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自动复叠制冷在小型制冷低温装置、天然气液化中有较强的应用优势,它能制取氮气液化温度77K到常规单机压缩制冷温度230K温区,常被应用于气体液化、红外线探测、半导体加工、低温医学、低温生物和水蒸汽捕集等方面。自动复叠制冷系统结构相对比较简单,但混合制冷剂工作机理却非常复杂,涉及到很多理论基础知识,例如实际气体热力学、工质分离与混合、混合工质传热、气液相平衡和低温绝热等。自动复叠制冷系统通常排气压力和排气温度高,降温速度慢,不利于系统的长期稳定运行。本课题研究自动复叠制冷系统压力和组分的调节控制方式,分析系统运行规律,寻找一种简单易操作的压力和组分调控方式。通过这种控制方法改善系统的运行状态,使该系统的运行工况安全稳定,效率提高。本文以理论分析和实验研究相结合的方法系统研究自动复叠制冷系统特性,开展了以下研究工作：(1)搭建自动复叠制冷系统实验装置。研究了二元和三元非共沸混合工质的气液相平衡特性,分析了气液相变过程。根据换热理论和混合工质物性软件NISTRefprop8.0分析了自动复叠制冷系统工作特性,对其温度、压力、流量和组分进行了理论分析并与实验结果进行对比。(2)非共沸混合工质冷凝后气液组分特性。非共沸混合工质冷凝是温度不断降低的变温冷凝过程,气相和液相的组分也不断变化。当冷凝器出口温度为300K时,液相混合工质R600a/R23/R14的质量比例为78.04/12.62/9.34,冷凝液大部分为R600a,但含有相当数量的中低沸点工质。冷凝温度降低至280K时R600a在气相中的比例为9.8%,即使冷凝温度降低到组分配比35/35/30的泡点温度249.49K,R600a在气相的质量百分含量仍然占2.67%。(3)一级、二级相分离器分离特性。相分离器Ⅰ能够分离78.04%的高沸点工质R600a,但低沸点工质R14在液相中占9.34%。相分离器Ⅱ只能分离30.27%的R23,12.62%依靠相分离器Ⅰ分离,其余的R23都带入到蒸发器。R600a在蒸发器内仍然有6.31%的含量,低沸点工质R14在蒸发器内仅占45.64%。(4)蒸发器蒸发温度控制。纯R14制冷剂在0.20MPa的饱和温度为156K,在0.25MPa的饱和温度为160K。混合制冷工质R600a/R23/R14的质量百分含量为6.31/48.05/45.64时,蒸发器最低蒸发温度可达到170K。实际测量蒸发温度175K比理论蒸发温度高大约5K。(5)组分配比对系统性能影响。混合制冷工质R600a/R23/R14在四种组分配比35/35/30、35/30/35、30/35/35和35/25/40的工况下进行实验研究,根据压缩机的运行性能参数和蒸发器的降温特性可以得到四组配比的各项运行性能参数都很接近,组分配比35/30/35的蒸发温度较低。根据两种组分配比35/35/30和35/30/35在不同冷负荷时的蒸发器制冷特性实验研究,组分配比35/30/35的最高COP为8.47%；组分配比35/35/30的最高COP为14.4%。(6)压力和组分调控规律。热气旁通调节可以有效排除高压对系统的危害,但对混合工质的组分没有调节作用。实验研究了一级旁通和二级旁通调节制冷系统的特性,通过混合工质的组分调节,均不同程度降低了排气压力、提高了降温速度,有效改善了系统的安全性。