三级自复叠制冷系统性能模拟研究

自动复叠制冷是一种结构简单、可靠性高、操作简单、经济节能的新型制冷循环机组。多级自动复叠制冷循环系统在低温领域得到了广泛的应用。目前，自动复叠制冷循环主要研究方向 [1]-[2] 为：一是对制冷循环系统的新型换热器和高效气液分离器的改进；二是研发新型制冷混合工质，算出最佳的混合制冷剂的配比。Sivakumar 和Somasundaram[3] 在自动复叠式制冷系统中不同混合工质配比下的实验研究表明混合工质 R290/R23/R14 质量比为 0.218：0.346：0.436 时，制冷系统的 COP 为 0.253 。上海理工大学 [4] 优化了混合工质 R134a/R23/ R14 配比和实验装置，得到最低制冷温度 -100^∘C 、系统的COP 是 0.056

1 三级自动复叠制冷系统

本文选用 Aspen V14 流程模拟软件，建立三级自复叠制冷系统的流程，通过运用计算机软件对 R227ea/R23/R14 三级自复叠制冷系统进行了模拟。

图1 三级自动复叠制冷循环系统图

图 1 系统循环：压缩机中混合工质变成高温高压的蒸气，经过冷凝器，混合气体被冷却， R227ea 由于沸点高，被冷却为液体，经过气液分离器 2，R227ea 液体被分离进入换热器 1，经过节流阀 1 进行降压，混合气体 R23 和 R14 进入冷凝蒸发器冷凝段 1 被液体 R227ea冷却，由于 R23 的沸点高，R14 的气体和 R23 的液体进入气液分离器 3 中，液体 R23 与液体 R14 在换热器 F4 中换热；然后进入节流阀 2 进行降压；R14 进入冷凝蒸发器冷凝段 2 被液体 R23 冷却，部分 R14 被液化，未被冷却 R14 气体和液体 R14 进入换热器 3 再次被冷却获得更低温的液体 R14，再进入节流阀 3 进行降压，进入蒸发器中吸收被冷却介质的热量，从来使被冷却介质的温度达到 -100^∘C ，R23 的气体和R14 的气体在混合器2 混合，R23 和R14 的混合气体与R227ea 的气体混合器 1 混合，然后混合气体 R227、R23 和 R14 进入气液分离器进行分离液体，（防止液体进入压缩机，产生液击、减少制冷量）回到压缩机完成整个循环。

2 系统模型的建立

2.1 制冷剂的选择

三级自动复叠循环制冷模拟为了实现了循环过程中各工质组的分离和混合。结合 R23 的蒸发温度是 -70～-110^∘C 以及 R14 的蒸发温度是 -110～-140^∘C 。而目前针对可实现 -100^∘C 以下温度的自复叠式系统设计以及混合工质组分和配比优化的实验研究比较少，收集实验数据较为困难，因此采用仿真模拟计算为实验研究提供参考性依据。选用 R23、R14、 R227ea 的三种工质，三种工质不会破坏臭氧层，其主要物性参数如表1 所示。

表1 三种工质的主要热物性参数

2.2 系统模型的选取

本文选用的设备型号：压缩机选取 Compr 模型，气液分离器选取 Flash2 模型，冷凝器和蒸发器选取 Heater 模型，冷凝蒸发器选取HeatX 模型，节流阀选取 Valve 模型，混合器选取 Mixers 模型，根据三级自复叠式制冷系统的特点以 0.7-0.75 的等熵效率以及机械效率设置为1 选用压缩机模型，本模型只有气、液两相分离选用气液分离器，

冷凝蒸发器换热效率设置为1。

3 理论分析

3.1 循环系统的理论性能分析

基于热力学的第一定律对三级自动复叠式制冷循环系统的性能进行理论分析，提出一些假设：

模拟系统做几个假设：

（1）假设制冷工质在换热器和管路等装置设备中的压降损失忽略不计；

（2）假设气液分离器装置具有绝热性，同时经分离操作得到的气液两相都具饱和性；

（3）假设压缩机的等熵压缩效率为 75% ；

（4）所有的节流过程均为等焓过程。四个假设是为了方便理论计

算制冷量和 COP 。

模拟采用 Aspen 推荐的 Peng-Robinson 状态方程。模型设定为Peng-ROB，同时借助于PR 算法，并且完成相关初始参数的设定，运行软件便能够模拟流程，从而计算出换热器的换热量、制冷量以及温度等相关参数。

