1987.
[2]陈光明，陈国邦.制冷与低温原理（第一版）[M].北京：机械工业出版社，2000
【关键词】 混合制冷剂；吸收式制冷；性能优化
引言：
能源短缺和环境污染成为当今社会面临的越来越严重的问题，提高能源的综合利用率、降低能源的消耗，是解决能源短缺问题的重要方法之一。我国工业领域的能源消耗量约占全国能源消耗总量的，我国工业领域的单位能耗过高主要是因为产业结构不合理和能源综合利用率低。当今社会能源危机问题日益严重、人们对经济可持续性发展的要求越来越高，如何有效的利用各种工业余热废热，是节能减排问题的重要工作内容之一。
一、混合制冷剂LHR吸收式制冷循环理论研究
混合制冷剂LHR吸收式制冷循环的流程图如图1所示。吸收式工质对中吸收剂采用二甲基甲酞胺DMF，制冷剂采用两组混合制冷剂，第一组：R23/R134；第二组：R23/R227ea。
用于深度冷冻的混合制冷剂吸收式制冷系统的特点是采用了高度非共沸的混合制冷剂、这类制冷剂与纯制冷剂的很大不同之处在于其相变过程是变温相变，即在T-S图的两相区内不是水平线，而是具有很大斜率的曲线。因此，在冷凝器和蒸发器的出口，混合制冷剂仍然处于两相区，需要在传统吸收式制冷系统的冷凝器和蒸发器之问增设一个换热面积较大的制冷剂回热器，以实现温度较高的高压混合制冷剂与温度较低的低压混合制冷剂在制冷剂回热器中的热交换，使高压混合制冷剂在制冷剂回热器中继续液化，最终以较低的温度进入蒸发器气化，从而实现较低的制冷温度：为了使发生器发生出来的高温高压制冷剂气体中混入尽可能少的吸收剂，在发生器出口增设一个精馏柱，目的是分离发生器出口制冷剂中的吸收剂。
图1 混合制冷剂LHR吸收式制冷循环流程图
二、热力学模型
（一）发生器
发生器是吸收式制冷循环中，高温热源传递热量的对象。富含制冷剂的浓溶液在发生器中被加热，发生出制冷剂蒸汽，同时伴随着溶液浓度的降低。发生器的控制方程：
精馏柱当制冷剂与吸收剂的沸点差没达到足够大时，循环发生出的蒸汽，通常是制冷剂与吸收剂的混合物。吸收剂随制冷剂进入循环的制冷剂回路，通常会对循环性能产生不利影响。本文假设精馏过程无压降、进料流体为饱和气体且由柱底进料。精馏过程的控制方程：
其中mL是回流液，hL是回流液体的焓值。
（二）吸收器
吸收器是制冷剂与稀溶液混合的设备，混合过程通常伴随着热量的释放。稀溶液吸收制冷剂后浓度提高，重新转换成可发生出制冷剂的浓溶液，吸收器的控制方程：
（三）回热器
回热器是循环中对于热量或冷量进行回收的设备。溶液回热器用于回收发生终了的稀溶液的热量来预热进入发生器的浓溶液，减少发生单元的热负荷；制冷剂回路中的回热器是深冷领域混合制冷剂吸收式制冷机中的关键设备，通过回收低压侧制冷剂的冷量，预冷高压侧制冷剂，降低制冷剂节流阀前的温度，来减少节流损失，提高整个系统的性能。回热器中，各股流体的流量及摩尔成分保持不变，且不考虑漏热损失。回热器的控制方程：
三、实验装置设计与搭建
在理论模拟和分析的基础之上，设计和搭建了混合制冷剂吸收式制冷系统实验装置。系统图如图2所示。主要包括两大部分，制冷剂回路和溶液回路，其中制冷剂回路主要部件包括：冷凝器、蒸发器、制冷剂节流阔、两个回热器、气液分离器、爸底节流阀；溶液回路主要部件包括：发生器、吸收器、溶液粟、溶液回热器以及溶液节流阔。其中数字部分为热电偶测点位置。
图2 混合制冷剂吸收式制冷系统实验装图
在此系统中，制冷剂回路：发生器产生高温高压的混合制冷剂R23+R134a进入冷凝器内冷凝放热，当截止阀4打开，截止阀5和6关闭的时候，进行LHR吸组分收式制冷循环，由冷凝器出来的气液两相混合制冷剂直接进入回热器；当截止阀4关闭，截止阀5和6打开的时候，进行一次分凝吸收式制冷循环。
