具有精餾裝置的自動復疊制冷循環分析

柳江峰

摘 要：本文主要研究和分析具有精餾裝置的自動復疊制冷循環，制冷劑選取三氟甲烷或者R-134a。使用熱力學分析新循環，這樣就能夠建立質量和能量的平衡方程。主要分析了系統制熱能效比、吸氣的溫度、混合工質配比等一系列影響。

關鍵詞：精餾裝置；自動復疊制冷系統；熱力學分析

一般情況下，零下四十攝氏度的溫度環境通常會使用復疊制冷系統，它能夠根據不同的溫度區而使用在不同的領域，例如保存低溫生物、冷卻傳感器以及在低溫環境中測試物品與材料的性能等。復疊制冷系統一般分別兩種裝置：一種是多循環復疊式，這是一種兩級系統，高溫循環的工質主要是R12，低溫循環的工質主要是R13，兩者是通過冷凝蒸發器耦合在一起的。但是這種裝置系統也有其弊端，在使用時需要同時啟用兩臺壓縮機。另一種是自動復疊式，其冷凝劑的工質主要是非共沸混合，它在使用時只需要使用一臺單級壓縮機。由于多級的分凝循環無法有效分離低沸點和高沸點，本文提出一種新式自動復疊式循環系統，它可以使用一種壓縮機實現多級分凝，并且只使用一個精餾裝置。混合工質使用在精餾裝置中能夠代替多級的分凝，這樣可以大大提高分離速率。

1 具有精餾裝置的自動復疊制冷循環

具有精餾裝置的自動復疊制冷循環工作流程：先使用A壓縮機將非共沸混合工質經過壓縮處理，再進入B冷凝器中進行冷凝處理，處理得到的汽液混合物置入F精餾塔進行加熱，之后節流進入塔內，將其進行精餾分離處理后，塔頂會逸出高純低沸的氣體，塔底會流出高沸點液體，該液體會經過低壓冷卻之后蒸發，蒸發過后先在精餾塔中進行運轉，再和低壓氣體進行混合，這樣就能在低溫下蒸發，將塔頂逸出氣體進行冷凝處理，得到的液體再經過換熱器進行過冷處理之后節流蒸發，這樣皆可以實現低溫。新式精餾裝置的自動復疊冷循環系統，它具有的精餾裝置可以相當于多級分凝器，能夠較好地分離低沸點和高沸點，此外，還能避免蒸發器堵塞。

2 分析新循環熱力學性能

在分析之前，首先需要選取合適的循環工質，此次研究所使用的制冷劑主要是采用氫氟烴，使用R-134a作為高沸點組分，使用三氟甲烷作為高沸點組分。使用PTg方程計算熱力學性能，根據有關資料提供的實驗數據擬合R-134a與三氟甲烷的互相作用。為了計算的簡便性，本文將計算條件作以下假設：

①將壓縮過程的絕熱效率控制在70%左右；②忽略液體流動以及冷凝過的壓力損失，其余連接管道以及換熱器的壓力損失情況作如下考慮：14-11的壓力損失為4kPa，11-6的壓力損失為2kPa，6-8的壓力損失為3kPa，8-0的壓力損失為1kPa，7-5的壓力損失為4kPa，將急流裝置中的壓力損失設定在21kPa，這樣就是3-4的壓力損失為21kPa；③假設從塔底流出的液體為飽和液體，塔頂逸出的氣體為飽和氣體；④E蒸發器和G蒸發器側口出來的蒸發汽體為飽和汽體；⑤換熱器的傳感溫差值作以下假設：6-9的溫差值等于5，9-8的溫差值大于等于3，4-（5+7）/2的溫差值大于等于2，3-0的溫差值大于5，12-8的溫差值大于等于5，2-3的溫差值等于5。按照換熱器以及蒸餾裝置的質量聯合能量守恒定律能夠建立方程組，只要將方程組解開，就能得到循環系統各點的參數，進一步求出壓力比例以及系統制熱能效比。

3 分析影響新式循環系統性能的因素

根據前面所做的一系列理想值的假設，設定冷凝器的出口溫度為四十攝氏度，蒸發器的壓力為一百四十千帕，精餾塔頂的三氟甲烷的濃度為99.66%，在以上設定條件下，分析影響新式循環系統性能的因素。

3.1 混合物組成

在分析影響混合物組成的因素時，需要確保精餾塔壓力以及稀奇溫度的固定值保持不變。此外，還要使得冷凝器與壓縮機的能量平衡，當升高吸氣溫度時，就相對提升了制冷劑的焓值，為了二者的平衡，就需要同時提升制冷劑的焓值。同時，隨著吸氣溫度的提升，系統制熱能效比減少幅度不是很大，因此二者之間的關聯性以及影響性不大。

3.2 精餾塔操作壓力

如果三氟甲烷的濃度為52%時，精餾塔操作壓力越高，就會拉近飽和汽液相線之間的距離，這樣就會縮小汽液相間濃度差，加大了分離的難度，也會抬升精餾塔內的壓力，進一步提升塔底低沸點組分三氟甲烷的濃度，使得三氟甲烷無法足量進入蒸發器，降低系統制熱能效比。

4 結束語

本文主要研究和分析具有精餾裝置的自動復疊制冷循環，該系統的精餾裝置可以有效分離低沸點和高沸點。研究的制冷劑選取三氟甲烷或者R-134a。使用熱力學分析新循環，得到的結論主要有以下方面：

①如果低沸點在混合物組成中的含量增加，系統制熱能效比提升，就必須相應提升壓縮機壓比；②如果壓縮機的稀奇溫度不斷上升，統制熱能效比減少幅度不是很大，因此二者之間的關聯性以及影響性不大；③精餾塔操作壓力越高，就會拉近飽和汽液相線之間的距離，提升塔底低沸點組分三氟甲烷的濃度，使得三氟甲烷無法足量進入蒸發器，降低系統制熱能效比。

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