3.2 循环系统的模拟研究分析

根据实验结果设置系统压缩机的吸气压力 0.17MPa ，排气压力2MPa_⨀ 。冷凝器出口温度根据实验结果设置为 6^∘C ，压缩机模型选择等熵压缩，给定压缩机等熵压缩效率为 75% 。根据图 1 建立系统流程模拟图，物性计算方法采用PR 方程。混合制冷剂 R227ea/R23/R14 配比为 4：3：3 时，三级自复叠制冷循环系统模拟计算结果。压缩机吸气温度 5.65°C ，压缩机排气温度 80.4^qC ，压缩机功率为 3560W ，冷凝器出口温度为 6^∘C ，冷凝器功率为 3250W ，气液分离器温度为 6^∘C ，气液分离器功率为 0W，换热器 1 热介质侧出口温度为 5.65^qC ，换热器 1换热量为 350.06W ，冷凝蒸发器 1 热介质侧出口温度为 -20% ，冷凝蒸发器 1 换热量为 1414.923W，冷凝蒸发器 1 蒸发段温度为 -35.5^qC ，冷凝蒸发器 1 蒸发段功率为 0W，换热器 2 热介质侧出口温度为 -50.5‰ ，换热器 2 换热量为 98.02W ，冷凝蒸发器 2 热介质侧出口温度为 -80% ，冷凝蒸发器 2 换热量为 700.09W ，换热器 3 热介质出口温度为 -90^∘C ，换热器 3 换热量为 55.68W ，蒸发器温度为 -100^∘C ，蒸发器制冷量为151W，COP 为 0.042 。

模拟计算出 R227ea/R23/R14 三级自动复叠式制冷循环系统的压缩机吸排气温度、系统蒸发温度、系统的能效比参数，可以得出如下结论：系统在压缩机吸气压力为 0.17MPa ，排气压力为 2MPa，压比为 11.76 时，最终蒸发温度达到 -100‰ ，压缩机吸气温度为 5.65°C ，压缩机排气温度为 80.4^qC ，系统能效比为 0.042 。

根据理论分析计算得出 R227ea/R23/R14 的配比为 11：3：6，运用Aspen 模拟软件建立三级自复叠式制冷循环系统的流程模拟图如图 1所示。设定原有压缩机吸排气压力蒸发参数不变，改变三种制冷剂配比，得出模拟计算结果，压缩机吸气温度 3.52°C ，压缩机排气温度82.4^∘C ，压缩机功率为 3209W，冷凝器出口温度为 2.1^∘C ，冷凝器功率为 1500.2W ，气液分离器温度为 2.1% ，气液分离器功率为 0W，换热器 1 热介质侧出口温度为 -32% ，换热器 1 换热量为 182.6W ，冷凝蒸发器 1 热介质侧出口温度为 -40.5°C ，冷凝蒸发器 1 换热量为450.6W ，冷凝蒸发器 1 蒸发段温度为 -45.2% ，冷凝蒸发器 1 蒸发段功率为0W，换热器2 热介质侧出口温度为 -50.5^∘C ，换热器2 换热量为 55.3W，冷凝蒸发器 2 热介质侧出口温度为 -60.1^∘C ，冷凝蒸发器2 换热量为 260.4W ，换热器 3 热介质出口温度为 -85°C ，换热器 3 换热量为 225.1W ，蒸发器温度为 -100^∘C ，蒸发器制冷量为 480W ，COP为 0.152 。

模拟计算出 R227ea/R23/R14 三级自动复叠式制冷循环系统的压缩机吸排气温度、系统蒸发温度、系统的能效比参数，可以得出如下结论：系统在压缩机吸气压力为 0.17MPa ，排气压力为 2MPa ，压比为 11.76 时，最终蒸发温度达到 -100^∘C ，压缩机吸气温度为 3.52°C ，压缩机排气温度为 82.4^∘C ，系统能效比为 0.152 。

4 结论

本文选用 Aspen V14 模拟软件，建立三级自复叠制冷系统的流程，通过运用计算机软件对 R227ea/R23/R14 三级自复叠制冷系统进行了模拟。模拟得出 R227ea/R23/R14 三级自动复叠式制冷循环系统在压缩机吸气压力为 0.17MPa ，排气压力为 2MPa，压比为 11.76 时，最终蒸发温度达到 -100^∘C ，压缩机吸气温度为 5.65°C ，压缩机排气温度为 80.4^∘C ，系统能效比为 0.042 。再根据理论分析计算得出 R227ea/ R23/R14 的配比为 11：3：6，再运用 Aspen 模拟得出三级自动复叠式系统在压缩机吸气压力为 0.17MPa ，排气压力为 2MPa ，压比为 11.76 时，最终蒸发温度达到 -100^∘C ，压缩机吸气温度为 3.52°C ，压缩机排气温度为 82.4^∘C ，系统能效比为 0.152 。

参考文献

[1]MISSSIMER D J. Refrigerant conversion auto - refrigeration cascade（ ARC） system [J]. International Journal of Refrigeration，1997，20（ 3） ： 201 - 207

[2] 张华. 刘占杰. 荆磊. 一种三级自动复叠制冷系统试验研究. 低温与超导 ，2005，33（4）：24—26

[3]M.Sivakumar，P.Somasundaram.Exergy and energy analysis of three stage suto refrigerating cascade system using Zeotropic mixture for sustainable development [J].Energy Conversion and Mangement 84，2014，589-596

[4] 张华等 ， 一种三级自动复叠制冷系统的实验研究 ， 低温于超导 ，2005，33（4）：24-26.

作者简介：朱珠（1993.4-），女，汉族，江苏扬州，硕士，研究方向：低温制冷技术。