（一）发生器
发生器釆用高度800mm、规格为φ160×4mm的304不锈钢无缝钢管，两端为椭圆封头。浓溶液进口与稀溶液出口管规格均为φ16×1mm，发生器汽相出口管规格为φ12×1mm。发生器下部焊接有个6规格为φ12×1mm的紫铜管，紫铜管伸入发生器的一端焊有规格相应的紫铜平封头。铜管中插入6支额定功率为500的电加热棒并保持紧密接触，用以对发生器内的溶液进行加热。发生器一侧装有三个视液镜，用以监测发生器内的溶液液位，确保液面高于电加热棒的所在位置，防止电加热棒干烧。在发生器上半部设有高度为100mm的金属填料层作为精馏柱。其中，填料选用规格为φ6×1×10mm的陶瓷拉西环。
图3 发生器设计尺寸图
（二）系统高压和低压的影响因素分析
由于系统中釆用的是R23和R134a二元非共沸混合制冷剂，与纯制冷剂吸收式制冷系统不同，混合制冷剂吸收式制冷系统的高、低压不仅仅分别取决于冷凝温度和蒸发温度，同时吸收温度、发生温度、回热器内部的温度分布等也是其重要的影响因素。
（三）节流阔开度的影响
制冷剂节流阔开度对制冷系统髙低压力的影响是十分关键的。
（四）LHR吸收式制冷循环
表1给出了制冷剂节流阀关小前后典型的稳定工况系统参数，图给出了工况过渡过程中这些参数的变化趋势。 由表1可以明显看出制冷剂节流阔关小1圈后，高压PH上升了206kpa，低压PL下降了124kpa。蒸发温度明显降低，节流效果增强，而冷凝温度和吸收溫度基本不变，发生温度略有上升。
表1 LHR循环制冷剂节流阔关小1圈前后典型的稳定工况系统参数
（五）—次分凝吸收式制冷循环
对于一次分凝吸收式制冷循环，制冷剂回路除了制冷剂主节流阀外还包括爸底节流阔，制冷剂主节流阀和釜底节流阀的开度对系统高压和低压都有重要的影响。
实验中，冷凝器冷却水和吸收器冷却水都到最大值，在保持溶液节流阀爸底节流阀不变的前提下，制冷剂主节流阀关小1/4圈。表1给出了主制冷剂节流阀关小前后稳定工况的系统参数，图4给出了工况过渡过程中这些参数的变化趋势。由表1可以明显看出制冷剂节流阀关小1/4圈后，蒸发温度下降，高压升高了103Kpa，低压降低了59kpa，之后由于液位的变化而产生数据变化。而冷凝温度、吸收温度和发生温度基本不变。
图4 —次分凝循环制冷剂节流闽关小1/4圈
四、发生器和器吸收液位对系统性能的影响
系统运行过程中，发生器和吸收器的液位对系统影响明显，液位通过溶液栗和溶液节流阀来控制。当发生器液位降低，即吸收器液位升高，发生温度会明显上升，系统高压上升，制冷剂节流阀前后温度波动，不能达到稳定工况。当发生器液位升高，即吸收器液位下降，发生温度迅速下降，发生效果变差。吸收器液位过低，会导致溶液泵不能正常吸入溶液，停止工作。
在调节了系统其他变量，如制冷剂节流阀开度等，需要通过调节溶液节流阀来控制溶液液位，直至溶液液位重新稳定之后，系统运行工况才会逐渐稳定下来。
五、结论
对于混合制冷剂吸收式制冷，系统高压的影响因素主要有：制冷剂主节流阀的度、冷凝温度和发生温度；系统低压的影响因素主要有釜底节流阀开度，蒸发温度和吸收温度。冷凝温度和发生温度对系统高压的影响在同一个数量级，蒸发温度和吸收温度对系统低压的影响在同一个数量级。
制冷剂节流阀在一定范围内关小，可以使系统高压上升，系统低压下降，获得更低的制冷温度，但是制冷剂节流阀关小到一定程度后继续关小，将不利于系统稳定运行。
参考文献：
[1]吴业正，韩宝琦.制冷原理及设备[M].西安交通大学出版社，1987.
[2]陈光明，陈国邦.制冷与低温原理（第一版）[M].北京：机械工业出版社，2000