采用不同制冷工質(zhì)組合的雙級(jí)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)流程模擬分析

復(fù)疊式制冷系統(tǒng)通常由兩個(gè)或者兩個(gè)以上采用不同制冷劑的單級(jí)或者多級(jí)制冷系統(tǒng)組合而成^[1]。在對(duì)溫度要求較低的制冷場(chǎng)合中，適合采用復(fù)疊式制冷系統(tǒng)。通常在-40～-120℃溫度范圍內(nèi)可以采用雙級(jí)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)。傳統(tǒng)的雙級(jí)復(fù)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]，這些工質(zhì)基本是氟利昂，對(duì)臭氧層有巨大的破壞能力，并具有強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)，被環(huán)保節(jié)能的制冷劑替代是大勢(shì)所趨。寧?kù)o紅^[3]、王炳明^[4]、沈九兵^[5]等分別對(duì)R290/CO₂、NH₃/CO₂、R134a/CO₂復(fù)疊式制冷系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)了復(fù)疊式制冷系統(tǒng)采用環(huán)保工質(zhì)的可行性。在本文中分別用流程模擬軟件Aspen HYSYS對(duì)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(jí)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析。

1 雙級(jí)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)流程模型建立

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

物性包計(jì)算方法選擇Peng-Robinson，組分分別選擇要模擬計(jì)算的工質(zhì)組合，并對(duì)計(jì)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10kPa （6）每一級(jí)循環(huán)的的總壓比不超過(guò)16；（7）壓縮機(jī)總效率75%。

本文做以下兩類模擬計(jì)算：一是分析冷凝蒸發(fā)器溫度對(duì)雙級(jí)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)制冷性能影響規(guī)律（假設(shè)蒸發(fā)溫度t₇為-50℃情況下模擬計(jì)算）；二是分析采用不同制冷工質(zhì)組合雙級(jí)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)制冷性能大小（分別對(duì)采用不同制冷工質(zhì)組合雙級(jí)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)冷凝換熱器的換熱溫度進(jìn)行最優(yōu)化，低溫級(jí)蒸發(fā)溫度t₇分別從-40℃至-80℃，每間隔10℃，取一個(gè)數(shù)值進(jìn)行模擬計(jì)算）。

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

2 雙級(jí)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)流程模擬分析

2.1 雙級(jí)復(fù)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，從圖中可以看出給定的工況下，隨著冷凝換熱器的工作溫度t₇降低，雙級(jí)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的COP先增加，達(dá)到最大值之后逐漸減小。可見(jiàn)雙級(jí)復(fù)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最大。

2.2 采用不同工質(zhì)組合的雙級(jí)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)流程模擬

分別模擬計(jì)算采用各工質(zhì)組合的雙級(jí)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出低溫級(jí)蒸發(fā)溫度在-40℃至-80℃溫度區(qū)間內(nèi)， 采用不同工質(zhì)組合的雙級(jí)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的COP曲線從高到低的排列順序分別是：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(fù)疊式制冷系統(tǒng)COP最高，采用R290/R1150工質(zhì)組合的復(fù)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(guò)模擬分析冷凝換熱器工作溫度對(duì)雙級(jí)復(fù)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(jí)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)的COP先增加后降低，中間存在一個(gè)最佳溫度使得系統(tǒng)COP最大。

（2）通過(guò)對(duì)多個(gè)工質(zhì)組合的雙級(jí)復(fù)疊式制冷系統(tǒng)模擬計(jì)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(fù)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(fù)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。

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