采用不同制冷工质组合的双级复叠式制冷系统流程模拟分析

复叠式制冷系统通常由两个或者两个以上采用不同制冷剂的单级或者多级制冷系统组合而成^[1]。在对温度要求较低的制冷场合中，适合采用复叠式制冷系统。通常在-40～-120℃温度范围内可以采用双级复叠式制冷系统。传统的双级复叠式制冷系统所用的工质组合主要有R22/R13，R22/R23，R22/R12等^[2]，这些工质基本是氟利昂，对臭氧层有巨大的破坏能力，并具有强烈的温室效应，被环保节能的制冷剂替代是大势所趋。宁静红^[3]、王炳明^[4]、沈九兵^[5]等分别对R290/CO₂、NH₃/CO₂、R134a/CO₂复叠式制冷系统进行过实验研究，证实了复叠式制冷系统采用环保工质的可行性。在本文中分别用流程模拟软件Aspen HYSYS对采用环保工质组合NH₃/CO₂、R290/CO₂、R134a/CO₂、R600a/CO₂、R290/R1150及传统工质组合R22/R23、R22/R13的双级复叠式制冷系统进行模拟分析。

1 双级复叠式制冷系统流程模型建立

根据双级复叠式制冷系统的原理，在Aspen HYSYS中建立流程模型，如图1所示，循环1-2-3-4-1为高温级循环，循环5-6-7-8-5为低温级循环。

物性包计算方法选择Peng-Robinson，组分分别选择要模拟计算的工质组合，并对计算条件约束如下：（1）物流2、物流6状态为饱和液体；（2）物流4、物流8状态为饱和气体；（3）冷凝蒸发器换热温差△t=3℃；（4）物流2温度为35℃；（5）各换热器压降设为10kPa （6）每一级循环的的总压比不超过16；（7）压缩机总效率75%。

本文做以下两类模拟计算：一是分析冷凝蒸发器温度对双级复叠式制冷系统制冷性能影响规律（假设蒸发温度t₇为-50℃情况下模拟计算）；二是分析采用不同制冷工质组合双级复叠式制冷系统制冷性能大小（分别对采用不同制冷工质组合双级复叠式制冷系统冷凝换热器的换热温度进行最优化，低温级蒸发温度t₇分别从-40℃至-80℃，每间隔10℃，取一个数值进行模拟计算）。

制冷系数（COP）是衡量制冷系统性能的重要指标，计算方法是蒸发器热负荷除以两级压缩机所消耗的功率之和。

2 双级复叠式制冷系统流程模拟分析

2.1 双级复叠式制冷系统冷凝换热器温度模拟分析

模拟结果如图2所示，从图中可以看出给定的工况下，随着冷凝换热器的工作温度t₇降低，双级复叠式制冷系统的COP先增加，达到最大值之后逐渐减小。可见双级复叠式制冷系统的冷凝换热器存在最佳工作温度，使得系统的COP最大。

2.2 采用不同工质组合的双级复叠式制冷系统流程模拟

分别模拟计算采用各工质组合的双级复叠式制冷系统，计算结果如图3所示。从图中可以看出低温级蒸发温度在-40℃至-80℃温度区间内， 采用不同工质组合的双级复叠式制冷系统的COP曲线从高到低的排列顺序分别是：NH₃/CO₂、R22/R13、R22/R23、R290/CO₂、R134a/CO₂、R600a/CO₂、R290/R1150。其中采用NH₃/CO₂工质组合的复叠式制冷系统COP最高，采用R290/R1150工质组合的复叠式制冷系统COP最低，采用R22/R13、R22/R23工质组合的COP曲线基本重合，采用R290/CO₂、R134a/CO₂、工质组合的COP基本重合。

3 结论

（1）通过模拟分析冷凝换热器工作温度对双级复叠式制冷系统COP的影响，发现随着冷凝换热器工作温度的降低，双级复叠式制冷系统的COP先增加后降低，中间存在一个最佳温度使得系统COP最大。

（2）通过对多个工质组合的双级复叠式制冷系统模拟计算，发现在-40℃～-80℃蒸发温度范围内，采用环保的NH₃/CO₂工质组合的复叠式制冷系统制冷性能良好，比传统的R22/R13、R22/R23氟利昂工质组合的系统制冷性能更佳。而采用R290/CO₂、R134a/CO₂、R600a/CO₂、R290/R1150环保工质组合的复叠式制冷系统制冷性能均低于采用传统的R22/R13、R22/R23氟利昂工质组合的系统制冷性能，并且制冷性能依次降低。