采用不同制冷工質(zhì)組合的雙級復疊式制冷系統(tǒng)流程模擬分析

滿林香

【摘 要】利用Aspen HYSYS建立雙級復疊式制冷系統(tǒng)流程模型，模擬分析冷凝蒸發(fā)器溫度對系統(tǒng)制冷性能的影響，以及多種不同工質(zhì)的復疊式制冷系統(tǒng)的制冷性能。結(jié)果表明，存在一個最佳的冷凝蒸發(fā)器溫度使得系統(tǒng)制冷性能最好，在-40～-80℃蒸發(fā)溫度范圍內(nèi)，復疊式制冷系統(tǒng)采用NH3/CO2工質(zhì)比采用傳統(tǒng)的R22/R23、R22/R13制冷性能更好。

【關(guān)鍵詞】復疊式制冷系統(tǒng)；流程模擬；Aspen HYSYS；工質(zhì)

【中圖分類號】TB657 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）04-0128-02

0 引言

復疊式制冷系統(tǒng)通常由2個或者2個以上不同制冷劑的單級或者多級制冷系統(tǒng)組合而成[1]。在對溫度要求較低的制冷場合中，適合采用復疊式制冷系統(tǒng)。通常在-40 ～-120 ℃溫度范圍內(nèi)可以采用雙級復疊式制冷系統(tǒng)。傳統(tǒng)的雙級復疊式制冷系統(tǒng)所用的工質(zhì)組合主要有R22/R13、R22/R23、R22/R12等[2]，由于這些工質(zhì)基本是氟利昂，對臭氧層有巨大的破壞力，且會產(chǎn)生強烈的溫室效應，因此被環(huán)保節(jié)能的制冷劑替代是大勢所趨。寧靜紅[3]、王炳明[4]、沈九兵[5]等人分別對R290/CO2、NH3/CO2、R134a/CO2復疊式制冷系統(tǒng)進行過實驗研究，證實了復疊式制冷系統(tǒng)采用環(huán)保工質(zhì)的可行性。本文分別用流程模擬軟件Aspen HYSYS對采用環(huán)保工質(zhì)組合NH3 /CO2、R290/CO2、R134a/CO2、R600a/

CO2、R290/R1150及傳統(tǒng)工質(zhì)組合R22/R23、R22/R13的雙級復疊式制冷系統(tǒng)進行模擬分析。

1 雙級復疊式制冷系統(tǒng)流程模型建立

根據(jù)雙級復疊式制冷系統(tǒng)原理，在Aspen HYSYS中建立流程模型（如圖1所示），圖1中循環(huán)1-2-3-4-1為高溫級循環(huán)、循環(huán)5-6-7-8-5為低溫級循環(huán)。

物性包計算方法選擇Peng-Robinson，組分分別選擇需要模擬計算的工質(zhì)組合，并對計算條件約束如下：①物流2、物流6狀態(tài)為飽和液體；②物流4、物流8狀態(tài)為飽和氣體；③冷凝蒸發(fā)器換熱溫差△t=3 ℃；④物流2溫度為35 ℃；⑤各換熱器壓降設(shè)為10 kPa；⑥每一級循環(huán)的總壓比不超過16；⑦壓縮機總效率為75%。

本文做以下2類模擬計算：一是分析冷凝蒸發(fā)器溫度對雙級復疊式制冷系統(tǒng)制冷性能的影響規(guī)律（假設(shè)蒸發(fā)溫度t7為-50 ℃情況下模擬計算）；二是分析采用不同制冷工質(zhì)組合雙級復疊式制冷系統(tǒng)制冷性能大小（分別對采用不同的制冷工質(zhì)組合雙級復疊式制冷系統(tǒng)冷凝換熱器的換熱溫度進行最優(yōu)化，低溫級蒸發(fā)溫度t7分別從-40～-80 ℃，每間隔10 ℃，取一個數(shù)值進行模擬計算）。

制冷系數(shù)（COP）是衡量制冷系統(tǒng)性能的重要指標，計算方法是蒸發(fā)器熱負荷除以兩級壓縮機所消耗的功率之和。

2 雙級復疊式制冷系統(tǒng)流程模擬分析

2.1 雙級復疊式制冷系統(tǒng)冷凝換熱器溫度模擬分析

模擬結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，在給定的工況下，隨著冷凝換熱器工作溫度t7的降低，雙級復疊式制冷系統(tǒng)的COP先增加，達到最大值后逐漸減小。可見，雙級復疊式制冷系統(tǒng)的冷凝換熱器存在最佳工作溫度，使得系統(tǒng)的COP能達到最大。

2.2 采用不同工質(zhì)組合的雙級復疊式制冷系統(tǒng)流程模擬

分別模擬計算采用不同工質(zhì)組合的雙級復疊式制冷系統(tǒng)，計算結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，低溫級蒸發(fā)溫度在-40 ～-80 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，采用不同工質(zhì)組合的雙級復疊式制冷系統(tǒng)的COP曲線從高到低的排列順序為NH3 /CO2、R22/R13、R22/R23、R290/CO2、R134a/CO2、R600a/

CO2、R290/R1150。其中，采用NH3 /CO2工質(zhì)組合的復疊式制冷系統(tǒng)COP最高，采用R290/R1150工質(zhì)組合的復疊式制冷系統(tǒng)COP最低，采用R22/R13、R22/R23工質(zhì)組合的COP曲線基本重合，采用R290/CO2、R134a/CO2、工質(zhì)組合的COP基本重合。

3 結(jié)論

（1）通過模擬分析冷凝換熱器工作溫度對雙級復疊式制冷系統(tǒng)COP的影響，發(fā)現(xiàn)隨著冷凝換熱器工作溫度的降低，雙級復疊式制冷系統(tǒng)的COP先增加后降低，中間存在一個最佳溫度使得系統(tǒng)COP最大。

（2）通過對多個工質(zhì)組合的雙級復疊式制冷系統(tǒng)模擬計算，發(fā)現(xiàn)在-40 ～-80 ℃蒸發(fā)溫度范圍內(nèi)，采用環(huán)保的NH3/CO2工質(zhì)組合的復疊式制冷系統(tǒng)制冷性能良好，比傳統(tǒng)的R22/R13、R22/R23氟利昂工質(zhì)組合的系統(tǒng)制冷性能更佳。而采用R290/CO2、R134a/CO2、R600a/CO2、R290/

R1150環(huán)保工質(zhì)組合的復疊式制冷系統(tǒng)制冷性能均低于采用傳統(tǒng)的R22/R13、R22/R23氟利昂工質(zhì)組合的系統(tǒng)制冷性能，并且制冷性能依次降低。

參 考 文 獻

[1]陳光明，陳國邦，沈永年，等.制冷與低溫原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000：124.

[2]劉楊，臧潤清.NH3/CO2復疊式制冷系統(tǒng)概述[J].制冷與空調(diào)，2010，10（2）：53-56.

[3]寧靜紅，李惠宇，彭苗.R290/CO2復疊式制冷系統(tǒng)的性能實驗[J].制冷學報，2007（6）：57-60.

[4]王炳明，于志強，姜紹明，等.NH3/CO2復疊制冷系統(tǒng)實驗研究[J].制冷學報，2009，30（3）：21-24.

[5]沈九兵，胡斌，邱建偉，等.R134a/CO2復疊制冷系統(tǒng)的實驗研究[J].制冷學報，2013，34（4）：59-63.

[責任編輯：鐘聲賢]